芯片制作流程科普
北京科学中心2019-05-28 18:38
关注国家大事的小伙伴们或许已经知道了美国把华为列入管制“实体清单”的消息。这意味着，没有美国政府的同意，美国企业将不能再为华为提供芯片和芯片制作的技术。
美国将不再为华为提供芯片和芯片制作技如果我们不创造出属于中国人自己的高性能芯片，有一天也许我们会面临“芯片荒”。
那么小小的芯片背后又藏有什么门道呢？为什么生产一张芯片会如此困难呢？
什么是芯片？
芯片的全称叫大规模集成电路，顾名思义，就是把很多个复杂的电路全都集中在一块很小的“卡片”上。
并且这些电路凑在一起可以实现一种或多种功能。比如计算和存贮数据就是芯片最主要的两个功能。
那么如此复杂和精密的芯片又是怎样制作的呢？
芯片示意图芯片的制作就像是中国的雕版印刷，先在一块模板上雕刻出想要的电路图案（这个模板叫做掩模）。然后再把掩模上的图案“印刷”到芯片的衬底上。
衬底就像是白纸，掩模是雕刻好的模板，而印刷的“墨水”则是一些导体、半导体或是绝缘材料。
雕版印刷术刻板过程下面就让我们看看一个芯片具体是怎么做出来的吧。
怎么做芯片？
>>>>Step1：“雕刻”掩模
一个只有指尖大小的芯片往往集成了成千上万个电路。掩模作为芯片的模板，在它上面，一个图案的尺寸大约只有一根头发丝的千分之一那么小。
要想在掩模上雕刻出电路的图案一定要有一把极其尖锐、精准的“刀”才行，这把“刀”就是电子束。
电子束雕刻掩模示意图电子就好比一颗又小又快的子弹，打在需要被雕刻的掩模上，无数个电子一同瞄准掩模的同一个位置，形成一束电子束，将需要被雕刻的地方打穿。最终在掩模上留下类似于“剪纸”的镂空图案。
掩模（类似生活中的“剪纸”）>>>>Step2：材料的生长
我们之前提到过，芯片是由导体、半导体、绝缘材料组成的，那么怎么把这些材料“涂”在衬底表面呢？
首先我们要把需要的材料变成气体，然后把衬底放在一个完全密封且真空的空间中，再把我们之前准备好的气体通入这个密闭的空间。
当气体遇到衬底时，它就会像冬天结霜一样地凝结在衬底表面，最终在衬底表面形成一个完整的薄膜。这就是芯片最初的样子，这个过程叫做“气相沉积”或材料的生长。
材料生长示意图（气相沉积）通常芯片上不只有一种材料，只需要重复上面的步骤，就可以让不同的材料像三明治一样一层一层地铺在芯片上。
>>>>Step3：光刻
可能有的小朋友玩过“油水分离画”：先用油画棒在纸上画一个图案，然后把水彩随意地涂在画面上。
等水彩都晕染开时你会发现，任由水彩的涂抹，原来涂过油画棒的地方都被“保护”了起来，颜色、图案都没有改变，而其余没有被油画棒覆盖的部分就被水彩染了颜色。
油水分离画，被油画棒“保护”的部分不光刻恰恰用的就是这种原理。
科学家合成了一种神奇的物质叫“光刻胶”，当它一直在阴暗处时，很容易被溶解、冲刷掉；当它被光（紫外线）照射一段时间后，就会变得十分坚固，很难被溶解掉。
利用光刻胶的这种性质就可以把掩模上的图案“印刷”在芯片上。
光刻示意图首先在生长完某种材料的芯片上均匀涂上一层光刻胶，烘干后把已经雕刻好镂空图案的掩模放在光刻胶上方，并用光（紫外线）照射。
光刻胶掩模没有被雕刻的部分会把光线遮挡住，而雕刻过的部分可以让光线通过。一段时间后，冲洗光刻胶。
光刻胶的涂抹过程示意图由于被光照射的光刻胶会变得难以溶解，这部分留在了芯片表面，而其他部分被冲洗掉了。于是掩模上面雕刻的图案就被转移到了光刻胶上。
实验室中的光刻机那么可能有小伙伴会问：虽然光刻胶上面有了电路的图案，但是又怎么把这些图案转移到芯片上呢？这其实就用到了“油水分离画”的思路。
实验室中的光刻机（局部）由于一部分芯片表面被光刻胶“保护”了起来，任凭我们怎么侵蚀，这部分芯片依然可以完好保留。但是那些没有被光刻胶覆盖的部分就很容易被侵蚀掉。
工业光刻机这时候我们只需要把整个芯片放到腐蚀液里面，没有被光刻胶保护起来的部分就会被腐蚀掉。于是光刻胶上的电路图案也转移到了芯片上，最后只需要把残留的光刻胶清洗掉即可。
光刻流程图>>>>Step4：封装
按照上述步骤制作的芯片还只是一个半成品，我们还需要把它封装起来才能正常使用。就像是一个人除了有血有肉之外，还要有皮肤和毛发来保护我们不受外界的伤害。
芯片剖面图以上介绍的芯片制作过程仅仅是最简单的一种，而且忽略了许多技术和工艺上的细节。可见要想制备一张芯片需要许多复杂的步骤和十分精巧的技术。
经过不懈地努力，中国终将造出属于我们自己的高性能芯片
对于一些更高性能的特种芯片还需要其他更高端的技术与工艺，未来我们还面临着很多有待解决的难题。但我们相信中国“芯”一定会强起来！
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