动图加详细解释：让你一下看懂芯片是如何制造出来的

作者：佰思科学 ｜ 沈东旭 邱亚明

芯片可以被称为现代信息产业的粮食，如果没有芯片，所有的信息产品都要停摆。 近来美国对华为的制裁，传说中的对中芯国际的制裁，都是想从根本上阻挡中国信息产业的蓬勃发展之势。

芯片是如此的重要，大家也对芯片行业的发展动态十分的关注。故而很多人也想更清楚地了解，芯片到底是如何制造出来的。本文通过一系列动图向你展示整个芯片的制造流程。芯片的诞生过程，可以分为设计、制造、封测三大步。

设计

芯片的诞生总是从设计开始的。 下面你所看到的，就是芯片的设计图。

芯片设计图

在芯片设计图中，你可以看到很多这样的符号：

晶体三极管

这些都是晶体管的符号。晶体管有三个管脚，上下两个管脚C和E之间可以流过电流，而中间那个B管脚则是一个开关，决定了C和E之间能否有电流通过。看起来就好像下图一样，

晶体管工作示意图

当然，点按开关的小手指头，只不过是一个可爱的模拟；真实的实现，是通过B管脚的电流来控制，直观来说如下图所示，

晶体管的工作原理

我们都知道，在数字化系统中，信息都有0、1来代表，因此晶体管这种开与关的状态天然与0、1状态相切合，自然而然就成了数字电路中最基本的组成部分。换句话说，用一定数量的晶体管，就能实现我们想要的功能；想要得到更多更好的功能，就要增加晶体管数量。假如我们把芯片比做一栋大厦，那么晶体管就是建设这栋大厦的每一块砖。

一开始，晶体管长成这样：

晶体管

是不是感觉有点占地方？于是，人们就想办法把晶体管做小，就出现了集成电路，也就是芯片。 在芯片里，集成了大量的晶体管。对同样面积的芯片来说，每一个晶体管的尺寸越小，能容纳的晶体管数量就越多，芯片功能就越强大。简单来说，晶体管两个管脚之间的距离被定义为线宽，线宽越窄，则晶体管就越小，那么芯片能容纳的晶体管就越多。我们常说某种芯片采用了5纳米或者7纳米的工艺，这里面的5纳米或7纳米指的就是晶体管的线宽。 以华为最新的麒麟1020芯片为例，采用的是台积电5nm工艺，晶体管数量达到了惊人的150亿。

麒麟1020是当前世界上最先进的手机处理器

制造

芯片设计好了，该怎么制造呢？芯片是在一块圆型的高纯度硅片上进行制造的，人们管它叫做晶圆（Wafer）。硅的纯度非常高，用于做芯片的硅能达到11个9的纯度，就是99.999999999%。

晶圆由高纯度的硅制成

晶圆有不同的直径。随着技术的进步，晶圆的直径总是在增加。 大晶圆能生产更多的芯片，更少的浪费，因此能带来更好的制造效率，降低成本。近年来，晶圆的直径从4英寸（100mm）、6英寸（150mm），已经增加到8英寸（200mm）、12（300mm）英寸。未来还会增加到15英寸甚至20英寸。

不同的晶圆尺寸

制造芯片的过程，本质上来说就是在硅材料上实现一个个晶体管的过程。 芯片里面的晶体管可以抽象成下图中的模式：

芯片里的晶体管

在硅晶体的上面，需要有一个二氧化硅绝缘层，再上面还有一个导电硅化合物层（图中红色部分），起到开关的作用。晶体管的电流流动模式如下图所示：

晶体管内的电流流动

整个芯片的制造过程分为很多细小的步骤。首先晶圆要放进加热炉（Furnace）里，炉子的温度有1000℃，目的是将晶圆表面氧化，形成二氧化硅绝缘层。

晶圆被放进加热炉中氧化

然后，在晶圆表面涂上光刻胶，这是为了进行晶圆曝光做准备。

涂光刻胶

至此，所有的准备工作都做完了，下一步就是上光刻机了。在曝光之前，你需要有光掩膜（Mask）。这是一块绘有电路图的玻璃，光刻机就要把上面的电路图投影到晶圆上面去。光掩膜是非常贵的，几十万美元很常见，贵的甚至超过一百万美元。

光掩膜

晶圆曝光的原理很简单，就是光通过掩膜和镜头，投射到晶圆上面去。

晶圆曝光的原理

现在进行晶圆曝光的光源通常是深紫外光（DUV）或者极紫外光（EUV）。光刻机曝光的过程可以看下图：

光刻机进行晶圆曝光

原理虽然简单，但执行曝光操作的光刻机则是超级复杂的机器，号称人类有史以来做过的最复杂的机器。在所有芯片生产步骤里，中国企业与世界先进水平差距最大的就是光刻机；其他领域虽然也有差距但解决起来都比光刻机容易。 换句话说，只要中国的光刻机水平能与世界先进水平看齐，则中国整体芯片生产能力也将达到世界先进水平。光刻机包括了光源，透镜和双工件台三大部分，双工件台相当于放晶圆的架子。 光刻机的内部结构见下图，

光刻机的内部结构

曝光之后，就要把晶圆上不需要的部分去掉，需要的部分保留。下一道工序就叫做蚀刻 ，常用的方法是等离子蚀刻，晶圆在蚀刻机受到等离子体的轰击，不需要的部分就被去除了。

蚀刻机在工作

再下一步就是离子注入，也叫做掺杂 --硅片内需要掺入一些元素以改变硅的导电性能。在离子注入机里，这些元素的带电离子被加速后撞击晶圆，进入硅片内部。

离子注入设备

这个步骤完成之后，一个曝光流程就基本结束了。通常每次曝光制作的只是芯片的一部分，完整的芯片需要多次曝光完成。于是又要重复之前说过的氧化、镀膜、光刻、蚀刻、掺杂等步骤，复杂的芯片要反复操作好几十次，才能最终完成。

封测

对芯片代工厂来说，处理完成的晶圆是这样的。

代工厂加工好的晶圆

再下一步的工作就是送去封测厂，先对晶圆进行切割，就得到了一个个的裸片，die。

切割晶圆

裸片放到合适的包装里 ，再经过检测，就成为芯片了。

芯片常见的封装形式

如果以上解释你看的不过瘾，可以在我们头条主页看一个由佰思科学制作的2分半钟的芯片制作视频！

你知道芯片的制作过程吗？

近来华为海思再次发力，成功自主研发了OLED的驱动芯片，并且已经成功流片。流片的意思就是试生产已经成功，接下来就可以导入量产阶段。这个驱动芯片是手机和大屏电视面板的核心零部件，这并不是处理器芯片，但是它的开发成功也打破了三星在该领域的垄断，在芯片领域也算是一个小小的里程碑了。

关于华为、关于光刻机、关于芯片，我们天天在各种渠道的媒体上看到，ASML的EUV 光刻机不给我们发货了，美国又限制我们的半导体企业了，台积电又不给我们生产芯片了等等。每个人对中国的芯片行业非常的关注，可是我们所了解到的信息都是很零散的，对芯片的整个制造过程，并没有一个完整的认识。在芯片产业中我们有哪些短板、有哪些长处、各个工艺阶段在世界上所处的真实水平有多高，这些问题似乎都是模棱两可，并没有一个清楚的认识。我们不是专业搞芯片设计的，所以不必去钻研芯片制造过程中的具体参数是多少，但是作为每一个关心中国芯片发展的人，都应该去了解一下我们自己的芯片产业到底是怎样的。

芯片制造的流程大致可以分为硅片制造、芯片制造和封装测试三个阶段。在这里我们只从大类上来看，如果要细分的话里边有成千上万道工序。

工业硅

我们先来说硅片制造。沙子是我们手机芯片的最初始的原料。那门们就一起来见证一下沙子是如何变成芯片的吧！沙子的成分是二氧化硅，我们想要得到芯片就要先从沙子里提炼出纯度比较高的硅，而且这种粗加工的硅，也叫工业硅，这种硅的纯度在98%以上，含有不少的其他元素杂质。当然了这个也的确没啥技术含量，中国在这个领域可以说是一骑绝尘，全球78%的工业硅的产能都在中国。

高纯度硅

接下来就要对工业硅进行提纯，也就是需要得到芯片级别的高纯度硅，这个纯度需要有多高呢？99.999999999%，这纯度够高吧，相应的技术含量就立马提高了很多，而这个领域的玩家就立马变了。市场份额第一的是美国公司，第二是德国公司，第三四五都是日本公司，中国玩家就立马不见了踪影，所以这是中国在整个芯片产业链中第一个受制于人的领域。

硅晶圆

有了高纯度的硅，那接下来就要制造硅晶片了，硅晶片的制造依然是一个非常难的。制造过程难到什么程度，全世界只有很少的公司能够做出这种电子级的硅晶圆，而其中前5家公司就占了92%的市场份额，由于芯片的需求量巨大而受制于硅晶圆的产能有限，所以硅晶圆的价格几乎是每个季度都在上涨，而中国作为全世界最大的电子品消费市场，谁多掏钱又流到了谁的口袋就不言而喻了。中国虽然也具有晶圆的生产能力，但受制于技术和产能的原因供应量实在是太小了。

芯片设计

有了硅晶圆就要在硅晶圆上制造芯片了，但在这之前，你必须要有芯片的图纸才能在硅晶圆上造出芯片，那就需要有芯片的设计能力。而在全球芯片设计的产业分布上，美国的芯片设计独占半边天，我们熟悉的高通、博通、英伟达都是这类公司，当然中国也有一席之地，比如我们开头所提到的华为海思，其设计的麒麟芯片可以称得上是全球顶级的手机芯片了。但是这样的比例也不是一成不变的，大陆地区的芯片企业营收的增长率在六大地区中，可谓是一骑绝尘，虽然绝对数额差距不小，但这种差距正在快速缩小。

设计软件

在芯片设计领域，我们必须提到一个细分领域，就是芯片设计软件EDA，我们都知道芯片的设计跟我们平常制图一样都需要使用到软件，而设计芯片的时候就必须要用到EDA软件，也就是电子设计自动化软件。芯片的电路设计、性能分析、设计芯片版图等等的工作需要，但是，这个软件经过市场的大浪淘沙之后基本被美国三家公司垄断了。而就在前年，这三家美国公司都被美国裹挟着，与华为暂停了业务往来。也就是说，华为海思将不能够使用这三家公司的EDA软件来设计芯片。

光罩

在芯片完成设计之后，从电脑软件上的图纸转变为实体的第一步，就是要制造一个光罩

也叫做掩模板。这个跟照相机的底片非常类似，你有一张底片就可以冲洗出无数张的照片，而这个光罩，就是利用激光刻蚀技术，在一张以石英玻璃为衬底其上镀了一层金属铬和感光胶，把电脑上的图刻在石英板上，成为一个模板。当然了，我们在这里说起来很简单，但实际上也是一个高门槛、高技术的活。全球95%的市场基本都被韩国和日本所覆盖，而我们国家处于第六名的清溢光电，虽然占据的份额很小，但未来可期。

光刻

咱们先来看一下整个光刻的原理，整个过程其实跟我们冲洗照片非常类似。刚才说的制作好的光罩，就相当于一个照片的底片，通过光源照射在凸透镜上产生平行光，然后再经过下方的透镜把光线缩微照射在工作台上的晶圆上，晶圆上涂有光刻胶，光刻胶在被光线照射后化学性质发生了变化，被显影容易溶解掉，剩下的就是跟光罩上一样的电路图了，只不过成了缩小版的在这个大的晶圆上移动一下位置，就制造好一个芯片，所以这个大晶圆上就会造出很多个芯片。

光刻机

要想实现这个过程必不可少的肯定是光刻机，这个大家肯定是耳熟能详的，最知名的肯定就是荷兰的ASML，全球的光刻机市场前三位就占据了93%的市场份额,但中国也有自己的光刻机,上海微电子今年刚成功研发出了28纳米的光刻机,但是紧接着ASML就对旗下的28纳米的光刻机进行大降价，对上海微电子进行打压，在光刻机这条路上道长且阻。

光刻胶

在光刻的时候有一种非常重要的耗材就是光刻胶。它是光刻工艺的核心材料。这种材料主要被日本企业所垄断。美国仅有一家陶氏市占率仅为15%。因为80年代的时候，美国对日本发起了半导体大战，日本半导体产业遭受了巨大的打击，之后就另辟蹊径，从材料科学下手，如今成为了整个半导体产业的最上游。想象去年的日韩贸易战，日本断供材料给三星，三星就只能干瞪眼了，再牛的技术没材料都白扯，我们再来看看中国的光刻胶，国产化率着实是不高，大部分还是要进口的。

封装和测试

当在晶圆上刻蚀出芯片之后就需要进行后道工序了。首先要拿到封测上进行封装和测试。封装就是把一个大晶圆上的一个个的小芯片切割下来，然后进行电镀、接通信号等等的操作，使其具有各种功能，最终的产品就是我们手机里处理器的样子了，然后就是测试测试电流、散热线路、连通性等等的这些功能，把不合格的产品给筛选出来，当然了这个封装和测试的技术含量似乎的确是没有制造难度那么高，这个领域的中国玩家也就多了起来除了一个安靠是来自美国，其他的基本都是台湾地区和大陆地区的封测厂。

当然从一粒沙子变成一个芯片，整个过程是极其复杂的，里面所涉及到的设备更是数不胜数。我们只是在整个流程中摘取了几个有代表性的说一说，比较浅薄，有不到之处敬请谅解。那您的印象中感觉中国的半导体行业，在世界上处于一个什么样的水平呢？把你了解的打在我们的评论区，一起来探讨探讨吧！

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