来源：Me工程师
在上一篇文章中，我们探寻了芯片的本质及发展历程，知道了仅仅有半导体元器件还不够，必须得是集成电路才能满足生产实践的需求。罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）说起他发明集成电路技术的初衷，就是觉得手工把晶体管这种元器件一个个的焊到一起实在太麻烦了。要知道，当时他焊的电路也就几百个元件。现在的电路动不动可就是几亿、几十亿个器件，除了集成电路的形式，还真就没别的好办法。有了集成电路之后，我们就可以把电子设备做得非常小，还能通过技术升级不断做得更小。如今，电路开关的尺寸已经是纳米级别了，也就是说，在一块一厘米见方的芯片里集成了100多亿个晶体管，其复杂程度远远超出我们的想象。下面这个视频采用动画效果展示了某公司22纳米芯片的制造工艺。（22纳米芯片制造工艺）一粒沙子是如何变为芯片的？视频中的操作仅是 “点石成金”的部分环节，真实的工艺流程往往更加复杂。为了便于理解和记忆，我们可以将生产芯片的整个过程概括为3个阶段——设计、加工和封测。
想盖一座大楼，首先得有设计图纸。不但要规划好整体布局、外部造型、内部布置和结构荷载等，还得考虑每个细微处的建筑细节。反复论证，没有问题了，才能交由工程队进行施工建设。同样，生产一款芯片也要先进行设计，明确芯片的用途、规格和性能表现，经过规格定义、系统级设计、前端设计和后端设计4步才能输出版图（如图1所示），再交给制造工厂按照图纸批量生产。
在上个世纪70年代初，芯片也就2000多个晶体管，版图都是工程师用彩色铅笔一根根线画出来的，没有使用计算机进行辅助设计。可今天的芯片动不动就有几十亿的晶体管，加上错综复杂的连接线路，根本不是手工能够完成的。每一个步骤都要用专门的软件进行处理，这个软件就是EDA（Electronic design automation，电子设计自动化）。EDA不仅可以简化绘图流程、自动布局布线和综合优化，还能通过仿真计算来检验设计的正确性。此外，EDA软件会提供一些研发门槛较高的功能模块，进一步提升工作效率。正因如此，有人将EDA称为“半导体产业皇冠上的明珠”、“芯片之母”。
使用EDA设计完版图后，就可以对照版图制作光罩（也称光掩模版、掩膜版）。在图1最右侧，可以看到版图中有蓝、红、绿、黄等不同颜色，每种颜色就对应着一张光罩。光罩制作成功则表明设计阶段结束，可以进行芯片加工了。图2展示的是前面视频中的一段工艺——如何用沙子制备晶圆裸片。看似不起眼的沙子富含二氧化硅，二氧化硅通过高温加热、纯化、过滤等工艺，可从中提取出单晶硅。然后，经特殊工艺铸造为纯度极高（99.9999％）的单晶硅锭，再根据用途将其切割成0.5mm~1.5mm厚度的薄片并抛光，即成为加工芯片的基本材料——硅晶圆片，简称“晶圆”（Wafer）。目前，主流的晶圆直径为12英寸（约300毫米）。尺寸越大，制造难度越高，上面最终能够加工出来的芯片也就越多。由于此时的晶圆上还没有集成电路，为了与后面的成品进行区分，一般称作“晶圆裸片”或“硅片”。
接下来要对晶圆裸片进行光刻，也就是把光罩上的版图信息“刻”到晶圆裸片上，形成电路。如图3所示，光刻的基本原理类似于给货车车身喷涂号码（或在路面喷涂交通标志图案）。人们使用一个镂空的号码牌作为模板，对着这个模板喷涂料。透过挖空的字母或数字部分，涂料会喷到车身上；而模板上没挖空的部分，自然就挡住了涂料。最终的效果就是，车牌号码被清晰地印到货车身上了。
这个挖空的号码牌就对应着设计阶段的成果——光罩，喷涂料的过程对应了刻蚀、掺杂、金属沉积等复杂的加工步骤。这些步骤交替进行，重复若干次，要在晶圆裸片上构建出几十层结构，如同在夯实的地基上盖一座摩天大楼一样。目前最先进的加工工艺，一共要用到80多张光罩，将近4000个步骤，每一步都要求非常高的准确度和稳定性，才能保证芯片的最终质量和产量。
介绍光刻工艺就不得不提到其核心设备——光刻机。由于制造和维护都需要非常高的技术储备，光刻机被称为世界上最精密的仪器。目前掌握光刻机制造技术的厂商只有寥寥几家，其中的王者就是荷兰的ASML，中文名为阿斯麦。其最高端的EUV（Extreme Ultra-violet，极紫外）光刻机每年产量只有2到3台，售价高达上亿美金。经过上述加工环节之后，一片晶圆上已经有几百颗芯片了，如图4所示。由于工艺步骤太多，精细程度要求太高，不可避免地存在一些瑕疵，这就需要进行晶圆测试。图5最左边展示的就是检测设备通过探针接触晶圆上的管脚，输入信号检测电路性能，进而将不合格的晶粒（芯片）标识出来。
接下来就是晶圆切片，即把整个晶圆切割成一块块的单个芯片。当然，在此过程中会丢弃那些标识有瑕疵的以及外观破损的个体。挑选出来的单芯片会被固定到相应的封装基板上，用超细金属丝连接单芯片上的接合焊盘和基板上的引脚，再注入塑封材料进行保护，就完成了芯片的封装。封装完毕，还要再进行一系列全面且复杂的测试，鉴别出每一块芯片的关键特性，比如稳定工作频率、功耗、发热情况等等，进而划分出不同的等级类型。之后，芯片成品就可以装箱发售，走进千家万户了。
最后，我们再以苹果手机的处理器为例，鸟瞰一下芯片的整个产业链：首先，在美国的加州完成设计；接着，在中国台湾的台积电进行加工；然后，运往马来西亚封装测试；芯片成品又被送到中国大陆的富士康工厂，和其它部件（显示屏、摄像头、电池等）组装到一起；最后，由中国深圳的物流公司发往世界各地。还要考虑到：芯片设计的底层架构是日本ARM公司的知识产权；台积电最为关键的生产设备——光刻机，要从荷兰的ASML采购；刻蚀机来自中国的中微半导体和美国的泛林；光刻胶和大量的化学试剂主要由日本和韩国的公司生产。这样看来，芯片产业算是全球化最为彻底的产业了。那么问题来了，既然这个产业已经如此全球化了，为什么美国还能卡我们的脖子呢？咱们下一篇文章再进行讨论。原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg5MzM1NjY2Mg==&mid=2247484387&idx=1&sn=83be8ebf7578c4b79f27db74e928b328&chksm=c0315cfaf746d5ec22662132fecf7947a91774f65b181ea140bcfdb41680dd4c179aee42dfc4&scene=21#wechat_redirect