芯片很復(fù)雜，但說(shuō)來(lái)也可以很“簡(jiǎn)單” — 只要你大度一些，別去糾結(jié)那些原理細(xì)節(jié)什么的。<br>網(wǎng)上有許多關(guān)于芯片制作過(guò)程的“科普”性文章，我覺得都不太著調(diào)，要么看不大懂，要么上下不接，即便用心看，最后也無(wú)法對(duì)芯片制作的事情留下簡(jiǎn)單明了的印象。我對(duì)半導(dǎo)體/電路什么的有點(diǎn)兒基礎(chǔ)知識(shí)，試著用大眾或許能明白的話，把芯片制作過(guò)程描述一下，不是“科普”，只是普通人可以理解的白話（但閱讀者也要用點(diǎn)兒心才行）。<br>芯片就是集成電路，把許多半導(dǎo)體器件（和其它器件如電阻電容）及其互聯(lián)導(dǎo)線封裝在一小塊硅片當(dāng)中。<br>一般電器元件只有兩端，一端進(jìn)電流一端出電流，也可以反過(guò)來(lái)，取決于電壓的方向。半導(dǎo)體元件通常具有三端，一端進(jìn)電流一端出電流，第三端控制通斷。<br>半導(dǎo)體器件是什么呢，就是我們都聽說(shuō)過(guò)的晶體管（二極管，三級(jí)管，CMOS，等），你也可以不理會(huì)這些術(shù)語(yǔ)，反正就是可以控制開/關(guān)/通/斷的器件。<br>半導(dǎo)體的原理來(lái)自“硅”元素（還有“鍺”，現(xiàn)在不大用了）。在硅材料中摻入少量“磷”原子，構(gòu)成“N”極；在硅材料中摻入少量“硼”原子，構(gòu)成“P”極；P和N之間的界面就是“P/N“結(jié)。一個(gè)“P/N“結(jié)就構(gòu)成了一個(gè)晶體管。<br>說(shuō)到這里插一句話，我們的高鐵/大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)用的大容量超大容量電動(dòng)機(jī)的控制，其原理也在于“P/N“結(jié)（此話題不展開說(shuō)了）。這些大功率器件與芯片的主要區(qū)別是：前者控制高達(dá)幾千幾萬(wàn)安培的電流；后者只要邏輯動(dòng)作，電流越小越好（微安以下級(jí)），追求小尺寸，從物理原理上說(shuō)，1納米是芯片制作的極限（再小就到原子尺寸了）。<br>另外，還需要大體說(shuō)一下數(shù)字電路/計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)成?，F(xiàn)在的數(shù)字計(jì)算機(jī)/功能數(shù)字電路里面，甭管多復(fù)雜的功能，無(wú)一例外全是0和1的組合變化，用的幾乎全是“門”電路和“觸發(fā)器”，“門”管開或關(guān)，“觸發(fā)器”保存狀態(tài)（0或1）及其變化。一個(gè)“門”通常由五六個(gè)晶體管及其互連線組成，而“觸發(fā)器”里面含有大約幾十個(gè)晶體管和更多的連接線。“門”電路和“觸發(fā)器”是構(gòu)成功能的基本單元，諸如“計(jì)數(shù)器”/“寄存器”/“存儲(chǔ)器”到“中央處理器”（CPU）等等，都是由“門”電路和“觸發(fā)器”組合而成的。以上說(shuō)的那些“器”，不理解沒關(guān)系，不影響對(duì)芯片制作過(guò)程的了解。<br>做芯片第一步就是生產(chǎn)純度極高（99.999%以上）的硅片，從早期的3英尺到現(xiàn)在的8英寸（300毫米）生產(chǎn)線，中國(guó)都有了。把高純度硅制成為棒狀體（晶圓），切成一個(gè)個(gè)不到一毫米厚的薄片，就是晶圓片（以下稱為“硅片”），拿來(lái)做芯片。<br>有了硅片，往上面雕刻元件卻是難上加難的事情，有人說(shuō)比搞航天還難，我覺得此話有幾分靠譜。<br>芯片，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是在一片硅片上制造出大量的“P/N“結(jié)及其附加元件并敷設(shè)必要的互連銅線。<br>在硅片上產(chǎn)生“P/N“結(jié)，就得把硅片平面分成不同的區(qū)域（一些做P，一些做N，還有其它需要的東西）。具體做法就是靠“掩膜“，類似我們民間做的”剪紙“ —— 一部分暴露一部分遮蔽。<br>第一步，光刻。先在硅片上覆蓋一個(gè)保護(hù)層（目的是在“光刻”時(shí)不傷害硅片），再在保護(hù)層上面覆蓋一層“光刻膠”，把掩膜（板）放置在最上面。然后，1，用光刻機(jī)從上部發(fā)射某種光線，把掩膜暴露部分的“光刻膠”去除掉（露出這部分區(qū)域保護(hù)材料的表面A）；2，“刻蝕”，用刻蝕機(jī)把A中的保護(hù)層去出掉（露出硅層）；3，在完全暴露出的硅層中不同的位置分別摻入一定量的“磷”材料或“硼”材料，形成“P/N“結(jié)。<br>其中有幾點(diǎn)要注意：1，所謂“光刻”其實(shí)就是有選擇的光照，并非一點(diǎn)一線的“刻”，瞬間就完成了；2，上述過(guò)程是高度簡(jiǎn)化了的，實(shí)際上這個(gè)過(guò)程牽扯到幾十種專門技術(shù)和材料；3，一個(gè)芯片中要制作出幾千萬(wàn)幾億對(duì)甚至更多的“P/N“結(jié)，不是一次完成的，掩膜（板）也要用到許多個(gè)，光刻/刻蝕也要進(jìn)行若干次；4，留下的光刻膠和保護(hù)層也需要后續(xù)的清理工序去處理；5，這個(gè)過(guò)程使用的設(shè)備眾多，其中光刻機(jī)和刻蝕機(jī)最講究精細(xì)度，分辨率以納米計(jì)，光刻機(jī)技術(shù)中國(guó)比較落后，刻蝕機(jī)技術(shù)則中國(guó)處在業(yè)界前沿。<br>硅片上產(chǎn)生了大量的晶體管和其它部件，接下來(lái)要把它們用導(dǎo)線（銅）連接起來(lái)，這也是一件非常繁瑣的事情。要把數(shù)以億計(jì)的單元按照設(shè)計(jì)要求連接起來(lái)，是個(gè)龐大的系統(tǒng)工程：芯片里的導(dǎo)線沒有絕緣層，導(dǎo)線無(wú)法在同一個(gè)平面交叉敷設(shè)，而芯片中的互連導(dǎo)線數(shù)量巨多，要讓它們有序穿行互不干擾，就要設(shè)立大規(guī)模的立體交通網(wǎng)絡(luò)。具體做法大概是：在已經(jīng)植入半導(dǎo)體元件的硅片層之上，鋪設(shè)絕緣層，在絕緣層表面敷設(shè)銅材料導(dǎo)線，導(dǎo)線向上穿過(guò)絕緣層連接到起始元件端點(diǎn)，導(dǎo)線在絕緣層中通向遠(yuǎn)方，到達(dá)目的元件上方處，向下伸延連接到端點(diǎn)。這相當(dāng)于我們城市道路中的立交原理，但五花八門的連接線走向錯(cuò)綜復(fù)雜，所以實(shí)際的絕緣/導(dǎo)線層可以有許多層，同一層中的導(dǎo)線間距也是納米級(jí)。<br>以上僅僅是做芯片的前道步驟，還得倒過(guò)去說(shuō)說(shuō)設(shè)計(jì)/軟件之類的做芯片之前的事情。<br>前面說(shuō)的掩膜，說(shuō)起來(lái)就一個(gè)詞，其實(shí)背后是大量的高技術(shù)行業(yè)。制作掩膜圖案要經(jīng)過(guò)許多步驟，首先是原理圖（功能）設(shè)計(jì)，之后把原理圖分解成元件及互連圖，再分解成P/N結(jié)（及其它基礎(chǔ)元件）構(gòu)圖，最后才能產(chǎn)生掩膜圖和布線圖，整個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜。<br>原理圖從畫圖角度看并不難，高明與否取決于設(shè)計(jì)思想，這里不談它。畫原理圖使用“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”（CAD）軟件，搞過(guò)設(shè)計(jì)的人都用過(guò)，無(wú)非是用鼠標(biāo)替代畫圖筆而已。<br>分解元件圖和P/N結(jié)構(gòu)圖以及布線圖的軟件是芯片制作當(dāng)中最復(fù)雜難度最大的工作之一，目前占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先地位的是美國(guó)公司。現(xiàn)在說(shuō)的芯片設(shè)計(jì)主要指的是原理圖設(shè)計(jì)，后面的這些設(shè)計(jì)是芯片制造廠家（代工廠）的事情。“代工廠”，給人感覺做的是比較簡(jiǎn)單的事，實(shí)則不然，它要承擔(dān)上述除原理圖之外的幾乎全部設(shè)計(jì)工作（重要軟件買美國(guó)公司的），還要完成芯片制作的各道工序，技術(shù)含量極高。“臺(tái)積電”/“三星”等大牌企業(yè)就是“代工廠”，掙得是加工費(fèi)。<br>上述工藝完成之后，還有一些后續(xù)工作，其中的“封裝”和”測(cè)試“也是技術(shù)含量很高的步驟。<br>所謂“封裝”就是把連接外部的端子引出去（稱之為“管腳”），用適當(dāng)?shù)牟牧习研酒b起來(lái)，形成我們常見的芯片外觀。這道工序是“微觀”世界與“宏觀“世界之間的橋梁，對(duì)加工精度要求很高。大芯片的管腳可以多達(dá)好幾百個(gè)，管腳尺寸及間距小到0.幾毫米，把這種芯片焊接到印刷電路板上要使用專用設(shè)備才行。<br>”測(cè)試“主要依賴軟件和測(cè)試臺(tái)，其中的測(cè)試軟件是美國(guó)人特別擅長(zhǎng)的事。一個(gè)芯片做出來(lái)之后，是否滿足設(shè)計(jì)要求，穩(wěn)定性/可靠性/抗干擾性/功耗/散熱性能等如何，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試。具體做法就不說(shuō)了吧。