1958年，德州仪器的工程师基尔比发明了世界上第一块集成电路，谁都没想到，这之后的60多年里，集成电路在消费类电子、汽车乃至国防军工领域，发挥着无可替代的作用。

         这所说的“集成电路”，你可以理解为芯片。狭义上，集成电路和芯片有一定区别，集成电路更多是指各种元器件互联成的电路，而芯片是集成电路的载体，但现在大家基本已经不作区分。

         有人说，芯片是轮子之后人类最重要的发明，那你们知道芯片是怎么制造出来的吗？为什么拇指大小的芯片可以集成数公里的导线和上亿根的晶体管？

         这些问题也是我们制作本期内容的出发点。

世界上第一块集成电路；图片来源：华盛顿邮报

         芯片制造，说白了就是在晶圆上刻电路，然后切割并封装成产品的过程。首先是晶圆，以目前使用量占据主导地位的硅基（Si）晶圆来说，富含二氧化硅的石英砂是主要的原材料。

         所以芯片脱胎于沙子的说法，其实有一定道理。

         接下来是提纯，提纯分两步走：加碳，在高温条件下将二氧化硅还原成粗硅，也就是含有一定杂质的多晶硅；然后进一步提纯得到高纯多晶硅。这里常采用的方法有三氯氢硅氢还原法和硅烷热分解法。

         当然，高纯多晶硅还不是终点，还需要利用直拉法或者区熔法来制备单晶硅棒。

         相比之下，直拉法更容易生长出大直径的单晶硅，这也是行业普遍采用的单晶生产工艺。最后，把单晶硅切割成一片片晶圆，经过打磨、抛光、清洗等一系列步骤，就可以进行后面的步骤了。 

图片来源：环球晶

         这里有一个知识点，当前晶圆尺寸主要以200mm（ 8英寸）和300mm（12英寸）为主。以12英寸晶圆为例，一片大约可以加工700～10,000颗芯片。晶圆直径加大，可以制造的芯片数量随之增加，最终单颗芯片的成本理论上也会降低。

         不过，硅晶圆的市场高度集中，光是日本的信越化学和胜高、台湾省的环球晶等五大厂商在全球的市场份额就达到了八、九成。

         还不止这样。电阻率、氧浓度、碳浓度、径向均匀性等等在内的参数都会影响晶圆的最终品质，进而决定芯片的性能。所以要做好晶圆并没能那么容易。

         现在大家都在说碳化硅，就以碳化硅衬底的晶圆来看，尺寸越大，加工难度会越高，因为材料的关系，不仅衬底生长难，做外延也难。

         尽管如此，我们能看到的是，整个行业都在积极提升良率，加大汽车端的应用。

图片来源：DRex Electronics

         回归正题，一颗芯片到底是怎样“炼”成的呢？

         芯片制造的过程就如盖房子、盖高楼大厦，里面一根根的晶体管，层层堆叠的结构就像搭基建，纵横交错的电路连线则是负责各类元器件通信联络的桥梁。

         高倍显微镜下，你甚至能观察到更复杂更精密的布局，感兴趣的朋友可以试一试。那话不多说，我们一起来看看芯片到底是怎么制造出来的。

         当芯片设计工程师把电路图设计好，晶圆厂或者掩膜厂把线路图刻在掩膜版上后，芯片制造的正式流程就开始了。

         首先，为了让晶圆更稳定并且绝缘，需要通过氧化工艺在其表面生成一层保护膜，也就是二氧化硅（SiO2）。光刻是芯片制造的核心，这个过程就基于这层膜展开。

         之后，在晶圆上涂上光刻胶，放入光刻机内，光源透过掩膜照射光刻胶，经过曝光的光刻胶会因为光溶解作用而断裂变软，再经过显影液溶解被清除，而没有曝光的部分会留下和掩膜版一致的图形。

         你可以想象成是胶片相机的工作原理，目的是把掩膜版上的线路图形转印到晶圆上。

图片来源：SK海力士

         这里是以正光刻胶——也是先进芯片制造常用的光刻胶为例。顾名思义，负光刻胶是曝光的那部分留下，没有被曝光的光刻胶溶解。

         光刻胶是光刻工艺中最重要的材料，它对光源的敏感度、对晶圆的黏附性，以及本身的对比度、抗蚀性、纯度等都是影响光刻的性能指标。但可能比起这个，大家关注更多的还是光刻机。

         光刻机是光刻工艺要用到的主要设备之一，它的分辨率决定了在晶圆上转印电路图形的最小尺寸。换句话说，分辨率越高，越容易刻出更精细的电路，芯片所能集成的晶体管数量就会越多。

         举个例子，7nm及以下先进芯片要用到的极紫外（EUV）光刻机，就是通过缩短曝光光源的波长，提高光能，进而提高分辨率，实现精细绘图。这样的一台设备价值高达上亿美元。

图片来源：ASML

         可能有人会说，7nm芯片不用EUV光刻机，浸没式光刻机多重曝光后也能够制造出来。但别忘了，时间、成本以及误差都会大大增加。何况7nm还是芯片制造工艺的终点。

         而在这些步骤之后，再用刻蚀工艺将晶圆上多余的材料清除，得到所需的3D电路图。

         同时经过掺杂，对晶圆衬底 局部注入硼离子、磷离子、砷离子等，改变晶体管的半导体特性。最后焊接连接起各个元器件，形成真正的电路。

刻蚀过程就像用模具印出想要的饼干；图片来源：SK海力士

         当然，芯片发展到现在，已经从一层楼升级到多层。而要实现多层结构，还有一个关键的工艺步骤要做——那就是薄膜沉积。

         在晶圆表面不断沉积厚度小于1μm的超薄薄膜，重复光刻 刻蚀，最终就能形成预先设计的3D结构。薄膜覆盖的均匀性会直接影响到线路图形的精度。

         可以说，每一个步骤都是听起来简单，实际的技术壁垒其实很高。

         这里提到的也只是芯片制造的前道工艺，后道还有封装和测试。芯片制造的整个过程要经过数以百计数以千计的工艺步骤，要真正搞懂，还需要不断学习。

         那本期内容就先到这里，下期见！