复旦大学微电子学院闫娜教授：芯片到底是什么

复旦大学微电子学院副院长闫娜教授日前在复旦大学管理学院与复旦大学微电子学院联合主办的“瞰见对话科创人物系列论坛”上，介绍了集成电路技术的发展历史、现状以及未来趋势。以下是演讲主要内容。

『从电子管、晶体管到超大规模集成电路』

所谓芯片，就是以集成电路为核心的电子技术，它是伴随着电子元器件小型化、微型化的发展而兴起的。

1904年，英国电气工程师弗莱明·约翰·安布罗斯发明了人类历史上第一只电子管，即真空二极管。两年后，美国人德夫勒斯特又发明了第一个能够放大电信号的电子器件，也就是真空三极管。

电子管尤其是真空三极管的发明和应用，拉开了现代电子学的序幕，在电子技术史上具有划时代的意义。这一发明成为过去100年来改变世界的重大发明之一，为我们开启了电子时代的大门。

1946年，美国贝尔实验室开始研究半导体。由肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组研制出了一个点接触型的锗晶体管，并因此共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖，为集成电路的发展奠定了坚实基础。

基于锗晶体管的发明，美国德州仪器公司青年工程师杰克·基尔比于1958年成功发明了全世界第一块锗集成电路，他也因为这一发明获得了2000年诺贝尔物理学奖。

此后50多年来，集成电路的集成度飞速发展。以CPU芯片为例，1971年，英特尔发明了世界上第一块大规模集成电路，集成了2000多个晶体管；2002年，英特尔发明的奔腾4处理器采用0.13微米的工艺，集成了5500万个晶体管；2012年，英特尔发布了集成14亿个晶体管的处理器CPU，采用22纳米工艺；2022年，苹果发布的M1 Ultra芯片集成了1140亿个晶体管，这颗芯片由两颗芯片采用一定封装形式拼接而成。同时，英特尔也宣布，它的超级计算机芯片将拥有超过1000亿个晶体管。

人类的大脑就是一个先进的存储器，但除了大脑，我们还需要额外的存储介质。早期是印刷术，之后是磁盘、光盘，再到硬盘、U盘。一开始是32兆、64兆的U盘，现在已经有了32G、64G甚至更大的U盘存储器以及固态硬盘。存储器芯片方面，基于闪存芯片30T容量的便携式硬盘，可以储存1000多万册书籍，相当于用一个硬盘可以随身携带一个大型图书馆。

总的来说，集成电路朝着速度更快、功耗更低发展，追求更高效地处理数据，存储量也更大。

『衡量集成电路工艺水平的四大指标』

集成电路的工作速度主要取决于晶体管的特征尺寸。晶体管的特征尺寸越小，该工艺所能够接受的极限工作频率越高，开关速度也越快，相同面积的晶片所能容纳的晶体管数目也就越多。集成度越高，功能越强大。

描述集成电路工艺水平有四个指标：

第一是特征尺寸，也就是人们经常说的集成电路，工艺可以达到28纳米、14纳米、7纳米、5纳米等。头发丝的横截面积大概为8000平方微米，假设采用10纳米工艺，在一根头发丝的截面上可以制作出50万个晶体管，可见晶体管的尺寸有多小。

第二个是晶圆直径，也就是硅片尺寸。早期的硅片尺寸有4英寸、6英寸，现在是8英寸，主流的先进工艺是12英寸。晶圆尺寸越来越大，每一个晶圆上能够制造的集成电路芯片数量也越多，芯片成本就会大大降低。

第三个指标是DRAM（动态随机存取内存）的容量，可以用每一个工艺DRAM的尺寸，它的栅间距、金属间距等来评估工艺发展水平。

第四个指标是晶体管密度。

当特征尺寸不能再缩小时，怎样提高集成电路的性能、集成度？还有一个方式是采用先进的封装形式，比如2.5D封装、3D封装等。台积电的CoWoS封装技术以及Chiplet等技术，都是封装技术上的突破。

集成电路产品一般分为两类，一种是模拟产品，一种是数字产品。

就模拟产品而言，我们应该以全产业链整合的IDM（集芯片设计、制造、封测等多个环节于一体）形式积极发展半导体产业。目前全球领先的模拟芯片产品企业英飞凌、德州仪器都以IDM形式存在。

集成电路数字产品目前面临两种机遇，一是技术驱动，二是需求驱动。所谓技术驱动，就是从计算架构来引领创新，包括三维集成、量子计算等。需求驱动是指现有的物联网、自动驾驶、人工智能的发展对于集成电路数字产品产生了非常大的需求，不同需求会驱动产生不同形态的新的集成电路数字产品，推动集成电路产业的发展。

栏目主编：龚丹韵 文字编辑：徐蓓 题图来源：上观题图 图片编辑：邵竞

来源：作者：闫娜

芯片到底是什么？

假设一百年或者几百年之后，回顾2018年到2019年的大国关系，未来的人们可能发明一个新词，或许就叫做芯片战争。虽然这种战争暂时还没听到枪炮声响和看到硝烟，但是对未来世界格局的深远影响，可能不亚于一场次级别的世界大战。这是因为围绕芯片这种国际商品而产生的交易额，是当今全球原油交易市场总额的数倍。围绕石油的大战已经不止一次，现在围绕芯片开始的激烈斗争，也将重构二十一世纪上半叶的基本世界格局。那么现在大家几乎天天听到芯片这个词。那么芯片到底是什么，为何设计和生产芯片成了一门高技术，对大多数人来说，恐怕都是半懂半不懂，或假装听得懂，也算一种基本态度。芯片说到底，其实就是一种微电路。那么什么又是电路？打开电脑的机箱，或者任何一种有程序化功能的电器内部，都会看到电路板。芯片就是一种极度微小但功能强大的微缩逻辑电路。

现代集成电路是由基尔比在1958年发明的。因此荣获2000年诺贝尔物理奖，实用集成电路的发明人是诺伊斯，因过世早而未能同时获奖，诺贝尔所有奖项只发给在世的人。

集成电路可以把很大数量的微晶体管集成到一个小的纯硅的薄片上，这是一个巨大的进步。

集成电路相对离散晶体管有两个主要优势：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术，作为一个单位印刷，而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关，消耗更低能量，因为组件很小且彼此靠近。现在已经进入纳米级，比如7纳米级的芯片，一平方厘米面积内就可以集成64个亿的微元件，已经接近物理规律的极限，再靠的更近，电子可能就直接穿透了电路之间的空间自然隔离，导致芯片电路自然失效了，这就是摩尔定律在微电子领域内的作用。

先进的集成电路是微处理器或多核处理器的核心，可以控制计算机到手机等一切电子设备。虽然设计开发一个复杂集成电路的成本非常高，但是当分散到通常以亿计的产品上，每个集成电路的成本最小化。最终利润就足够丰厚。

制作芯片的基础材料是单晶硅薄片。单晶硅是经过早年的多次试验后，认为是最合适的大规模制作集成电路的半导体材料。成为集成电路主流的基层。硅元素在地球地壳中含量很高，比如沙子水泥都含有大量的硅元素，但是能利用的是纯度极高的单晶硅，也就是提炼出不含亿分之一杂质的硅结晶，这种结晶体，直径越粗壮越好，越大的结晶，可以切割成直径越大的圆盘薄，在这种薄片上可以印刷更多的呈现长方形的小芯片。单晶硅圆盘的制作直径，是芯片加工企业的第一个技术高低的指标。过去研发无缺陷纯单晶硅晶体的方法就用了数十年的时间。制作芯片的基材，除了使用单晶硅，还有III-V族材料，比如砷化镓也可以。

现在流水线式的单晶硅芯片的制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节，其中晶片制作过程尤为的复杂。首先是芯片设计，根据设计的需求，生成的“图样”。而制造芯片的原料是晶圆。晶圆的成分是纯硅，硅是由石英沙所精练出来的，晶圆便是硅加以纯化99.9999999%，接着是将这些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄，直径越大生产的成本越低，但对工艺就要求的越高。

然后对晶圆进行涂膜，涂膜能抵抗氧化以及耐温能力，其材料为光阻的一种。再往后是晶圆的光刻显影、蚀刻。光刻工艺的基本流程。首先是在晶圆或衬底表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。光线透过一个掩模，把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上，实现曝光，激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤，即所谓的曝光后烘烤，后烘烤是的光化学反应更充分。最后，把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上，对曝光图形显影。显影后，掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。如果看不明白这一点，就可以把晶圆看做老式胶卷照相机的显影工艺。

涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的，曝光是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的，晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的，晶圆不直接暴露在周围环境中，以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响。

这个复杂的过程使用了对紫外光敏感的化学物质，即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂，使得其遇紫外光就会溶解。这时可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了，而这效果正是所要的。

下一个工序是掺加杂质，将晶圆中植入离子，生成相应的P、N类半导体。具体工艺是从硅片上暴露的区域开始，放入化学离子混合液中。经过上面的几道工艺之后，晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。将制造完成晶圆固定，绑定引脚，按照需求去制作成各种不同的封装形式。经过上述工艺流程以后，芯片制作就已经全部完成了，最后步骤是将芯片进行测试、剔除不良品，最后包装上市。

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