制造芯片，为什么比造原子弹更难

祝越

早在1958年9月12日，世界上第一枚芯片就被制造了出来。制造者是美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比，那时他没有光刻机，甚至也没有用到硅片，而是在一块锗晶上做出了几个晶体管、电阻器和电容器，组成了一个移相振荡电路。

这枚芯片非常粗糙，它与我们的手机芯片有着天壤之别。但它已经传达了芯片的基本概念：半導体材料制成的集成电路。

“半导体材料”就是其中的锗，“集成电路”则意味着它将晶体管、电容器、电阻器等多个电子元器件集成在了同一块锗晶圆上，实现“单片集成”的想法。

这便是芯片的发明，也是最初的芯片制造过程。芯片的开端看起来很简单，但它已经为现代芯片制造将要面对的问题埋下了伏笔：如何将电路图“复刻”到半导体晶圆片上？如何实现各元件之间的互连与隔离？如何利用半导体材料的导电特性使其发挥功能？

所有的问题，构成了60多年来芯片制造翻越的一座座高山，而如今，人们正面临“先进制程”的新壁垒。

如何理解“先进制程”的壁垒？简单而言，如果把芯片比作一幢别墅，晶体管就相当于别墅里的家具。为了把更多的家具塞进别墅，人们把家具造得越来越小。1958年，基尔比可以用双手制造出这些家具，2023年，人类能够熟练运用光刻机制造3nm“大小”的家具。

挑战之下，制造技术的革新必须是链条式的。光刻机光源波长缩短到13.5nm，机器内部就要保证真空环境使光源不被吸收，用了几十年的透镜也得被替换成特制的反射镜，接收光源的光刻胶也必须提高灵敏度……光源所到之处，一切都随着它的变化而同步革新。

这样一场从头到脚的大换血耗费了17年与无法计量的金钱，但最先进的技术仍将在不久的未来到达极限。

科学家和工程师们脑海中创造性的思想火花还未停下，也不能停下。因为芯片错综复杂的电路设计中，凝聚的是设计者的创新梦想。抛开所有专业术语，芯片与建筑相似的另一点在于，它们都是设计者创意的物理实现。如果没有制造技术使其落地，所有的创意只能是一种空中楼阁。

制造一枚芯片的过程，不仅是一次接一次科技的飞跃，更是一场造梦与圆梦的旅程。

三个环节，上千道工艺

基尔比的集成电路以锗晶圆为“底座”，这是受限于当时晶体管研发成果的权宜之计，他原本的集成电路构想，就是和现代芯片的制造一样，将所有元件都集成在硅片上。

芯片的制造从硅开始，制造流程可以简单地划分为三个环节：晶圆制造、芯片制造和芯片的封装与测试。而实际的制造流程则要比“三个环节”繁复得多，例如最为困难的前道工艺芯片制造环节，就涉及光刻、刻蚀、掺杂、沉积、抛光、清洗等多个步骤，缺一不可，且其中有些步骤需要反复操作上百次。

但不论有多少工序，最终的目的都是一个，把硅片变成芯片，在半导体材料上实现芯片的功能。芯片的功能与基本运作原理，是串联起这上千道工序的逻辑线索。

所以，我们首先不得不问，芯片要实现什么功能？

作为一块集成电路，芯片中的核心元件是晶体管。而晶体管和它的“前辈”真空管一样，都是一种电子开关，这意味着它们都能在内部控制单向电流，并实现电信号的开关、整流和放大。

在晶圆上盖房子，得先将设计图纸印在其表面。这一过程更像是在微观世界里摄影，而相机是一台价值数亿美元的光刻机。

半导体材料独特的导电性能，使其有了成为“开关”的条件。之所以称之为“半导体”，是由于其导电能力既远远小于铜线等导体，又远远大于绝缘体。天生我材必有用，电子开关仿佛是半导体的本职。20世纪40年代以来，随着真空管发热严重、故障频发、体积过大等问题的出现，科学家们亟需找到一种更小巧、快速且稳定的替代品，由半导体制成的晶体管便应运而生。

硅是目前芯片制造中最常用的基底材料。事实上，纯净的硅是电中性的，但若是在硅中掺杂杂质，就能改变其导电性能。

发现硅的这种特殊性能，是一次极其幸运的偶然。1940年，美国贝尔实验室的研究人员沃尔特·布拉顿与拉塞·奥尔发现，用手电筒照射一根硅棒时，其内部产生了单向电流。这是人们首次在半导体内部发现单向电流。

电流的出现源于硅的不纯净。布拉顿发现，硅棒的一侧混入了带正电荷的杂质，形成P（Positive）型硅，另一侧混入了带负电荷的杂质，形成N（Negative）型硅，而硅棒的两者交界处，形成了PN结。光照的能量打开了能量的“闸门”，使交界处的电子从能量高的一侧流向另一侧，单向电流得以产生。

因此，如果在PN结插入电极控制“闸门”，就能实现信号的开关与放大。硅与杂质恰到好处的掺杂，也成为制作硅晶体管的重要环节之一。

那么，硅从哪儿来？英特尔公司的芯片制造宣传片如此回答：从沙子中来。硅元素广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中，构成地壳总质量的近四分之一。由于它储量丰富且易于获取，硅基半导体也自然成为了目前应用最广的半导体材料。

为了从沙子中提纯出硅，必须让它反复经过高温的洗礼，与焦炭、木炭、氯化氢气体等物质挨个亲密对话。沙子先分离出纯度98%-99%的工业硅，进一步提纯得到高纯多晶硅，然后从硅液中提拉出单晶硅棒。这是制作芯片“地基”的原材料。

既然是地基，平整度就相当重要。为此，从单晶硅棒到硅片，要承受多次抛光、打磨、化学溶液清洗。最终，从硅棒中切割出的硅晶圆片必须平整、光滑，没有工序中的杂质颗粒残留，才能为此后建造大厦打好基础。

在晶圆上盖房子，得先将设计图纸印在其表面。这一过程更像是在微观世界里摄影，而相机是一台价值数亿美元的光刻机。拍照需要借助光掩膜版，即一张刻有集成电路图的玻璃遮光板。

晶圆表面的显影要借助光刻胶，以正胶为例，光刻机发出紫外光透过光掩膜版照射到光刻胶表面时，没有与光接触的胶体仍然保持坚硬，被光照到的部分则会在后续的化学溶液中被侵蚀掉。通过光刻胶的一去一留，晶圆片上便印出了集成电路图案。

如果说光刻是将设计图纸印在地基上，刻蚀就是沿着已有图案进行雕刻。借助化学溶液或气体，晶圆表面没有光刻胶保护的部分被刻蚀出一道道沟渠。雕刻完成，光刻胶也被清洗掉，地基的结构便搭好了。

要让地基中的沟渠发挥其功能，掺杂工艺便登场了。通过在硅中掺杂杂质形成PN结，栅极才能真正发挥电子开关的作用。掺杂工序有扩散和离子注入两种工艺，目前，离子注入的方式因其准确性而得到更为广泛的使用。

掺杂完成后，还要通过“薄膜沉积”将晶圆片的各个元件互连或隔离。顾名思义，这项工艺能够在晶圆片表面沉积一层金属层，它们充当了过去电路中金属连线。同样，沉积的薄膜也可以是绝缘层，它们使不相干的元件互不打扰。

至此，芯片的大厦还仅仅只建好了一层。为了之后能够反复通过光刻、刻蚀、沉积继续搭建楼房，晶圆表面需要经过化学机械抛光。简单而言，就是同时借助化学溶液的侵蚀和物理机械的打磨，使晶圆进一步平坦化。

繁复的工艺结束后，制作完成的晶圆大厦要进行验收。在晶圆上的一枚枚芯片被切割下来之前，先要测试一遍参数。通过测试后，再将芯片切割、封装保护起来，并再次测试其性能是否正常运转。

经过反复的雕刻与打磨，最终测试通过后，一枚现代芯片才终于真正诞生。

“这么复杂的东西是怎么发明出来的？”在芯片制造过程的讲解视频评论区，有网友感到震撼与疑惑。如果不去回溯芯片的发展历史，确实很难想象如此复杂的工艺从何而来。

芯片并非一项一蹴而就的“发明”。若是从基尔比那块粗糙的单片集成电路开始梳理，就能更好地理解芯片制造技术是如何积累起来的。为了将元件互连线也集成到晶圆片内部，金属膜沉积的点子出现了；为了制造出极小而精巧的晶体管，光阻剂与光刻的灵感被捕捉到；而为了保证晶圆表明平坦，不受杂质干扰，科学家们又研发了多种物理和化学抛光研磨的工艺。

如今，芯片制造仍在朝着精细化的方向发展。也许这样去理解芯片制造才更准确：如今我们所看到的仍然是芯片制造技术发展的过程，而非单一发明的结果。

技术精细化，晶圆厂的权衡

精细是芯片制造技术发展的方向，也是芯片制造流程中最为突出的特点。对工艺的精密、精准、纯净的要求，贯穿了芯片制造全程。

晶圆厂或许是世界上对工作质量要求最为严苛的工厂。值得庆幸的是，其中的核心员工主要是各类加工仪器。

从这个意义上说，晶圆厂或许是世界上对工作质量要求最为严苛的工厂。值得庆幸的是，其中的核心员工主要是各类加工仪器。

芯片制造的精细首先体现在原材料的纯净度上。作为芯片基底材料的硅并非普通的硅，而是纯度达到99.9999999%-99.999999999%的高纯多晶硅。这9～11个9，标志着硅材料超越了制造光伏材料的太阳能多晶硅，迈上了“电子级多晶硅”的高度。

制造工艺中最常用的另一种材料—水，也同样高度纯净。在晶圆加工流程中，50%以上的工序需要晶圆与超纯水直接接触，80%以上的工序需要化学溶液处理，也间接与超纯水有关。半导体工艺中用到的超纯水剔除了电解质、溶解气体、微粒，几乎完全清除了氢和氧原子以外的所有杂质，已经是目前科技下能够量产出的最纯的水。

自然，芯片的制造环境同样要求绝对的洁净。晶圆厂制作车间被称为“净室”（clean room），要求达到国际洁净等级的最高等级ISO1级，即在一立方英寸的空间中，直径大于0.1微米的尘埃粒子不能超过10个，相当于在武汉东湖中投入10粒小石子。除了细菌、微粒之外，净室还要精密调控室内的温度、湿度、压强、微震动等指标，洁净程度能达到医院手术室的100000倍。

极度的纯净，都是为了保护脆弱的晶圆不受到杂质的损害。晶圆如同一个娇弱的公主，如果要与人们耳熟能详的豌豆公主对比，那让晶圆公主彻夜难眠的那颗豌豆，也得是微米甚至纳米级的。

对晶圆表面的“平坦化”也是精细加工的一环。不论是单晶硅棒上切割出的硅片还是制作过程中的晶圆，都需要不断地打磨、抛光。这与芯片制造的核心工序光刻有关，在光刻时，硅片就像一块投影幕布，如果幕布不够平坦，就会影响光刻图像的精度。因此，化学机械抛光工艺（CMP）至关重要，在先进制程的7nm工艺中，CMP步骤需要重复30次以上。

而在最关键的光刻步骤中，工艺的精密性集中体现在光刻机的分辨率上。将光刻工艺比作拍照，分辨率关系到的，就是光刻机单次曝光能够在光刻胶上刻出的最小尺寸。目前，随着光刻机发展进入EUV阶段，用上了波长只有13.5nm的极紫外光，极短的光波长使光刻分辨率进一步提高，以推进5nm及以下的芯片制程。

除此之外，光刻之后的刻蚀、掺杂等环节，同样要求极高的工艺精准度。以掺杂环节为例，其目的是通过在纯硅中掺杂氮、磷等物质使其形成PN结，可以通过热扩散和离子注入两种工艺实现。但相较而言，离子注入能够更为精准地将杂质离子轰击到晶体内部，它就像神枪手一般，必须精准地控制掺杂的剂量和深度。这既是离子注入相较于扩散工艺的优势，也是难点。

为何制造工艺需要达到如此精细的程度？除了芯片本身的脆弱之外，工艺的精细化发展与芯片制程的不断缩小紧密相关。

芯片的制程，或者称为技术节点，指的是芯片中晶体管的最小特征尺寸。20世纪70至90年代，技术节点对应的是晶体管的半节距，此后半导体厂商又用栅长来表示技术节点。不论定义如何，制程越小，晶体管越小，在芯片中的排列密度越大。随着芯片制程缩小，晶体管的尺寸从微米级别缩小到纳米级别，芯片中的晶体管数量也從几个增长到了上百亿个。

制程的缩小能带来切实的好处。晶体管数量的增加既有利于降低芯片的成本，也能够提高芯片的整体性能。

但随着芯片制程的不断缩小，行业内具有竞争力的晶圆制造厂也逐渐减少。虽然关于芯片制程的定义各有标准，但显而易见的是，在28nm制程位置，行业内还有台积电、格罗方德（Global Foundries）、联电、三星、中芯国际和华力微电子等7家公司彼此竞争。而到了10nm制程以下，场上的主要竞争者已经只剩下了英特尔、台积电和三星，台积电已经能够量产5nm制程芯片，而中芯国际仍在冲击7nm制程。

一般而言，行业内将28nm作为“成熟制程”与“先进制程”的分水岭。从28nm向10nm的前进之路，也越发艰难。

玩家的减少有客观的研发困难因素，同时也是一种主动选择。半导体晶圆厂如果要追逐更小制程带来的利益，就必须同时面对精细化工艺要求下的芯片良率压力。制程越小，需要的制造精度也越高。如果制造技术跟不上先进制程芯片的设计，导致芯片良率降低，则反而会推高加工成本，得不偿失。

是抢先开拓先进制程芯片的市场，同时承受技术研发的压力，还是守住已有技术，不断提升成熟制程良率，这是摆在半导体晶圆厂商面前的选择。

从28nm向10nm的前进之路，也越发艰难。玩家的减少有客观的研发困难因素，同时也是一种主动选择。

2018年，格罗方德和联华电子就宣布退出7nm制程工艺的研发。格罗方德强调先进制程工艺不是唯一的选择，公司目前已有的22nm FD-SOI工艺以及14/12nm FinFET工艺，依然有广阔的市场。

退出先进制程，是公司对研发成本与产品市场的平衡。芯片是一种商品，需要考虑市场的回报。格罗方德首席执行官Tom Caulfield提到，整个行业对14/16nm技术节点的需求是28nm的一半，而7nm的需求可能只有14/16nm的一半。“当我们展望2022年，代工市场将有三分之二的份额在12nm及以上节点，所以我们并不是在放弃大部分的市场。”

半导体晶圆厂的取舍与权衡，显示出了先进制程发展中芯片制造之难的另一侧面，即投入成本。这不单单指向金钱，更是研发时间与人力物力。

而此时此刻代工厂们的踌躇与考量，与1965年的戈登·摩尔的思考，都指向了同一个问题—芯片的成本，能降下来吗？

高昂的成本，不停的脚步

芯片的先进制程迭代，本质上是制造技术精细化的发展过程，而最初将这种精细化发展总結为规律的，就是美国工程师戈登·摩尔。

1965年的摩尔面临的是芯片的成本困境。当时新推出的“微逻辑”芯片受制于不成熟的工艺，导致大量芯片报废，高良率的难以实现使得芯片价格居高不下，难以触及大众市场。

与此同时，他也发现了解决芯片成本问题的可能性。当时，通过能够持续缩小尺寸的MOS晶体管和能一次性刻印众多晶体管的光刻技术，有望在未来实现芯片规模化生产，这使得芯片价格能够降至大众能够负担的水平。

著名的摩尔定律便由此诞生：芯片上的元件数量每两年翻一番，就能让芯片始终保持最低成本。这是摩尔依据此前几年芯片上的元件数量做出的总结与预测。

事实上，这只是在一篇题为《在集成电路中塞进更多的元件》的文章中，所做出的对未来的预测，并非客观的物理定律。但在此后的几十年里，半导体产业确实沿着摩尔定律预言的节奏稳步前进。

摩尔定律既像一根指挥棒，指引工程师们去找到那个成本最低点，又像是一种信念，每当技术发展遇到障碍，人们总能研发出新的工艺，以继续在摩尔定律的的节奏下前进。

而维持摩尔定律最大的难点，也是芯片制造流程中最为复杂和关键的环节，仍然是光刻。

光刻技术的重要性已经无需赘述，目前国内光刻机研发被“卡脖子”的状况，也使得光刻技术与设备受到人们的广泛关注。如果在网上搜索“光刻机”相关电子书，甚至能搜到不少围绕光刻机展开的网络爽文，爽文中“开局造出光刻机”的设定虽然不切实际，但其中也能窥见人们寄托的一丝向往。

前面已提到，光刻的精度与其分辨率直接相关，而分辨率则关系到光的波长。简单来说，随着晶体管尺寸缩小，精度要求提升，光的波长也需要不断缩小。

如何缩短光源波长，成为光刻技术发展的主要线索之一。

1952年，美国工程师杰伊·莱斯罗普用一台三目显微镜制成最原始的光刻机时，所使用的光源还是简易灯泡发出的可见光。20世纪60年代至80年代，光源从高压放电汞灯的436nm发展至365nm，直到2002年，光源已经发展至深紫外光（DUV）波段的248nm以及193nm。

2002年，人们对下一代光刻机的波长规划为157nm，但却遇到了问题，157nm的紫外光在空气中被氧分子吸收，无法有效地照射到晶圆上。

为了解决157nm的瓶颈，华裔工程师林本坚发明了“浸没式光刻”技术。“浸没”借助水的折射作用，在光刻机的镜头和晶圆片之间敷上一层薄薄的超纯水，使193nm的紫外光波长缩短至134nm，直接跳过了157nm的技术发展阶段。

目前，光刻机已经发展到第五代，采用极紫外光（EUV）光源，波长缩短至13.5nm。更短的波长为摩尔定律的推进带来了新的希望，同时也带来了新的困难。

光源的产生就是一件难事。要用激光产生EUV光源太难了，科学家们想出一种方法，将金属锡高温熔化，把极其细微的锡液滴喷洒在空腔内，先用一束低功率激光照射液滴将其压成“薄饼”形状，增大受光面积，再用高功率激光以每秒五万次的频闪照射这些液滴，并将其转变为类似太阳中的等离子体。通过这种复杂的方式，才能激发出13.5nm的EUV光源，同时还保证输出光源功率达到制造芯片所需的强度。

产生光源只是“万事开头难”的第一步。要真正用上EUV光刻机，设备内部涉及的所有关键部件，例如镜片、发射激光的激光器等等，都需要同步配套研发。

摩尔定律的失效—当晶体管尺寸缩小到一定程度时，“量子隧穿”效应将变得非常显著。

一枚反射镜就会成为大难题。13.5nm的EUV光波长太短，接近X射线，因此更倾向于被物质吸收而不是反射。针对这一问题，德国的先进光学系统公司蔡司开发了一种纳米级精度的镜子，它的表层是硅和钼交错的几纳米薄层，借助两种材料的折射率差异以实现反射。不仅如此，它在平滑度上也达到了历史新高，假如将其放大至德国的领土面积，最大的凹凸不平处仅为0.1毫米。

可见，要提高芯片制造的精度，并非简单的“缩短光波长”可以概括。技术的进步牵一发而动全身，这也骤然拉高了光刻机的研发难度与成本。EUV光刻机拥有数十万个部件，花费了数百亿美元和几十年的时间不开发和改进。为了保证关键部件的供应，EUV光刻机公司阿斯麦尔仅2016年就向蔡司支付了10亿美元用于研发。

不只是光刻机，越发精细化的制造工艺中，刻蚀机、离子注入机等设备都成为了众人仰望的“高岭之花”。研发的艰难与成本的高昂，成为了横亘在芯片制造入局者面前的两座高山。

芯片先进制程发展至今，我们仿佛又回到了成本困境的原点。但事实上并非如此，因为如今的半导体行业所面对的，不只是成本与市场的矛盾，更是摩尔定律的失效—当晶体管尺寸缩小到一定程度时，“量子隧穿”效应将变得非常显著。简单来说，就是大量电荷会穿透绝缘层泄露，使晶体管无法正常开关，那么它也无法再行使“电子开关”的本职。

新的极限即将到来，芯片制造又将走向何方？

展望未来之前，我们还得再次回到摩尔定律开始的原点。性价比的提升，一直以来被视作摩尔定律的核心意义。然而摩尔对芯片的未来做出如此预测，远不止是出于降低芯片成本的考虑。

重要的是我们为什么需要芯片。摩尔在那篇文章中如此写道：“集成电路将为我们带来各种奇迹：家用电脑、自动驾驶汽车、个人移动通信设备，以及带有显示屏的手表……”

如今，我们已经可以期待更多。人工智能、虚拟现实、脑机接口……它们都依赖于更强的算力，也就依赖于更为精细的芯片的实现。

而这些实现最终需要的东西，仍然与1965年相同，不是成本计算与商业运营，而是我们对世界的想象。