今天我們講講芯片的流片制造那些事兒。這個(gè)流程的輸入是設(shè)計(jì)的版圖文件，輸出是做好的芯片晶圓。

這是芯片的第四個(gè)流程。這塊兒，我國(guó)65nm這個(gè)量級(jí)的做的還可以，14nm應(yīng)該SMIC也湊活，先進(jìn)制程7乃至5nm的商業(yè)化基本是空白。屬于真正被大洋彼岸卡脖子的部分。這篇文章科普一下整個(gè)制造流程。技術(shù)部分應(yīng)該比較少，所以我們講點(diǎn)兒故事。管中窺豹，我們的故事不妨從臺(tái)積電展開。

二、臺(tái)積電的過(guò)往

我們說(shuō)芯片代工廠，你第一個(gè)想到的是什么？我想做芯片的大部分人可能脫口而出就一個(gè)——臺(tái)積電（TSMC），全稱是某省積體電路制造股份有限公司。積體電路就是集成電路的一種叫法，類似于把菠蘿叫鳳梨。中國(guó)人似乎講究周期。臺(tái)積電基本上恰好10年一個(gè)周期。

臺(tái)積電的第一個(gè)十年——蹣跚起步

85年，德州儀器的一個(gè)哥們回島了。他屬于最早進(jìn)入這個(gè)鄰域的一批人，在德州儀器屬于三號(hào)人物。在島內(nèi)混了幾年，1987年，55歲的他決定搞個(gè)廠糊口（同年，深圳一個(gè)43歲的哥們也準(zhǔn)備搞個(gè)廠糊口，你應(yīng)當(dāng)聽說(shuō)過(guò)）。這家廠子一開始就給自己定位成代工廠，不做設(shè)計(jì)，只負(fù)責(zé)制造。和大部分創(chuàng)業(yè)公司一樣，臺(tái)積電的前三年也經(jīng)歷了好多廟小妖風(fēng)大的挫折，不過(guò)好歹，張忠謀在美帝有些人脈，1990年，英特爾CEO正想著怎么把公司中心從存儲(chǔ)轉(zhuǎn)到CPU上，經(jīng)過(guò)張忠謀這么一忽悠，單子可不就來(lái)了么。英特爾老大哥幫臺(tái)積電實(shí)現(xiàn)了第一次飛躍。

? 臺(tái)積電的第二個(gè)十年——發(fā)展壯大

轉(zhuǎn)眼，1997年，臺(tái)積電已經(jīng)成立10年了。一家公司，要是能活10年，確實(shí)有點(diǎn)東西的，遭到山寨也在所難免。這個(gè)時(shí)候另一個(gè)德州儀器的哥們叫張汝京的，回島山寨了一個(gè)臺(tái)積電出來(lái)，叫世大半導(dǎo)體。三年達(dá)到臺(tái)積電30%產(chǎn)能。臺(tái)積電一氣之下就發(fā)動(dòng)鈔能力說(shuō)動(dòng)世大的股東把世大給買了。張汝京跑路到上海，建了另一個(gè)廠，叫SMIC，這是后話。這個(gè)階段臺(tái)積電過(guò)的有滋有味，不過(guò)和英特爾比它始終是個(gè)弟弟。全球最好的制程都在英特爾手中。

? 臺(tái)積電的第三個(gè)十年——走向風(fēng)口

日月如梭，2007年，一個(gè)穿著黑T恤和牛仔褲的哥們從褲兜里掏出一個(gè)手機(jī)。消費(fèi)電子的時(shí)代到來(lái)了。臺(tái)積電趕上了手機(jī)這波熱潮。手機(jī)講究一代手機(jī)，一代芯片。制程跟不上哪行，至此除了三星和英特人，其他家都選擇了臺(tái)積電的代工廠模式。2014年，張忠謀搞個(gè)了夜鶯計(jì)劃，從此，代工廠三班倒的時(shí)代到來(lái)了。這個(gè)時(shí)候英特爾不再那么遙遠(yuǎn)，慢慢超越了。

臺(tái)積電的第四個(gè)十年——對(duì)抗 or 合作？

? 2017年，一個(gè)叫梁孟松的人回國(guó)加入了SMIC，隱約記得一個(gè)以前在中芯國(guó)際的哥們說(shuō)，當(dāng)年中芯國(guó)際為了請(qǐng)他來(lái)，把一層樓給他做辦公室。他是臺(tái)積電元老，09年離開臺(tái)積電。去了三星，然后三星就越來(lái)越長(zhǎng)的像臺(tái)積電，在14nm工藝上甚至擺了TSMC一道。臺(tái)積電一紙?jiān)V狀讓梁孟松離開了三星，結(jié)果2017年，他到了SMIC。雖然2020年蔣尚義歸來(lái)，梁準(zhǔn)備離開，但反映出的一個(gè)趨勢(shì)值得我們注意。大陸不愿意在這個(gè)事兒上被卡脖子了。有人這么說(shuō)過(guò)，中國(guó)其實(shí)是一個(gè)偽裝成國(guó)家的文明，除非你有本事直接卡斷脖子，否則非常容易集中力量辦大事，給你甩出一個(gè)京東方出來(lái)。臺(tái)積電后續(xù)怎么發(fā)展，我們拭目以待2027年。

二、芯片的制造流程

我們扯了一堆臺(tái)積電，那么臺(tái)積電到底怎么用沙子把版圖造成芯片的？這個(gè)流程的圖我是從intel 《From Sand to Silicon》這篇文章里貼的。

step1, ?挖沙子，然后做成硅錠

其中，硅要足夠的純，要9個(gè)9,99.9999999%純度。我們?yōu)槭裁匆肧I做芯片？也簡(jiǎn)單，硅是半導(dǎo)體，能做開關(guān)，世界上沙子也多，還容易提純，與是就決定是它了。

step2, ?硅錠切成硅片

將硅錠切成1mm左右一片片的wafer（晶圓）。晶圓尺寸有大有小，比如8inch, 12inch的晶圓，光刻的時(shí)候直接刻整個(gè)圓，然后切下來(lái)好多小芯片。

硅片切好以后，需要在上面氧化一層二氧化硅，用來(lái)做柵極。我們來(lái)看看下面的剖面圖，紅色的就是二氧化硅。

step3, ?光刻

這個(gè)步驟首先在硅片上抹上一層光刻膠，一般來(lái)講光一照，光刻膠就溶解（正膠）。然后用做好的掩模mask來(lái)照射wafer。

我們看上面這個(gè)剖面圖，黃色的就是我們加入的光刻膠。黑色是我們根據(jù)版圖制作出來(lái)的模板。然后用UV光去照，把光刻膠鏤空。

step4, ?刻蝕與粒子注入

這個(gè)步驟，我們用藥水把oxide刻蝕了，然后把光刻膠洗掉，最后注入離子。

我們看剖面圖。f就是刻好的oxide. 然后在洞里注入離子，形成源極和漏極。至此我們的晶體管就造好了。

此處要插播一個(gè)小知識(shí)。我們平時(shí)說(shuō)的工藝制程，比如28nm, 14nm指的是晶體管柵極寬度，也就是導(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度，不是指的線寬，最小線寬一般比制程要粗了現(xiàn)在。我在圖上標(biāo)注了65nm指的是什么。

在GDS版圖上是這個(gè)距離，下面畫了個(gè)非門的版圖。

step5 金屬線制作

這個(gè)步驟主要是上硅片上連上金屬線。這個(gè)過(guò)程我們依舊看下面的剖面圖比較清楚。

看b圖，首先在上面電鍍一層金屬，c圖用光刻膠和掩膜版再刻蝕一遍得到d圖，然后一層一層刻蝕疊加起來(lái)就行，層與層之間只有固定的通孔via用于連接。

step6 硅片測(cè)試與切片

接下來(lái)代工廠還要做幾個(gè)事兒。

第一件事兒是先檢查一下晶圓和芯片是不是好的。主要包含了兩個(gè)測(cè)試。

WAT （Wafer Acceptance Test）, 這個(gè)主要是測(cè)試一下晶圓的電學(xué)特性是不是正常的。WAT測(cè)試電路代工廠在流片的時(shí)候就直接加入到晶圓里了，主要包括了各種晶體管參數(shù)比如閾值電壓，漏電流，電阻，電容是不是正常的。WAT的測(cè)試向量是代工廠自己搞的。

CP(Chip Probing）測(cè)試。WAT測(cè)試沒(méi)問(wèn)題以后，接下來(lái)進(jìn)行CP測(cè)試，先用探針看看芯片是不是好的，有問(wèn)題的芯片直接扔掉，免得浪費(fèi)封裝成本。一般會(huì)用到前面講的DFT三把斧，sacn chain, JTAG, BIST。CP測(cè)試向量由設(shè)計(jì)商提供。如果CP不合格，直接標(biāo)記出來(lái)，扔掉。

CP測(cè)試完了以后，就把芯片按照劃片槽切成一個(gè)個(gè)小的芯片，裝盒。寄出來(lái)了。

三、總結(jié)

這篇文章我們一起回憶了一下臺(tái)積電的往事，同時(shí)對(duì)芯片在代工廠的流程做了大概的講解。實(shí)際上芯片的制作的工藝流程要復(fù)雜非常多，比如現(xiàn)在制程越來(lái)越小，光刻的時(shí)候量子隧穿效應(yīng)非常嚴(yán)重，做出來(lái)模板肯定不是你想想的鏤空的窗花，這里只是講了最重要最基礎(chǔ)的步驟。這篇文章的輸入是設(shè)計(jì)的GDS, 輸出是一個(gè)個(gè)芯片裸片。這些裸片沒(méi)辦法直接接到PCB上的，需要經(jīng)過(guò)后續(xù)的封裝和測(cè)試，才算是真正的芯片。

編輯：黃飛

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