为什么感觉芯片很难制造 芯片是设计难还是制造难

导读美国对华为的芯片禁令一出，华为就感到了巨大的压力，以至于被迫卖掉荣耀来度过寒冬。

即使强大如华为，都无法制造出芯片，那么芯片究竟有多难制造呢？我们一起来看一看！

了解一个概念纳米（nm）

我们都听说14nm芯片、7nm芯片、5nm芯片，那么1nm究竟有多长呢？

1m(米)=1000mm(毫米)，1mm(毫米)=1000(微米)，1(微米)=1000(纳米)，1纳米=10的负9次方(米)=0.000000001米。

1纳米相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小得多。而单个细菌用肉眼是根本看不到的，用显微镜测直径大约是五微米。

制造芯片就是挑战物理极限，把晶体管无限的缩小，在固定空间内放入更多的晶体管。

最初的芯片是单层的，也就是相当于一个平面，我们可以把它看成一排排平房。随着科技的不断发展，芯片层数越来越多，芯片的单元“晶体管”数量也越来越多，我们可以把它看成是一幢幢高楼。

在存储芯片领域，国产芯片最高可以做到64层，而一线大厂，如三星、海力士、镁光等，已经可以做到128层及以上。叠加的层数越多，工艺制造上遭遇的难度与问题就会越大，电路搭错的几率就会越高。

在水平方向上，要解决增加图案密度的问题，以增加存储密度；在垂直方向上，又要解决高深宽比（HAR）刻蚀均匀性的问题。但逻辑芯片不仅仅要解决微电子器件的问题，当尺寸缩小之后，工艺难度也会进一步加大。

比如，为了让尺寸缩小，分辨率更高，光刻工艺会采用浸没式光刻。所谓的浸没式，就是让光源与光刻胶之间使用水来充当光路介质，这就对光刻机台以及工艺提出更高的挑战。

芯片从设计到应用一款芯片从设计到应用经过哪些步骤呢？主要分为设计、制作、封装、测试

设计流程前端设计、前仿真、后端设计、后仿真、signoff检查、交与代工。

制作流程清洗、预烘、涂胶、前烘、对准、曝光、显影、竖膜、刻蚀、去胶。

封装流程划片、装片、键合、塑封、去飞边、电镀、打印、切筋成型。

测试包含基本功能测试、电气性能测试、安全测试、环境安全可靠性测试、老化寿命测试、机械性能测试、焊接性能测试。

看到这么多复杂的步骤是不是感觉到芯片制造的难度了，其实制作工艺才是真正的高难度。

第一步制作晶圆

晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆;在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。

硅晶圆制造分为三步骤硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。

1、硅提炼及提纯

硅的提纯是将沙石原料放入一个温度超过两千摄氏度的并有碳源的电弧熔炉中，在高温下发生还原反应得到冶金级硅(硅纯度98%以上)。然后将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的多晶硅。

2、单晶硅生长

将高纯度的多晶硅放在石英坩埚中，加热至一千多摄氏度，使多晶硅熔化。

形成单晶硅还需要控制晶体的方向，把籽晶浸入其中，并且由拉制棒带着籽晶作反方向旋转，慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出，熔化的多晶硅会粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不断地生长上去，最终形成硅晶棒。

3、晶圆成型

完成了上述两道工艺，硅晶棒再经过切段，滚磨，切片，倒角，抛光，激光刻，包装后，即成为集成电路工厂的基本原料–硅晶圆片，这就是“晶圆”。

晶圆制造到底难在哪?

晶圆的制造难度在于提纯，半导体晶圆是单质硅，要求其纯度达到99.999999999%，而普通的碳反应只能得到纯度为98%的纯硅，如果使用这种纯度的硅，那么制造的芯片是无法应用于芯片的，必须进一步提纯。

将粉碎的冶金级硅与气态的氯化氢反应，生成液态的硅烷，然后通过蒸馏和化学还原工艺，得到了高纯度的多晶硅。

芯片制造

芯片制造是一个极其负责的过程，具体如下

1、清洗硅片

为了保证硅硅片清洁无污染、无针孔、缺陷，且利于光刻胶粘附，必须清洗硅片。

这个清洗不是用水来清洗，而是采用电镀和去离子液来清洗。步骤如下

使用强氧化剂使“电镀”附着到硅表面的金属离子、氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片表面。

用无害的小直径强正离子(如H+)来替代吸附在硅片表面的金属离子，使之溶解于清洗液中。

用大量去离子水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。

2、预烘和底胶涂覆

由于光刻胶中含有溶剂，所以对于涂好光刻胶的硅片需要在80度左右的。硅片脱水烘焙能去除硅片表面的潮气、增强光刻胶与表面的黏附性、通常大约100°C。这是与底胶涂覆合并进行的。

底胶涂覆的目的是增强光刻胶和晶圆表面的黏附性。

3、光刻胶涂覆与烘干

光刻胶微电子技术中微细图形加工的关键材料之一是一种有机化合物，它被紫外光曝光后，在显影溶液中的溶解度会发生变化。硅片制造中所用的光刻胶以液态涂在硅片表面，而后被干燥成胶膜。

步骤如下

硅晶片在1000摄氏度条件下进行湿氧化；

涂胶机进行涂胶，并确保涂抹质量；

软烘干操作，也叫前烘，目的是蒸发光刻胶中的溶剂溶剂、能使涂覆的光刻胶更薄。

在光刻胶涂覆过程中要注意滴胶速度、滴胶量、转速、环境温度和湿度等，光刻胶烘干后也会比之前更薄。

4、对准

对准是曝光前的一项非常重要的操作，对精度要求极高，一般要求对准精度为最细线宽尺寸的1/7—1/10。随着光刻分辨力地提高精度要求也越来越高。例如5am线宽尺寸要求对准精度在1am左右

对准方法包括波带片对准方式、干涉强度对准、激光外差干涉、莫尔条纹对准。

5、曝光

使用特殊的光线对掩模与待加工基片的光刻胶层进行选择性的照射。光刻胶中的感光剂会发生光化学反应，从而使感光区域和非感光区的化学成分发生化学反应变化。

在接受光照后，正性光刻胶中的感光剂DQ会发生光化学反应，变为乙烯酮，并进一步水解为茚并羧酸(Indene-Carboxylic-Acid,CA)，这样就完成了掩膜图形的转移。

曝光方法:接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光、步进式曝光。

6、显影

曝光结束后加入显影液，正光刻胶的感光区、负光刻胶的非感光区，会溶解于显影液中。这一步完成后，光刻胶层中的图形就可以显现出来了。

显影工序使将在曝光过程中形成的隐性图形成为光刻胶在与不在的显性图形，以作为下一步加工的膜版。

现在有两种显影方法一是湿显影，另一种是干显影。

7、刻蚀或离子注入

刻蚀是一种光刻腐蚀，通过溶液和反应离子的化学材料选择性地移除沉积层特定部分的工艺。

刻蚀对于器件的电学性能十分重要。如果刻蚀过程中出现失误，将造成难以恢复的硅片报废，必须进行严格的工艺流程控制。半导体器件的每一层都会经历多个刻蚀步骤。

光刻对材料平整度要求高，速度快；

电子束对平整度要求低，速度慢，成本高。

八、光刻胶的去除

以上工艺全部结束后，要把光刻胶去除，采用等离子、特殊溶剂、等方法。

主要分为湿法去胶、有机溶剂去胶、无机溶剂、干法去胶

制作芯片对精密度要求是非常高的，就像在一颗大米粒上雕刻一张清明上河图，而且这颗大米还是一直在移动，而且要求机械动作误差为皮秒（百万分之一秒），这种挑战物理极限的工艺其难度是可想而知的。

封装测试

封装安装半导体集成电路芯片用的外壳，起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁–芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用

一颗芯片在制造完成后，是非常小而且很薄，如果不小心刮伤损坏，那千辛万苦的劳动成果就没有了，，因为芯片的尺寸微小，如果不用一个较大尺寸的外壳，将不易以人工安置在电路板上。

目前常见的封装有两种DIP封装、BGA封装

DIP封装

DIP封装即双排直立式封装，采用此封装的IC芯片在双排脚下，看起来会像条黑色蜈蚣，让人印象深刻，此封装法为最早采用的IC封装技术。

优点成本低廉、适合小型且不需要接太多线的芯片。

缺点散热效果较差，无法满足现行高速芯片的要求。

BGA封装

以金线将芯片接到金属接脚，

优点体积小、容纳更多的接脚；

缺点工艺复杂、成本较高。

核心设备光刻机

芯片制造需要一款精密设备—光刻机

EUV光刻机制造难度极高，基本代表人类科学技术、工业制造的最高成果。其中难度最大的是镜头和光源。

光刻机的镜头采用蔡司技术，蔡司是德国历史悠久的光学仪器厂商，其产品向来是“高贵”的代名词。同样的一个镜片，不同工人打磨，光洁度相差十倍。镜片材质均匀，更需要几十年甚至上百年的技术沉淀。

光刻机的光源使用波长极短的极紫外光，该技术是使用激光产生等离子源产生13nm的紫外波长。这种光源工作在真空环境下，产生紫外波长，然后由光学聚焦形成光束，光束经由用于扫描图形的反射掩膜版反射，由于极紫外光的固有特性，产生极紫外光的方式十分低效。能源转换效率只有0.02%左右。

而光刻机要多的事情，要比在一粒米上雕刻清明上河图还要难，机械动作误差为皮秒（百万分之一秒），而且要在恒温、恒湿、真空中操作，这些基本都是挑战人类极限的工作。

问答

芯片制造的难度就在于不断地挑战物理极限，不断提高精确度。

芯片制造需要上百种设备，而其中最关键的一种就是光刻机，已经是工业制造的极限了，需要全世界共同努力才能完成。

芯片制造需要在光学、精密仪器、电子、电气、机械、软件等多个行业达到世界顶峰，然后组合起来，才有可能完成的工作，绝对称得上是人类的额极限工作。

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