极度微小但功能强大，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。

审核编辑 黄昊宇