在智能手機等眾多數碼產(chǎn)品的更新迭代中，科技的改變悄然發(fā)生。蘋(píng)果A15仿生芯片等尖端芯片正使得更多革新技術(shù)成為可能。這些芯片是如何被制造出來(lái)的，其中又有哪些關(guān)鍵步驟呢？

智能手機、個(gè)人電腦、游戲機這類(lèi)現代數碼產(chǎn)品的強大性能已無(wú)需贅言，而這些強大的性能大多源自于那些非常小卻又足夠復雜的科技產(chǎn)物——芯片。世界已被芯片所包圍：2020年，全世界共生產(chǎn)了超過(guò)一萬(wàn)億芯片，這相當于地球上每人擁有并使用130顆芯片。然而即使如此，近期的芯片短缺依然表現出，這個(gè)數字還未達到上限。

盡管芯片已經(jīng)可以被如此大規模地生產(chǎn)出來(lái)，生產(chǎn)芯片卻并非易事。制造芯片的過(guò)程十分復雜，今天我們將會(huì )介紹六個(gè)最為關(guān)鍵的步驟：沉積、光刻膠涂覆、光刻、刻蝕、離子注入和封裝。

沉積

沉積步驟從晶圓開(kāi)始，晶圓是從99.99%的純硅圓柱體（也叫“硅錠”）上切下來(lái)的，并被打磨得極為光滑，然后再根據結構需求將導體、絕緣體或半導體材料薄膜沉積到晶圓上，以便能在上面印制第一層。這一重要步驟通常被稱(chēng)為 "沉積"。

隨著(zhù)芯片變得越來(lái)越小，在晶圓上印制圖案變得更加復雜。沉積、刻蝕和光刻技術(shù)的進(jìn)步是讓芯片不斷變小，從而推動(dòng)摩爾定律不斷延續的關(guān)鍵。這包括使用新的材料讓沉積過(guò)程變得更為精準的創(chuàng )新技術(shù)。

光刻膠涂覆

晶圓隨后會(huì )被涂覆光敏材料“光刻膠”（也叫“光阻”）。光刻膠也分為兩種——“正性光刻膠”和“負性光刻膠”。

正性和負性光刻膠的主要區別在于材料的化學(xué)結構和光刻膠對光的反應方式。對于正性光刻膠，暴露在紫外線(xiàn)下的區域會(huì )改變結構，變得更容易溶解從而為刻蝕和沉積做好準備。負性光刻膠則正好相反，受光照射的區域會(huì )聚合，這會(huì )使其變得更難溶解。正性光刻膠在半導體制造中使用得最多，因其可以達到更高的分辨率，從而讓它成為光刻階段更好的選擇?，F在世界上有不少公司生產(chǎn)用于半導體制造的光刻膠。

光刻

光刻在芯片制造過(guò)程中至關(guān)重要，因為它決定了芯片上的晶體管可以做到多小。在這個(gè)階段，晶圓會(huì )被放入光刻機中（沒(méi)錯，就是ASML生產(chǎn)的產(chǎn)品），被暴露在深紫外光（DUV）下。很多時(shí)候他們的精細程度比沙粒還要小幾千倍。

光線(xiàn)會(huì )通過(guò)“掩模版”投射到晶圓上，光刻機的光學(xué)系統（DUV系統的透鏡）將掩模版上設計好的電路圖案縮小并聚焦到晶圓上的光刻膠。如之前介紹的那樣，當光線(xiàn)照射到光刻膠上時(shí)，會(huì )產(chǎn)生化學(xué)變化，將掩模版上的圖案印制到光刻膠涂層上。

使曝光的圖案完全正確是一項棘手的任務(wù)，粒子干擾、折射和其他物理或化學(xué)缺陷都有可能在這一過(guò)程中發(fā)生。這就是為什么有時(shí)候我們需要通過(guò)特地修正掩模版上的圖案來(lái)優(yōu)化最終的曝光圖案，讓印制出來(lái)的圖案成為我們所需要的樣子。我們的系統通過(guò)“計算光刻”將算法模型與光刻機、測試晶圓的數據相結合，從而生成一個(gè)和最終曝光圖案完全不同的掩模版設計，但這正是我們想要達到的，因為只有這樣才能得到所需要的曝光圖案。

刻蝕

下一步是去除退化的光刻膠，以顯示出預期的圖案。在"刻蝕"過(guò)程中，晶圓被烘烤和顯影，一些光刻膠被洗掉，從而顯示出一個(gè)開(kāi)放通道的3D圖案?？涛g工藝必須在不影響芯片結構的整體完整性和穩定性的情況下，精準且一致地形成導電特征。先進(jìn)的刻蝕技術(shù)使芯片制造商能夠使用雙倍、四倍和基于間隔的圖案來(lái)創(chuàng )造出現代芯片設計的微小尺寸。

和光刻膠一樣，刻蝕也分為“干式”和“濕式”兩種。干式刻蝕使用氣體來(lái)確定晶圓上的暴露圖案。濕式刻蝕通過(guò)化學(xué)方法來(lái)清洗晶圓。

一個(gè)芯片有幾十層，因此必須仔細控制刻蝕，以免損壞多層芯片結構的底層。如果蝕刻的目的是在結構中創(chuàng )建一個(gè)空腔，那就需要確?？涨坏纳疃韧耆_。一些高達175層的芯片設計，如3D NAND，刻蝕步驟就顯得格外重要和困難。

離子注入

一旦圖案被刻蝕在晶圓上，晶圓會(huì )受到正離子或負離子的轟擊，以調整部分圖案的導電特性。作為晶圓的材料，原料硅不是完美的絕緣體，也不是完美的導體。硅的導電性能介于兩者之間。

將帶電離子引導到硅晶體中，讓電的流動(dòng)可以被控制，從而創(chuàng )造出芯片基本構件的電子開(kāi)關(guān)——晶體管，這就是 "離子化"，也被稱(chēng)為 "離子注入"。在該層被離子化后，剩余的用于保護不被刻蝕區域的光刻膠將被移除。

封裝

在一塊晶圓上制造出芯片需要經(jīng)過(guò)上千道工序，從設計到生產(chǎn)需要三個(gè)多月的時(shí)間。為了把芯片從晶圓上取出來(lái)，要用金剛石鋸將其切成單個(gè)芯片。這些被稱(chēng)為“裸晶”的芯片是從12英寸的晶圓上分割出來(lái)的，12英寸晶圓是半導體制造中最常用的尺寸，由于芯片的尺寸各不相同，有的晶圓可以包含數千個(gè)芯片，而有的只包含幾十個(gè)。

這些裸晶隨后會(huì )被放置在“基板”上——這種基板使用金屬箔將裸晶的輸入和輸出信號引導到系統的其他部分。然后我們會(huì )為它蓋上具有“均熱片”的蓋子，均熱片是一種小的扁平狀金屬保護容器，里面裝有冷卻液，確保芯片可以在運行中保持冷卻。

一切才剛剛開(kāi)始

現在，芯片已經(jīng)成為你的智能手機、電視、平板電腦以及其他電子產(chǎn)品的一部分了。它可能只有拇指大小，但一個(gè)芯片可以包含數十億個(gè)晶體管。例如，蘋(píng)果的A15仿生芯片包含了150億個(gè)晶體管，每秒可執行15.8萬(wàn)億次操作。

當然，半導體制造涉及到的步驟遠不止這些，芯片還要經(jīng)過(guò)量測檢驗、電鍍、測試等更多環(huán)節，每塊芯片在成為電子設備的一部分之前都要經(jīng)過(guò)數百次這樣的過(guò)程。