芯片是怎么做的

钟民华

芯片很复杂，但说来也可以很“简单” — 只要你大度一些，别去纠结那些原理细节什么的。
网上有许多关于芯片制作过程的“科普”性文章，我觉得都不太着调，要么看不大懂，要么上下不接，即便用心看，最后也无法对芯片制作的事情留下简单明了的印象。我对半导体/电路什么的有点儿基础知识，试着用大众或许能明白的话，把芯片制作过程描述一下，不是“科普”，只是普通人可以理解的白话（但阅读者也要用点儿心才行）。
芯片就是集成电路，把许多半导体器件（和其它器件如电阻电容）及其互联导线封装在一小块硅片当中。
一般电器元件只有两端，一端进电流一端出电流，也可以反过来，取决于电压的方向。半导体元件通常具有三端，一端进电流一端出电流，第三端控制通断。
半导体器件是什么呢，就是我们都听说过的晶体管（二极管，三级管，CMOS，等），你也可以不理会这些术语，反正就是可以控制开/关/通/断的器件。
半导体的原理来自“硅”元素（还有“锗”，现在不大用了）。在硅材料中掺入少量“磷”原子，构成“N”极；在硅材料中掺入少量“硼”原子，构成“P”极；P和N之间的界面就是“P/N“结。一个“P/N“结就构成了一个晶体管。
说到这里插一句话，我们的高铁/大规模工业生产用的大容量超大容量电动机的控制，其原理也在于“P/N“结（此话题不展开说了）。这些大功率器件与芯片的主要区别是：前者控制高达几千几万安培的电流；后者只要逻辑动作，电流越小越好（微安以下级），追求小尺寸，从物理原理上说，1纳米是芯片制作的极限（再小就到原子尺寸了）。
另外，还需要大体说一下数字电路/计算机的基本构成。现在的数字计算机/功能数字电路里面，甭管多复杂的功能，无一例外全是0和1的组合变化，用的几乎全是“门”电路和“触发器”，“门”管开或关，“触发器”保存状态（0或1）及其变化。一个“门”通常由五六个晶体管及其互连线组成，而“触发器”里面含有大约几十个晶体管和更多的连接线。“门”电路和“触发器”是构成功能的基本单元，诸如“计数器”/“寄存器”/“存储器”到“中央处理器”（CPU）等等，都是由“门”电路和“触发器”组合而成的。以上说的那些“器”，不理解没关系，不影响对芯片制作过程的了解。
做芯片第一步就是生产纯度极高（99.999%以上）的硅片，从早期的3英尺到现在的8英寸（300毫米）生产线，中国都有了。把高纯度硅制成为棒状体（晶圆），切成一个个不到一毫米厚的薄片，就是晶圆片（以下称为“硅片”），拿来做芯片。
有了硅片，往上面雕刻元件却是难上加难的事情，有人说比搞航天还难，我觉得此话有几分靠谱。
芯片，简单地说就是在一片硅片上制造出大量的“P/N“结及其附加元件并敷设必要的互连铜线。
在硅片上产生“P/N“结，就得把硅片平面分成不同的区域（一些做P，一些做N，还有其它需要的东西）。具体做法就是靠“掩膜“，类似我们民间做的”剪纸“ —— 一部分暴露一部分遮蔽。
第一步，光刻。先在硅片上覆盖一个保护层（目的是在“光刻”时不伤害硅片），再在保护层上面覆盖一层“光刻胶”，把掩膜（板）放置在最上面。然后，1，用光刻机从上部发射某种光线，把掩膜暴露部分的“光刻胶”去除掉（露出这部分区域保护材料的表面A）；2，“刻蚀”，用刻蚀机把A中的保护层去出掉（露出硅层）；3，在完全暴露出的硅层中不同的位置分别掺入一定量的“磷”材料或“硼”材料，形成“P/N“结。
其中有几点要注意：1，所谓“光刻”其实就是有选择的光照，并非一点一线的“刻”，瞬间就完成了；2，上述过程是高度简化了的，实际上这个过程牵扯到几十种专门技术和材料；3，一个芯片中要制作出几千万几亿对甚至更多的“P/N“结，不是一次完成的，掩膜（板）也要用到许多个，光刻/刻蚀也要进行若干次；4，留下的光刻胶和保护层也需要后续的清理工序去处理；5，这个过程使用的设备众多，其中光刻机和刻蚀机最讲究精细度，分辨率以纳米计，光刻机技术中国比较落后，刻蚀机技术则中国处在业界前沿。
硅片上产生了大量的晶体管和其它部件，接下来要把它们用导线（铜）连接起来，这也是一件非常繁琐的事情。要把数以亿计的单元按照设计要求连接起来，是个庞大的系统工程：芯片里的导线没有绝缘层，导线无法在同一个平面交叉敷设，而芯片中的互连导线数量巨多，要让它们有序穿行互不干扰，就要设立大规模的立体交通网络。具体做法大概是：在已经植入半导体元件的硅片层之上，铺设绝缘层，在绝缘层表面敷设铜材料导线，导线向上穿过绝缘层连接到起始元件端点，导线在绝缘层中通向远方，到达目的元件上方处，向下伸延连接到端点。这相当于我们城市道路中的立交原理，但五花八门的连接线走向错综复杂，所以实际的绝缘/导线层可以有许多层，同一层中的导线间距也是纳米级。
以上仅仅是做芯片的前道步骤，还得倒过去说说设计/软件之类的做芯片之前的事情。
前面说的掩膜，说起来就一个词，其实背后是大量的高技术行业。制作掩膜图案要经过许多步骤，首先是原理图（功能）设计，之后把原理图分解成元件及互连图，再分解成P/N结（及其它基础元件）构图，最后才能产生掩膜图和布线图，整个过程非常复杂。
原理图从画图角度看并不难，高明与否取决于设计思想，这里不谈它。画原理图使用“计算机辅助设计”（CAD）软件，搞过设计的人都用过，无非是用鼠标替代画图笔而已。
分解元件图和P/N结构图以及布线图的软件是芯片制作当中最复杂难度最大的工作之一，目前占据绝对领先地位的是美国公司。现在说的芯片设计主要指的是原理图设计，后面的这些设计是芯片制造厂家（代工厂）的事情。“代工厂”，给人感觉做的是比较简单的事，实则不然，它要承担上述除原理图之外的几乎全部设计工作（重要软件买美国公司的），还要完成芯片制作的各道工序，技术含量极高。“台积电”/“三星”等大牌企业就是“代工厂”，挣得是加工费。
上述工艺完成之后，还有一些后续工作，其中的“封装”和”测试“也是技术含量很高的步骤。
所谓“封装”就是把连接外部的端子引出去（称之为“管脚”），用适当的材料把芯片包装起来，形成我们常见的芯片外观。这道工序是“微观”世界与“宏观“世界之间的桥梁，对加工精度要求很高。大芯片的管脚可以多达好几百个，管脚尺寸及间距小到0.几毫米，把这种芯片焊接到印刷电路板上要使用专用设备才行。
”测试“主要依赖软件和测试台，其中的测试软件是美国人特别擅长的事。一个芯片做出来之后，是否满足设计要求，稳定性/可靠性/抗干扰性/功耗/散热性能等如何，必须经过严格的测试。具体做法就不说了吧。