芯片制造——在方寸之间造世界

晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，在硅晶片上可加工成各种电路元件结构，成为有特定电性功能的芯片。由于其形状为圆形，故称为晶圆。

硅晶圆的制造可归纳为三个基本步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

首先是硅提纯，硅晶圆顾名思义材质是硅，而硅源于你我熟知的沙子，沙子的主要成分是二氧化硅，放入一个温度约为2000℃，并且有碳源存在的电弧熔炉中，在高温下碳和二氧化硅进行氧化还原反应，得到纯度为98%的硅，我们称之为冶金级硅，但是这对微电子器件来说还不够纯，因为半导体材料的电学特性对杂质的浓度非常敏感，因此要对冶金级硅进行进一步的提纯：将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢进行氯化反应，生成液态的硅烷，通过蒸馏和化学还原工艺，可以得到纯度高达99.9999%的多晶硅，又称为电子级硅。

接下来是单晶硅生长，最常用的方法叫直拉法。高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，并用外面围绕着的石墨加热器不断加热，温度维持在大约1400 ℃，炉中的空气通常是惰性气体，使多晶硅熔化，同时又不会产生不需要的化学反应。为了形成单晶硅，还需要控制晶体的方向：坩埚带着多晶硅熔化物旋转，把一颗籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去。因此所生长的晶体的方向性是由籽晶所决定的，在其被拉出和冷却后就生长成了与籽晶内部晶格方向相同的单晶硅棒。

用直拉法生长后，单晶棒将按适当的尺寸进行切割，然后进行研磨，将凹凸的切痕磨掉，再用化学机械抛光工艺使其至少一面光滑如镜，晶圆片制造就完成了。晶圆片是制作芯片所需要的底盘。

首先在晶圆上敷涂一种特殊的光刻胶，再将芯片设计公司设计完成的包含数亿乃至数十亿个电路元件的芯片蓝图，制成掩膜片。掩膜片可以理解为一种特殊的投影底片，其中包含了芯片设计的蓝图。下一步就需要将掩膜中的蓝图转印到晶圆上。性能越强悍的芯片，就需要在更小的晶片范围内放进更多的电子元件。因此对投影的分辨率提出了更高的要求。这就好比是要画出更加精细的图纸，需要更细的笔尖。投影光源的波长越短，所能投射出画面的精度就越高，所以光刻机的光源波长不断的追求更短、更精密，从436nm、365nm的近紫外（NUV）激光进入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光，再到13.5nm的极紫外（EUV）激光，大大提升了光刻机的分辨率。目前只有最先进的EUV光刻机，才能完成各设计公司的顶级的7nm和5nm芯片制造。

通常在一片晶圆上可以印刷成百上千个晶片，整个投影过程类似于光学中的凸透镜成像原理，利用极紫外光将芯片的设计图透过掩膜投影到晶圆的光刻胶上，光刻胶发生光化学反应，被光照射到的地方其溶解度会发生改变，经过显影液清洗后，便留下了光刻的芯片电路。然后再利用特制的化学药水进行蚀刻，溶解掉暴露出来的晶圆部分，剩下的光刻胶保护着不应该被蚀刻的部分。蚀刻完成后，清除全部的光刻胶，就得到各种纵横交错的电路沟壑。

通过注入对应的杂质离子的方式，在高温下扩散，直至满足设计所需的导电性能，赋予晶体管的特性。要了解其晶体管特性，先弄清楚半导体PN结。

硅的导电性能介于导体与绝缘体之间，半导体PN结就是把硅单质中掺入P型半导体和N型半导体，比如硼和磷。硼外围有三个电子，比硅少一个电子，二者混合后就变成空穴导电型半导体；磷外围有5个电子，比硅多一个电子，掺入后就变成电子型半导体。PN结的特点是当我们外加电压的时候，只有加在P区的电压为正极，加在N区的电压为负极的时候电流才会导通，反过来是不可以的。利用PN结这种单向导电性制造出来的晶体管，可以实现多种逻辑电路功能。

接下来是填充铜，以便和其他晶体管连接，然后在上面再涂一层光刻胶，重复上述过程，可以再做一层结构。如此重复20~50遍，使得晶片有更加复杂的三维结构，内部就像密集交织的超级城市。

用精细的切割器将芯片从晶圆上裁下，将裁下的芯片裸片（Die）放置到基片上，把管脚引出，然后固定封装成一个整体。最后送往芯片测试部门，这里将会对芯片的制造工艺以及预期的性能进行测试。在测试无误后再将成品交付客户使用，那些不合格的晶片将被作为电子垃圾。

通过以上介绍，可以发现整个芯片的制造过程需要大量精密的光学技术、材料技术以及精密加工技术，任何一个流程的疏漏都无法完成芯片的制造。