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！

芯片的工作原理基于半导体的特性以及晶体管的开关功能

芯片的工作原理基于半导体的特性以及晶体管的开关功能，以下为你详细介绍：

半导体特性

芯片的主要制作材料是半导体，常见的如硅。纯硅导电能力介于绝缘体和金属之间，被称为半导体。半导体存在两种掺杂类型，即P型和N型。

- P型半导体：靠空穴导电，有大量带正电的空穴，存在少量带负电的电子。

- N型半导体：靠电子导电，电子带负电，其中电子数量占主导。

晶体管的开关功能

晶体管是芯片中最基本的元件之一，常见的有MOS管（金属-氧化物-半导体场效应晶体管），它在芯片中起到电子开关的作用。以N型和P型半导体制成的MOS管为例：

- 在P型硅的基底上制造出两个N型硅区域，分别为Source极（源极）和Drain极（漏极）。

- 在Source、Drain中间区域的上方制造一层二氧化硅，再在二氧化硅上盖一层导体，即GATE极（栅极）。

其工作原理类比水龙头，Source极是电子的源头，电子从源极流向漏极，而中间的P型材料就像阻碍，其中大量带正电的空穴会与电子中和，使电子难以通过。但当在栅极加一个正电时，会吸引P型材料中带负电的电子，形成一个通道，让电子通过。所以源极源源不断提供电子流向漏极，但能否通过取决于栅极，栅极就如同一个阀门或开关，控制着MOS管的打开和关断。

芯片整体工作过程

芯片内部通过一定的工艺，把众多如晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互联，制作在一小块半导体晶片或介质基片上，形成结构紧密联系、内部相关的电子电路。

以计算机中的CPU（中央处理器）芯片为例，当计算机执行一个程序时，CPU会根据程序的指令读取内存中的数据，并通过内部复杂的晶体管电路进行运算和处理。CPU中的晶体管通过改变自身的导电状态（导通或截止）来传递和处理信息。导通时电流可通过，截止时电流被阻断，通过精确控制这些晶体管的通断状态，CPU就能执行各种复杂的运算和操作，实现计算机的各种功能，如算术运算、逻辑判断、数据存储与读取等。

不同类型的芯片可能在具体的电路设计和工作方式上会有所差异，但总体上都是基于半导体特性和晶体管的开关原理来实现对电信号的处理和运算，从而完成特定的功能和任务。

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