Question

芯片是如何制造出来的

Answer 1

芯片是什么？
芯片，也叫微芯片，由一小块平坦晶圆上的电子电路构成。晶体管是芯片上的微型开关，可以控制电流的打开和关闭。在晶圆上通过添加和去除材料形成多层互连的格栅结构，从而构成无数的微型电流开关。
晶圆由硅制成，与那些可直接传导电流的金属不同，硅是一种半导体，通常需要在其中掺杂一些元素（如硼B，磷P）才能实现电流的传导，这也为控制电流的开关提供了一种途径。硅是地壳中含量第二丰富的元素，仅次于氧元素，在自然界中通常以二氧化硅的形式存在，也就是我们常见的砂子。晶圆便是由主要物质成分为二氧化硅的硅砂制成，首先将硅砂熔融成大晶柱，叫做硅晶柱，再将其切割成薄片，便成为晶圆。
芯片上的元件是以纳米为单位度量的，1纳米是十亿分之一米。作为比较，人类头发的直径大概为100微米，也就是一万分之一米，而一个病毒的直径大约为14纳米。透过最先进的光刻机，目前最先进芯片上的最小元件可以加工到5纳米以下。芯片上元件的尺寸越小，便能装更多的晶体管，芯片的功能也就越强大。
芯片的进步，使得计算能力和存储空间得到大幅度的提升，也推动了高科技的发展。未来的虚拟现实技术，人工智能技术和深度学习技术都会产生大量的数据，而要处理这些数据，离不开具有超高性能的芯片。

那么，芯片是如何制造出来的呢？
芯片的制造过程大致可分为以下十步：
1.沉积：将材料薄膜沉积在晶圆上，材料可以是导体、半导体和绝缘体
2.光刻胶涂覆：在材料薄膜上涂上一层光敏材料，光刻胶或者光阻，之后再放入光刻机
3.曝光：在光刻机中，光束透过掩模板聚焦在光刻胶上，将掩模板上的图案转移到光刻胶上
4.计算光刻：通过算法优化掩模板，减小其受光刻胶化学变化的影响
5.烘烤和显影：去除多余的光刻胶
6.刻蚀：去除多余的空白部分
7.计量和检验：时刻检测晶圆的数据并反馈给光刻系统
8.离子注入：在去除光刻胶之前注入离子调整部分晶圆的半导体特性
9.重复制程：根据所需要的层数重复光刻
10.封装芯片：切割晶圆，形成单个芯片并封装

芯片制造所需要的外部条件有哪些？
不同种类的光刻机和超净间。芯片就像是迷你的摩天大楼，它的结构可达到100多层，层与层之间以纳米精度相互交叠，这种精度也称为“套刻精度”。由于层与层之间的图案不同，便需要不同类型的光刻机来加工。ASML的深紫外线光刻机有几个不同的种类，适用于关键性的小图案和普通型的大图案。无论多小的灰尘，一旦落在晶圆上便会对晶圆造成很严重的损伤。所以芯片的制造需要在干净的环境中进行。世界上多数厂商所使用的超净间为“ISO 1级”，即空气中每立方米颗粒直径在100到200微米之间的颗粒数不超过10个，没有直径大于200微米的颗粒，而相对比之下，干净的医院里每立方米空气中有10000颗粉尘，可见，日常的环境的洁净度远远达不到超净间的标准。超净间中的空气会不断的循环和过滤，工作人员也需要穿着特殊的工作服维持超净间的洁净。

芯片的制造模式有哪些？
芯片的制造模式可分为三类：一类IDMs是设计并加工芯片，另一类Foundries是依据代工合同为其他公司加工芯片，有些公司例如高通、英伟达和超微半导体，只从事芯片的设计而不进行加工，以期节约运营成本。

芯片如何从设计走向量产？
从芯片的设计到量产总共要走过四个阶段，分别是设计阶段、开发阶段、试产阶段和量产阶段。
设计阶段：在此阶段，客户给厂商提供芯片电路，厂商根据客户的实际需求设计和优化掩模板
开发阶段：在确定了掩模板后，厂商需要在少量晶圆和光刻机上试验光刻，确保设计好的掩模板可以
被转移到光刻胶上，这也是此阶段的难点。
试产阶段：开发阶段确定好的加工设置叫做工艺窗口，在试产阶段需要做的便是扩大这个工艺窗口，
因为每加入一台光刻机便会多一个变量，例如光波长、加工精度等，为了能让更多的光刻
机协同工作，需要尝试将工艺窗口扩大，以容纳更多种设置。（可以简单理解为容错性）
量产阶段：在此阶段，厂商需要起到一定的监测作用，确保光刻机能够以最大的优良率不间断的生产
芯片。