制造芯片，为什么比造原子弹更难

早在1958年9月12日，世界上第一枚芯片就被制造了出来。制造者是美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比，那时他没有光刻机，甚至也没有用到硅片，而是在一块锗晶上做出了几个晶体管、电阻器和电容器，组成了一个移相振荡电路。

这枚芯片非常粗糙，它与我们的手机芯片有着天壤之别。但它已经传达了芯片的基本概念：半导体材料制成的集成电路。

“半导体材料”就是其中的锗，“集成电路”则意味着它将晶体管、电容器、电阻器等多个电子元器件集成在了同一块锗晶圆上，实现“单片集成”的想法。

这便是芯片的发明，也是最初的芯片制造过程。芯片的开端看起来很简单，但它已经为现代芯片制造将要面对的问题埋下了伏笔：如何将电路图“复刻”到半导体晶圆片上？如何实现各元件之间的互连与隔离？如何利用半导体材料的导电特性使其发挥功能？

所有的问题，构成了60多年来芯片制造翻越的一座座高山，而如今，人们正面临“先进制程”的新壁垒。

如何理解“先进制程”的壁垒？简单而言，如果把芯片比作一幢别墅，晶体管就相当于别墅里的家具。为了把更多的家具塞进别墅，人们把家具造得越来越小。1958年，基尔比可以用双手制造出这些家具，2023年，人类能够熟练运用光刻机制造3nm“大小”的家具。

挑战之下，制造技术的革新必须是链条式的。光刻机光源波长缩短到13.5nm，机器内部就要保证真空环境使光源不被吸收，用了几十年的透镜也得被替换成特制的反射镜，接收光源的光刻胶也必须提高灵敏度……光源所到之处，一切都随着它的变化而同步革新。

这样一场从头到脚的大换血耗费了17年与无法计量的金钱，但最先进的技术仍将在不久的未来到达极限。

科学家和工程师们脑海中创造性的思想火花还未停下，也不能停下。因为芯片错综复杂的电路设计中，凝聚的是设计者的创新梦想。抛开所有专业术语，芯片与建筑相似的另一点在于，它们都是设计者创意的物理实现。如果没有制造技术使其落地，所有的创意只能是一种空中楼阁。

制造一枚芯片的过程，不仅是一次接一次科技的飞跃，更是一场造梦与圆梦的旅程。

三个环节，上千道工艺

基尔比的集成电路以锗晶圆为“底座”，这是受限于当时晶体管研发成果的权宜之计，他原本的集成电路构想，就是和现代芯片的制造一样，将所有元件都集成在硅片上。

芯片的制造从硅开始，制造流程可以简单地划分为三个环节：晶圆制造、芯片制造和芯片的封装与测试。而实际的制造流程则要比“三个环节”繁复得多，例如最为困难的前道工艺芯片制造环节，就涉及光刻、刻蚀、掺杂、沉积、抛光、清洗等多个步骤，缺一不可，且其中有些步骤需要反复操作上百次。

但不论有多少工序，最终的目的都是一个，把硅片变成芯片，在半导体材料上实现芯片的功能。芯片的功能与基本运作原理，是串联起这上千道工序的逻辑线索。

所以，我们首先不得不问，芯片要实现什么功能？

作为一块集成电路，芯片中的核心元件是晶体管。而晶体管和它的“前辈”真空管一样，都是一种电子开关，这意味着它们都能在内部控制单向电流，并实现电信号的开关、整流和放大。

在晶圆上盖房子，得先将设计图纸印在其表面。这一过程更像是在微观世界里摄影，而相机是一台价值数亿美元的光刻机。

半导体材料独特的导电性能，使其有了成为“开关”的条件。之所以称之为“半导体”，是由于其导电能力既远远小于铜线等导体，又远远大于绝缘体。天生我材必有用，电子开关仿佛是半导体的本职。20世纪40年代以来，随着真空管发热严重、故障频发、体积过大等问题的出现，科学家们亟需找到一种更小巧、快速且稳定的替代品，由半导体制成的晶体管便应运而生。

硅是目前芯片制造中最常用的基底材料。事实上，纯净的硅是电中性的，但若是在硅中掺杂杂质，就能改变其导电性能。

发现硅的这种特殊性能，是一次极其幸运的偶然。1940年，美国贝尔实验室的研究人员沃尔特·布拉顿与拉塞·奥尔发现，用手电筒照射一根硅棒时，其内部产生了单向电流。这是人们首次在半导体内部发现单向电流。

电流的出现源于硅的不纯净。布拉顿发现，硅棒的一侧混入了带正电荷的杂质，形成P（Positive）型硅，另一侧混入了带负电荷的杂质，形成N（Negative）型硅，而硅棒的两者交界处，形成了PN结。光照的能量打开了能量的“闸门”，使交界处的电子从能量高的一侧流向另一侧，单向电流得以产生。

因此，如果在PN结插入电极控制“闸门”，就能实现信号的开关与放大。硅与杂质恰到好处的掺杂，也成为制作硅晶体管的重要环节之一。

那么，硅从哪儿来？英特尔公司的芯片制造宣传片如此回答：从沙子中来。硅元素广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中，构成地壳总质量的近四分之一。由于它储量丰富且易于获取，硅基半导体也自然成为了目前应用最广的半导体材料。

为了从沙子中提纯出硅，必须让它反复经过高温的洗礼，与焦炭、木炭、氯化氢气体等物质挨个亲密对话。沙子先分离出纯度98%-99%的工业硅，进一步提纯得到高纯多晶硅，然后从硅液中提拉出单晶硅棒。这是制作芯片“地基”的原材料。

既然是地基，平整度就相当重要。为此，从单晶硅棒到硅片，要承受多次抛光、打磨、化学溶液清洗。最终，从硅棒中切割出的硅晶圆片必须平整、光滑，没有工序中的杂质颗粒残留，才能为此后建造大厦打好基础。

在晶圆上盖房子，得先将设计图纸印在其表面。这一过程更像是在微观世界里摄影，而相机是一台价值数亿美元的光刻机。拍照需要借助光掩膜版，即一张刻有集成电路图的玻璃遮光板。

晶圆表面的显影要借助光刻胶，以正胶为例，光刻机发出紫外光透过光掩膜版照射到光刻胶表面时，没有与光接触的胶体仍然保持坚硬，被光照到的部分则会在后续的化学溶液中被侵蚀掉。通过光刻胶的一去一留，晶圆片上便印出了集成电路图案。

如果说光刻是将设计图纸印在地基上，刻蚀就是沿着已有图案进行雕刻。借助化学溶液或气体，晶圆表面没有光刻胶保护的部分被刻蚀出一道道沟渠。雕刻完成，光刻胶也被清洗掉，地基的结构便搭好了。

要让地基中的沟渠发挥其功能，掺杂工艺便登场了。通过在硅中掺杂杂质形成PN结，栅极才能真正发挥电子开关的作用。掺杂工序有扩散和离子注入两种工艺，目前，离子注入的方式因其准确性而得到更为广泛的使用。

掺杂完成后，还要通过“薄膜沉积”将晶圆片的各个元件互连或隔离。顾名思义，这项工艺能够在晶圆片表面沉积一层金属层，它们充当了过去电路中金属连线。同样，沉积的薄膜也可以是绝缘层，它们使不相干的元件互不打扰。

至此，芯片的大厦还仅仅只建好了一层。为了之后能够反复通过光刻、刻蚀、沉积继续搭建楼房，晶圆表面需要经过化学机械抛光。简单而言，就是同时借助化学溶液的侵蚀和物理机械的打磨，使晶圆进一步平坦化。

繁复的工艺结束后，制作完成的晶圆大厦要进行验收。在晶圆上的一枚枚芯片被切割下来之前，先要测试一遍参数。通过测试后，再将芯片切割、封装保护起来，并再次测试其性能是否正常运转。

经过反复的雕刻与打磨，最终测试通过后，一枚现代芯片才终于真正诞生。

“这么复杂的东西是怎么发明出来的？”在芯片制造过程的讲解视频评论区，有网友感到震撼与疑惑。如果不去回溯芯片的发展历史，确实很难想象如此复杂的工艺从何而来。

芯片并非一项一蹴而就的“发明”。若是从基尔比那块粗糙的单片集成电路开始梳理，就能更好地理解芯片制造技术是如何积累起来的。为了将元件互连线也集成到晶圆片内部，金属膜沉积的点子出现了；为了制造出极小而精巧的晶体管，光阻剂与光刻的灵感被捕捉到；而为了保证晶圆表明平坦，不受杂质干扰，科学家们又研发了多种物理和化学抛光研磨的工艺。

如今，芯片制造仍在朝着精细化的方向发展。也许这样去理解芯片制造才更准确：如今我们所看到的仍然是芯片制造技术发展的过程，而非单一发明的结果。

技术精细化，晶圆厂的权衡

精细是芯片制造技术发展的方向，也是芯片制造流程中最为突出的特点。对工艺的精密、精准、纯净的要求，贯穿了芯片制造全程。

晶圆厂或许是世界上对工作质量要求最为严苛的工厂。值得庆幸的是，其中的核心员工主要是各类加工仪器。

从这个意义上说，晶圆厂或许是世界上对工作质量要求最为严苛的工厂。值得庆幸的是，其中的核心员工主要是各类加工仪器。

芯片制造的精细首先体现在原材料的纯净度上。作为芯片基底材料的硅并非普通的硅，而是纯度达到99.9999999%-99.999999999%的高纯多晶硅。这9～11个9，标志着硅材料超越了制造光伏材料的太阳能多晶硅，迈上了“电子级多晶硅”的高度。

制造工艺中最常用的另一种材料—水，也同样高度纯净。在晶圆加工流程中，50%以上的工序需要晶圆与超纯水直接接触，80%以上的工序需要化学溶液处理，也间接与超纯水有关。半导体工艺中用到的超纯水剔除了电解质、溶解气体、微粒，几乎完全清除了氢和氧原子以外的所有杂质，已经是目前科技下能够量产出的最纯的水。

自然，芯片的制造环境同样要求绝对的洁净。晶圆厂制作车间被称为“净室”（clean room），要求达到国际洁净等级的最高等级ISO1级，即在一立方英寸的空间中，直径大于0.1微米的尘埃粒子不能超过10个，相当于在武汉东湖中投入10粒小石子。除了细菌、微粒之外，净室还要精密调控室内的温度、湿度、压强、微震动等指标，洁净程度能达到医院手术室的100000倍。

极度的纯净，都是为了保护脆弱的晶圆不受到杂质的损害。晶圆如同一个娇弱的公主，如果要与人们耳熟能详的豌豆公主对比，那让晶圆公主彻夜难眠的那颗豌豆，也得是微米甚至纳米级的。

对晶圆表面的“平坦化”也是精细加工的一环。不论是单晶硅棒上切割出的硅片还是制作过程中的晶圆，都需要不断地打磨、抛光。这与芯片制造的核心工序光刻有关，在光刻时，硅片就像一块投影幕布，如果幕布不够平坦，就会影响光刻图像的精度。因此，化学机械抛光工艺（CMP）至关重要，在先进制程的7nm工艺中，CMP步骤需要重复30次以上。

而在最关键的光刻步骤中，工艺的精密性集中体现在光刻机的分辨率上。将光刻工艺比作拍照，分辨率关系到的，就是光刻机单次曝光能够在光刻胶上刻出的最小尺寸。目前，随着光刻机发展进入EUV阶段，用上了波长只有13.5nm的极紫外光，极短的光波长使光刻分辨率进一步提高，以推进5nm及以下的芯片制程。

除此之外，光刻之后的刻蚀、掺杂等环节，同样要求极高的工艺精准度。以掺杂环节为例，其目的是通过在纯硅中掺杂氮、磷等物质使其形成PN结，可以通过热扩散和离子注入两种工艺实现。但相较而言，离子注入能够更为精准地将杂质离子轰击到晶体内部，它就像神枪手一般，必须精准地控制掺杂的剂量和深度。这既是离子注入相较于扩散工艺的优势，也是难点。

为何制造工艺需要达到如此精细的程度？除了芯片本身的脆弱之外，工艺的精细化发展与芯片制程的不断缩小紧密相关。

芯片的制程，或者称为技术节点，指的是芯片中晶体管的最小特征尺寸。20世纪70至90年代，技术节点对应的是晶体管的半节距，此后半导体厂商又用栅长来表示技术节点。不论定义如何，制程越小，晶体管越小，在芯片中的排列密度越大。随着芯片制程缩小，晶体管的尺寸从微米级别缩小到纳米级别，芯片中的晶体管数量也从几个增长到了上百亿个。

制程的缩小能带来切实的好处。晶体管数量的增加既有利于降低芯片的成本，也能够提高芯片的整体性能。

但随着芯片制程的不断缩小，行业内具有竞争力的晶圆制造厂也逐渐减少。虽然关于芯片制程的定义各有标准，但显而易见的是，在28nm制程位置，行业内还有台积电、格罗方德（Global Foundries）、联电、三星、中芯国际和华力微电子等7家公司彼此竞争。而到了10nm制程以下，场上的主要竞争者已经只剩下了英特尔、台积电和三星，台积电已经能够量产5nm制程芯片，而中芯国际仍在冲击7nm制程。