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！

最详细芯片制造过程，看完就知道有多难，绝不是一台光刻机的事情

芯片，是所有现在科技应用到现实中的基础，作为一个崛起的大国，掌握芯片技术，是一种必需。

不过国际社会，也是“一山不容二虎”，另一个大国，是不会眼睁睁看着另外一大国的崛起的，所以，通过各种手段，限制另一个大国芯片产业的发展，也成了一种必然。

芯片，看起来很小，就一个指甲盖大小，但是里面所涉及的技术却相当复杂，丝毫不亚于建造飞及和航母。方寸之间，把包含了数十亿个晶体管，有人说，用高倍显微镜来观察芯片的内部结构，比世界上任何一座都要复杂和庞大。如果说，这个世界上哪一种东西把“纳须弥入芥子”这句佛法成为了真实，我想，一定是芯片。

有人说，举全国之力来做一颗芯片，还做不出来吗？是的，还真做不出来，因为，芯片这东西，不是说有钱有人就能够快速从无到有的，还需一个重要的因素：时间。所有的高端技术是通过时间的积累，才达到今天的高度。

看了西瓜视频创作人抖抖代码的视频，本人想在他的基础再展开一下，让大家了解更多有关芯片产业链接知识。

那制造芯片到底有多难呢？我们得说起，首先看看芯片是怎么做出来的。

一、芯片架构

制造芯片之前，需要设计芯片。芯片设计需要有相应的芯片架构，芯片架构就好像房子的结构框架，比如木结构，土木结构，混凝土结构，钢结构等等。现在全球主的要芯片架构主要有四种，分别为：X86、ARM、RiSC-V和MIPS四种。

1、X86架构由美国INTEL公司在1978年发明，中架后面的AMD，IBM也沿用这种架构分别研发了自己芯片，现在PC机上面运行的CPU基本都是X86架构，X86架构的特点是性能高，速度快，兼容性好。

2、ARM是1983年由英国ARM公司发明的，是一个32位精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于能耗低，成本低的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。现在使用ARM的芯片公司主要有苹果，谷歌，IBM和华为。因为是ARM发明的，这个芯片公司要研发ARM架构的芯片，首先必须取得ARM的授权，否则就不能进行更新迭代。

3、RiSC-V架构是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA)，RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V指令集完全开源，设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可。RiSC-V架构由RiSC-V架构基金会运营，目前拥有成员超275名，其中软、硬件公司和机构会员达169家，阿里，谷歌，华为科技，紫光科技都是它的成员。阿里旗下的玄铁系列就是使用RiSC-V架构。

4、MIPS架构是美国MIPS科技公司在1981年发明的，是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构，它是基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用导入/存储数据模型。经改进，这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。

如今基于该架构的芯片广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。

从上面的资料可以看出，当正主流的芯片技术都在美国和英国所控制，特别是在应用最为广泛的PC和移动端芯片，通过几十的沉淀和完善，其实国家如果要从零开始进行赶超，可以说比送宇航员登月还要难。

看了芯片架构，我们接着开始芯片设计，因为芯片的设计不同于其它工业设计，需要用到专用的设计软件。

二、芯片设计

芯片的设计软件有很多种，不同的设计需求使用对应的设计软件，现在主要的芯片设计软件有以下几种：

1、设计输入工具：

像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述语言VHDLVerilog HDL是主要设计语言，许多设计输入工具都支持HDL.另外像Active-HDL和其它的设计输入方法，包括原理和状态机输入方法，设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具，Modelsim FPGA等。

2、设计仿真工作：

EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确，几乎每个公司的EDA产品都有仿真工具。Verilog-XL,NC-verilog用于Verilog仿真，Leapfrog 用于VHDL仿真，Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim门级电路仿真器，speedwaveVHDL仿真器，VCS一verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech 出品的VHDL和Verilog双仿真器：Model Sim.Cadence,Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器）。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。

3、综合工具

综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势，它的Design Compile是作综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler,可以提供更高级的综合。另外最近美国又出了一家软件叫Ambit,说是比Synopsys的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购，为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy.随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA公司又开发了用于FPGA设计的综合软件，比较有名的有：Synopsys的FPGA Express,Cadence的Synplity,Mentor的Leonardo,这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。

4、布局和布线

在IC设计的布局布线工具中，Cadence软件是比较强的，它有很多产品，用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra,它原来是用于PCB布线的，后来Cadence把它用来作IC的布线，其主要工具有：Cell3,Silicon Ensemble标准单元布线器；Gate Ensemble门阵列布线器；Design Planner-布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。

5、物理验证工具

物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的，其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。

6、模拟电路仿真器

前面讲的仿真器主要是针对数学电路的，对于模拟电路的仿真工具，普遍使用SPICE,这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的SPICE,像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中，最好最准的当数HSPICE,作为IC设计，它的模型最多，仿真的精度也最高。

上面说了这么多，很多人也看不懂，只想告诉大家一件事情，这些设计软件的拥有者基本都是美国公司，使用这些软件，都需要进行购买，如果有一天，这些公司不要开放给其它国家的芯片公司使用，只要在后台把权限一切断，就什么都开不了，因为每一个软件的使用的终端都有一个ID，可以随时把ID的权限关闭。VX封号，大家有体验过就明白了。

也有朋友说，不就是一个软件吗？他不给买咱们写一个出来就行了，其实这种工业设计软件不是我们常用的APP，几个月就能开发一个，这种软件也是需要通过长期的研发，再通过不同的场景应用再进行升级完善。而且中间牵涉到的算法也非常复杂，需要应用到数学，物理，工程学等各种学科。从来开发这样的软件，没有10多20年是拿不下来的。

此文还未完稿，就收到哈工大，哈工程两所大学被禁止使用工科数据处理软件MATLAB的消息。

芯片设计出来了，终于要开始生产了

三、芯片制造

制造芯片的原料非常简单，绝大部分来源于沙子，随处可见，储量非常丰富，取之不尽，用之不竭，所以原材料是不缺的。下面开始按步骤来制作

这就是制造一个芯片的全过程，看起来只有这11步，其实中间的工序有数千道，就是光刻这一道工序要经过上千次的反复操作。工序繁杂，对工艺的要求就非常高，不然生产出来的良品率会非常低，芯片的生产的每一道工序，必须达到100%的良品，就算每一次达到99%，到了最后一道，良品率可以还达不到10%，这样制种出来的芯片成本会非常高。

说到芯片的制造，现在全球能生产芯片的公司有以下十家：

1、美国的英特尔

2、韩国的三星

3、美国的德州仪器nm

4、日本东芝

5、日本索尼

6、台湾台积电

7、意大利和法国的意法半导体

8、日本的瑞萨

9、韩国的海力士

10、中国的中芯国际

其中美国有3家，日本有3家，韩国有2家，中国有2家，能够生产7nm制程却只有两家，分别是台积电和三星。

虽然上面的这些公司都能生产芯片，但是都需要一件关键设备：光刻机，现在全球能生产光刻机的企业只有一家：荷兰ASML（阿斯麦尔）。如果ASML不向以上10家芯片生产企业的某一家销售光刻机，那么这家企业的工艺制程就只能停留在当前的水平，再也无法向前，竞争，是不存在，这就是赤裸裸的垄断。

有些人也许会问，ASML是荷兰公司，和西方大国的打压行动没有关系，这样想就错了，ASML的机器当初发展的时候因为缺资金，只好找客户来投资，才得发展，所以，ASML的光刻机基本属于自产自销，其中最大的股东就是美国的英特尔，在某种程度来说，虽然ASML是荷兰企业，却是美资控股。

为了彻底控制芯片产来整条供应链，西方大国从很早开始，就开始了布局，从芯片架构到芯片设计，然后再芯片生产，牢牢把握住了话语权，芯片产业中的西方大国，就像社交领域的鹅厂，电商领域的猫厂，已经扎根到了细节末节，没有任何办法能够绕过去。

其实在上个世纪，高丽和扶桑的芯片产业曾一度非常发达，大有超越西方大国之势，后来西方大国用尽各种办法，把这两个国家的芯片全部整下去，牢牢的把科技标准的制定权控制在自己手。

打压虽然正在重来，但是历史却不会重演。

虽然东方大国要想取得到芯片的自主权，重新塑造世界标准，是非常有难度的，但是我们相信，中华民族的智慧无与伦比，总有办法克服这个困难，拥有自己的芯片全产业链，做为先头部队，菊花厂己经在国际标准的制定中踏进了一只脚。只要有更多的企业和人才从后助力，这条缝隙就会越挤越大，然后把整个身子都挤进去，最后坐在那把本来应该属于我们的椅子上。

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