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芯片不是天然長出來的，也不是宅男用電腦打印出來的。它的誕生，是個復(fù)雜漫長的旅行。

簡單來分，芯片制造過程有這么幾個階段：

材料制備——單晶硅制造→晶圓片生成

芯片前端——芯片構(gòu)建（Wafer Fabrication）

芯片后端——封裝（Package）→完整測試（Initial Test and Final Test）

備料——硅片制作

芯片的制作離不開硅，作為最主要的原料，硅的處理工作至關(guān)重要。首先，硅原料要進(jìn)行化學(xué)提純，這一步驟使其達(dá)到可供半導(dǎo)體工業(yè)使用的原料級別。為了使這些硅原料能夠滿足集成電路制造的加工需要，還必須將其整形，這一步是通過溶化硅原料，然后將液態(tài)硅注入大型高溫石英容器來完成的。

而后，將原料進(jìn)行高溫溶化，然后從高溫容器中采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方式將硅原料取出，此時一個圓柱體的硅單晶錠就產(chǎn)生了。目前，業(yè)界最領(lǐng)先工藝生產(chǎn)的是300mm的硅錠，也就是12寸晶圓。

在制成硅錠并確保其是一個絕對的圓柱體之后，下一個步驟就是將這個圓柱體硅錠切片，切片越薄，用料越省，自然可以生產(chǎn)的處理器芯片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來確保表面絕對光滑，之后檢查是否有扭曲或其它問題。這一步的質(zhì)量檢驗尤為重要，它直接決定了成品芯片的質(zhì)量。

新的切片中要摻入一些物質(zhì)，使之成為真正的半導(dǎo)體材料，然后在其上刻劃代表著各種邏輯功能的電路。摻入的物質(zhì)原子進(jìn)入硅原子之間的空隙，彼此之間發(fā)生原子力的作用，從而使得硅原料具有半導(dǎo)體的特性。今天的半導(dǎo)體制造多選擇CMOS工藝(互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)。其中，互補(bǔ)一詞表示半導(dǎo)體中N型MOS管和P型MOS管之間的交互作用。N和P在電子工藝中分別代表負(fù)極和正極。多數(shù)情況下，切片被摻入化學(xué)物質(zhì)形成P型襯底，在其上刻劃的邏輯電路要遵循nMOS電路的特性來設(shè)計，這種類型的晶體管空間利用率更高也更加節(jié)能。同時在多數(shù)情況下，必須盡量限制pMOS型晶體管的出現(xiàn)，因為在制造過程的后期，需要將N型材料植入P型襯底當(dāng)中，這一過程會導(dǎo)致pMOS管的形成。

在摻入化學(xué)物質(zhì)的工作完成之后，標(biāo)準(zhǔn)的切片就完成了。然后將每一個切片放入高溫爐中加熱，通過控制加溫時間使得切片表面生成一層二氧化硅膜。通過密切監(jiān)測溫度，空氣成分和加溫時間，該二氧化硅層的厚度是可以控制的。準(zhǔn)備工作的最后一道工序是在二氧化硅層上覆蓋一個感光層。這一層物質(zhì)用于同一層中的其它控制應(yīng)用。這層物質(zhì)在干燥時具有很好的感光效果，而且在光刻蝕過程結(jié)束之后，能夠通過化學(xué)方法將其溶解并除去。

光刻(Photolithography)

光刻是在晶圓上印制芯片電路圖形的工藝，是集成電路制造的最關(guān)鍵步驟，在整個芯片的制造過程中約占據(jù)了整體制造成本的35%。

光刻也是決定了集成電路按照摩爾定律發(fā)展的一個重要原因，如果沒有光刻技術(shù)的進(jìn)步，集成電路就不可能從微米進(jìn)入深亞微米再進(jìn)入納米時代。

光刻工藝將掩膜圖形轉(zhuǎn)移到晶片表面的光刻膠上，首先光刻膠處理設(shè)備把光刻膠旋涂到晶圓表面，再經(jīng)過分步重復(fù)曝光和顯影處理之后，在晶圓上形成需要的圖形。

通常以一個制程所需要經(jīng)過掩膜數(shù)量來表示這個制程的難易。根據(jù)曝光方式不同，光刻可分為接觸式、接近式和投影式；根據(jù)光刻面數(shù)的不同，有單面對準(zhǔn)光刻和雙面對準(zhǔn)光刻；根據(jù)光刻膠類型不同，有薄膠光刻和厚膠光刻。

一般的光刻流程包括前處理、勻膠、前烘、對準(zhǔn)曝光、顯影、后烘，可以根據(jù)實際情況調(diào)整流程中的操作。

刻蝕(Etching)

在集成電路制造過程中，經(jīng)過掩模套準(zhǔn)、曝光和顯影，在抗蝕劑膜上復(fù)印出所需的圖形，或者用電子束直接描繪在抗蝕劑膜上產(chǎn)生圖形，然后把此圖形精確地轉(zhuǎn)移到抗蝕劑下面的介質(zhì)薄膜（如氧化硅、氮化硅、多晶硅）或金屬薄膜上去，制造出所需的薄層圖案。

刻蝕就是用化學(xué)的、物理的或同時使用化學(xué)和物理的方法，有選擇地把沒有被抗蝕劑掩蔽的那一部分薄膜層除去，從而在薄膜上得到和抗蝕劑膜上完全一致的圖形。

等離子刻蝕(plasma etch)是在特定的條件下將反應(yīng)氣體電離形成等離子體，等離子體選擇性地從晶圓上除去物質(zhì)，剩下的物質(zhì)在晶圓上形成芯片圖形。

離子注入 Ion Implantation

晶圓襯底是純硅材料，不導(dǎo)電或?qū)щ娦詷O弱。為了在芯片內(nèi)具有導(dǎo)電性，必須在晶圓里摻入微量的不純物質(zhì)，通常是砷、硼、磷。摻雜可以在擴(kuò)散爐中進(jìn)行，也可以采用離子注入實現(xiàn)。一些先進(jìn)的應(yīng)用都是采用離子注入摻雜的。其實，最主要的目的是生成N溝道或P溝道。這個摻雜過程創(chuàng)建了全部的晶體管及彼此間的電路連接，沒個晶體管都有輸入端和輸出端，兩端之間被稱作端口。

離子注入有中電流離子注入、大電流/低能量離子注入、高能量離子注入三種，適于不同的應(yīng)用需求。

化學(xué)機(jī)械研磨

化學(xué)機(jī)械研磨（化學(xué)機(jī)器磨光，CMP）兼具有研磨性物質(zhì)的機(jī)械式研磨與酸堿溶液的化學(xué)式研磨兩種作用，可以使晶圓表面達(dá)到全面性的平坦化，以利后續(xù)薄膜沉積之進(jìn)行。在CMP制程的硬設(shè)備中，研磨頭被用來將晶圓壓在研磨墊上并帶動晶圓旋轉(zhuǎn)，至于研磨墊則以相反的方向旋轉(zhuǎn)。在進(jìn)行研磨時，由研磨顆粒所構(gòu)成的研漿會被置于晶圓與研磨墊間。

一而再再而三

從這一步起，將持續(xù)添加層級，加入一個二氧化硅層，然后光刻一次。重復(fù)這些步驟，然后就出現(xiàn)了一個多層立體架構(gòu)，這就是你目前使用的處理器的萌芽狀態(tài)了。在每層之間采用金屬涂膜的技術(shù)進(jìn)行層間的導(dǎo)電連接。

這就是芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，看著是不是很像一座大廈。

晶圓度量檢測 Wafer Metrology

在芯片制造過程中，為了保證晶圓按照預(yù)定的設(shè)計要求被加工必須進(jìn)行大量的檢測和量測，包括芯片上線寬度的測量、各層厚度的測量、各層表面形貌測量，以及各個層的一些電子性能的測量。

隨著半導(dǎo)體工藝和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，這些檢測已經(jīng)成為提高量產(chǎn)和良率的不可缺少的部分。在銅互連工藝中，由于采用更精細(xì)的線寬技術(shù)和低k介電材料，需要開發(fā)更精密的測試設(shè)備和新的測試方法。

檢測主要包括三類：光學(xué)檢測、薄膜檢測、關(guān)鍵尺寸掃描電子檢測(CD-SEM)。晶圓檢測的一個重要發(fā)展趨勢是將多種測量方法融合于一個工藝設(shè)備中。

晶圓探針測試（Wafer Probe Test）

這個檢測是用來判別芯片好壞的。晶圓探針測試是對制造完成的晶圓上的每個芯片（Die）進(jìn)行針測，測試時，晶圓被固定在真空吸力的卡盤上，并與很薄的探針電測器對準(zhǔn)，細(xì)如毛發(fā)的探針與芯片的每一個焊接點相接觸。在測試過程中，每一個芯片的電性能和電路機(jī)能都被檢測到，不合格的晶粒會被標(biāo)上記號，而后當(dāng)芯片切割成獨立的芯片顆粒時，標(biāo)有記號的不合格芯片顆粒會被淘汰。探針檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在已經(jīng)可以用來對晶圓制造中的良率提升提供幫助。

芯片封裝（Assembly & Packaging）

晶圓上的芯片在這里被切割成單個芯片，然后進(jìn)行封裝，這樣才能使芯片最終安放在PCB板上。這里需要用的設(shè)備包括晶圓切割機(jī)，粘片機(jī)（將芯片封裝到引線框架中）、線焊機(jī)（負(fù)責(zé)將芯片和引線框架的連接，如金絲焊和銅絲焊）等。

在引線鍵合工藝中使用不同類型的引線：金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)，每一種材料都有其優(yōu)點和缺點，通過不同的方法來鍵合。隨著多層封裝乃至3D封裝的應(yīng)用的出現(xiàn)，超薄晶圓的需求也在不斷增強(qiáng)。

Happy Ending

芯片做好了，到了電工手里，經(jīng)過熟練地焊接工藝，鑲嵌在PCB上，最終變成了電子產(chǎn)品的心臟。

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