纳米尺度的艺术-芯片制造

                芯片，又称微电路，微芯片，集成电路，是指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。作为现代社会数字生活运转的引擎，上到飞机火箭高铁等先进科技，下到日常使用的手机电脑，其使用运转都离不开芯片。那么，如此重要的芯片是怎么被制造出来的。
       芯片所使用的基材是单晶硅，其最基础的结构是晶体管，现代芯片里的晶体管一般为鳍式场效应晶体管，由不同的半导体，绝缘体和金属导体堆叠而成。而在这些晶体管上方还排布着一层又一层的金属导线组成的电路结构。通过这些电路结构和数量巨大的晶体管的组合来实现极其复杂的计算。
        
       芯片制造的第一步是硅晶圆的制造，其基本可分为三个步骤：硅的初步纯化—多晶硅的制造—硅晶圆的制造。在经过还原，提纯，结晶后可以将原材料中的二氧化硅变为单晶硅，单晶硅形成硅锭。形成硅锭之后就是晶圆的制造，将硅锭经由切割，抛光得到厚度不足一毫米厚的晶圆，之后在圆晶表面涂上光阻薄膜以提升圆晶的抗氧化及耐温能力。现有技术能造出的尺寸最大的晶圆直径为30厘米，大约能制造出700块的芯片。至此芯片制造的第一步才算完成。
        
       造出晶圆之后就是难度更大工序更复杂的晶体管加工了。首先需要在晶圆表面沉积一层二氧化硅，之后就是光刻，将光刻胶均匀的涂抹在晶圆上，上方射下紫外线，经过一层光罩让光线按照设计好的图案通过，被光线照射到的部分就会发生化学反应被溶解冲走以此来定义下方的图形。
       光刻后就是蚀刻，利用等离子体的轰击和气体的化学反应将未被光刻胶覆盖的氧化层和下方的硅一起蚀刻掉，而剩下的未被蚀刻掉的凸起结构就是鳍式场效应晶体管的鳍。
       经过历时三四个月的不断组合重复沉积，光刻，蚀刻等数百道工序就可以做出数量巨大的晶体管和上方的电路。
        
       芯片的性能很大程度上是由晶体管的数量决定的，这就意味着晶体管必须做的足够小，而用于绘制电路轮廓的光刻工序基本上决定了最后的晶体管的大小。目前主流的光刻机能利用波长在193nm的紫外光在晶圆表面清晰成像的最小尺寸为38nm，但是在经过多重曝光如SADP自对准双重成像技术，SAQP自对准四重成像技术的技术加持下，像手机使用的7nm制程的芯片，在每平方毫米上就可以做出大约1亿个晶体管。需要注意的是，并不是所有芯片的晶体管都是需要做的这么小，在手机电脑上使用的芯片由于大小和设备的功率限制 ，需要在有限的空间上做出足够多的晶体管以保证芯片的性能，而在其他设备上则没有这个限制所以更多使用的是十几二十几纳米制程的芯片。
        
       在芯片做出来后就要对其进行晶圆测试。在经过前面的工序之后，晶圆上会形成一个个格状的晶粒，通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测，由于每个芯片拥有的晶粒数量是非常庞大的，完成一次针测是一个复杂且耗时的过程。
        
       最后一步就是封装。将制造完成的晶圆固定，绑定引脚，根据用户的应用习惯，应用环境，市场形式等因素采用不同的封装形式进行封装。至此，一颗芯片从原材到成品的过程就走完了。