光刻机制作芯片过程（光刻机如何制作出芯片）

芯片是如何制造出来的

芯片是什么？

芯片，也叫微芯片，由一小块平坦晶圆上的电子电路构成。晶体管是芯片上的微型开关，可以控制电流的打开和关闭。在晶圆上通过添加和去除材料形成多层互连的格栅结构，从而构成无数的微型电流开关。

晶圆由硅制成，与那些可直接传导电流的金属不同，硅是一种半导体，通常需要在其中掺杂一些元素（如硼B，磷P）才能实现电流的传导，这也为控制电流的开关提供了一种途径。硅是地壳中含量第二丰富的元素，仅次于氧元素，在自然界中通常以二氧化硅的形式存在，也就是我们常见的砂子。晶圆便是由主要物质成分为二氧化硅的硅砂制成，首先将硅砂熔融成大晶柱，叫做硅晶柱，再将其切割成薄片，便成为晶圆。

芯片上的元件是以纳米为单位度量的，1纳米是十亿分之一米。作为比较，人类头发的直径大概为100微米，也就是一万分之一米，而一个病毒的直径大约为14纳米。透过最先进的光刻机，目前最先进芯片上的最小元件可以加工到5纳米以下。芯片上元件的尺寸越小，便能装更多的晶体管，芯片的功能也就越强大。

芯片的进步，使得计算能力和存储空间得到大幅度的提升，也推动了高科技的发展。未来的虚拟现实技术，人工智能技术和深度学习技术都会产生大量的数据，而要处理这些数据，离不开具有超高性能的芯片。

那么，芯片是如何制造出来的呢？

芯片的制造过程大致可分为以下十步：

1.沉积：将材料薄膜沉积在晶圆上，材料可以是导体、半导体和绝缘体

2.光刻胶涂覆：在材料薄膜上涂上一层光敏材料，光刻胶或者光阻，之后再放入光刻机

3.曝光：在光刻机中，光束透过掩模板聚焦在光刻胶上，将掩模板上的图案转移到光刻胶上

4.计算光刻：通过算法优化掩模板，减小其受光刻胶化学变化的影响

5.烘烤和显影：去除多余的光刻胶

6.刻蚀：去除多余的空白部分

7.计量和检验：时刻检测晶圆的数据并反馈给光刻系统

8.离子注入：在去除光刻胶之前注入离子调整部分晶圆的半导体特性

9.重复制程：根据所需要的层数重复光刻

10.封装芯片：切割晶圆，形成单个芯片并封装

芯片制造所需要的外部条件有哪些？

不同种类的光刻机和超净间。芯片就像是迷你的摩天大楼，它的结构可达到100多层，层与层之间以纳米精度相互交叠，这种精度也称为“套刻精度”。由于层与层之间的图案不同，便需要不同类型的光刻机来加工。ASML的深紫外线光刻机有几个不同的种类，适用于关键性的小图案和普通型的大图案。无论多小的灰尘，一旦落在晶圆上便会对晶圆造成很严重的损伤。所以芯片的制造需要在干净的环境中进行。世界上多数厂商所使用的超净间为“ISO 1级”，即空气中每立方米颗粒直径在100到200微米之间的颗粒数不超过10个，没有直径大于200微米的颗粒，而相对比之下，干净的医院里每立方米空气中有10000颗粉尘，可见，日常的环境的洁净度远远达不到超净间的标准。超净间中的空气会不断的循环和过滤，工作人员也需要穿着特殊的工作服维持超净间的洁净。

芯片的制造模式有哪些？

芯片的制造模式可分为三类：一类IDMs是设计并加工芯片，另一类Foundries是依据代工合同为其他公司加工芯片，有些公司例如高通、英伟达和超微半导体，只从事芯片的设计而不进行加工，以期节约运营成本。

芯片如何从设计走向量产？

从芯片的设计到量产总共要走过四个阶段，分别是设计阶段、开发阶段、试产阶段和量产阶段。

设计阶段：在此阶段，客户给厂商提供芯片电路，厂商根据客户的实际需求设计和优化掩模板

开发阶段：在确定了掩模板后，厂商需要在少量晶圆和光刻机上试验光刻，确保设计好的掩模板可以

被转移到光刻胶上，这也是此阶段的难点。

试产阶段：开发阶段确定好的加工设置叫做工艺窗口，在试产阶段需要做的便是扩大这个工艺窗口，

因为每加入一台光刻机便会多一个变量，例如光波长、加工精度等，为了能让更多的光刻

机协同工作，需要尝试将工艺窗口扩大，以容纳更多种设置。（可以简单理解为容错性）

量产阶段：在此阶段，厂商需要起到一定的监测作用，确保光刻机能够以最大的优良率不间断的生产

芯片。

芯片是如何制造的

芯片是怎么制作出来的如下：

一、芯片设计。

芯片属于体积小，但高精密度极大的产品。想要制作芯片，设计是第一环节。设计需要借助EDA工具和一些IP核，最终制成加工所需要的芯片设计蓝图。

二、沙硅分离。

所有的半导体工艺都是从一粒沙子开始的。因为沙子中蕴含的硅是生产芯片“地基”硅晶圆所需要的原材料。所以我们第一步，就是要将沙子中的硅分离出来。

三、硅提纯。

在将硅分离出来后，其余的材料废弃不用。将硅经过多个步骤提纯，已达到符合半导体制造的质量，这就是所谓的电子级硅。

四、将硅铸锭。

提纯之后，要将硅铸成硅锭。一个被铸成锭后的电子级硅的单晶体，重量大约为1千克，硅的纯度达到了99.9999%。

五、晶圆加工。硅锭铸好后，要将整个硅锭切成一片一片的圆盘，也就是我们俗称的晶圆，它是非常薄的。随后，晶圆就要进行抛光，直至完美，表面如镜面一样光滑。硅晶圆的直径常见的有8英寸（2mm）和12英寸（3mm），直径越大，最终单个芯片成本越低，但加工难度越高。

六、光刻。首先在晶圆上敷涂上三层材料。第一层是氧化硅，第二层是氮化硅，最后一层是光刻胶。再将设计完成的包含数十亿个电路元件的芯片蓝图制作成掩膜，掩膜可以理解为一种特殊的投影底片，包含了芯片设计蓝图，下一步就是将蓝图转印到晶圆上。这一步对光刻机有着极高的要求。紫外线会透过掩膜照射到硅晶圆上的光刻胶上，光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩膜上的一致。用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。蚀刻完成后，清除全部光刻胶，露出一个个凹槽。

七、蚀刻与离子注入。首先要腐蚀掉暴露在光刻胶外的氧化硅和氮化硅，并沉淀一层二氧化硅，使晶体管之间绝缘，然后利用蚀刻技术使最底层的硅暴露出来。然后把硼或磷注入到硅结构中，接着填充铜，以便和其他晶体管互连，然后可以在上面再涂一层胶，再做一层结构。一般一个芯片包含几十层结构，就像密集交织的高速公路。

经过上述流程，我们就得到了布满芯片的硅晶圆。之后用精细的切割器将芯片从晶圆上切下来，焊接到基片上，装壳密封。之后经过最后的测试环节，一块块芯片就做好了。

芯片到底是如何被制造出来的？

一枚小小的芯片中却拥有20亿个晶体管结构，内部就像是放大了的超级城市一般，其复杂程度难以想象。这样精巧的结构设计是如何被制造出来的呢？

芯片制造最基础的材料竟然是我们常见到的砂子，它的主要成份是二氧化硅，在极高的温度下的还原反应从氧化物之中提炼出高纯度的硅晶体，再制作成硅锭，继而把硅锭切成薄如蝉翼的圆形硅片，被称之为硅晶圆。

首先要对硅晶圆进行光刻，然后在上面涂抹上一层特殊的胶水，再把设计好的拥有几十亿个电路元件的芯片图纸制作成掩模版，所谓掩模版就是一种特殊投影成像的底片，这当中有芯片设计之初的图纸，下面就要将其印制到硅晶圆上了。性能越强劲的芯片需要在越小的晶片上放置更多的电子元件，这也对投射的分辨率有更高的要求，这就如同要刻画出更精密的图纸就要拥有更加小的一支笔才能完成这项任务，投影光源的波长越短，它投射出的画面精细度就越高，这就要求光刻机的光源波长要越短。从紫外线到深紫外线，再到极紫外线，当前只有最先进的极紫外线光刻机才能制造出7纳米和5纳米的芯片。

利用极紫外光将芯片设计图纸投影到硅晶圆的光刻胶模上，此时会发生光化学反应，凡被光所照射的地方便可溶于水，再通过显影清洗后，就形成了光刻电路纹理，在用特制的化学药水进行蚀刻，从而得到各种纵横交织的电路凹槽，再将其中注入相应的杂质粒子，在高温条件下扩散，直到导电性能满足设计的需求，再把之前的一系列流程重复几十次，让晶片具有更复杂的三维构造，最后再通过金属镀膜技术将各层之间的元件相互联通。

整个芯片制造的过程要用到大量精细的光学技术，材料技术和精密的加工技术，其中任何一项技术都是缺一不可的。这里极高精度的光刻机是整个芯片生产过程中的重中之重。当前世界上最为先进的极紫外光刻机为荷兰的ASML公司所制造，拥有超大功率的激光器所发射的脉冲激光可产生极端波长的紫外线，脉冲激光击中极小的液态锡时，瞬间可以将其变成高温等离子电浆，此时可激发出光刻机所需要的极紫外光，再经过一些列的反射镜面送入光刻机的投影镜头，对硅晶圆进行光刻。

光刻机重达200吨，是目前世界上最精密的机器之一，单台售价就高达1.5亿美元。曾今中国的某公司就向荷兰ASML公司预定了一台极紫外光刻机，但至今也没有成功交付，这其中包括需要通过美国授权的专利技术，光刻机的激光光源系统就是其中之一。

芯片制造业属于资本密集形和高度技术密集形产业，且研发周期漫长，在这条道路上我们还需要不断的 探索 ，但总有一天我们会成功的。华为总裁任正非曾说：“我们的芯片要赶超苹果公司的还需要至少50年的时间。”在面对日新月异的 科技 发展与技术封锁面前，我们无所畏惧，勇往直前！