经授权，转载自 ASML阿斯麦光刻 微信公众号 很难想象一个没有芯片的世界——从汽车到智能手机，从核磁共振扫描仪器到工业机器人和数据中心，芯片已经成为了我们工作、旅行、健身和娱乐中不可或缺的核心技术。 芯片无处不在。在每一次更新迭代中，芯片逐渐拥有更新的功能、更好的性能和更低的成本。这不仅催生了新的产品，也让许多行业实现了转型和升级。 芯片虽小，但对人类世界的影响却是巨大的。 什么是芯片 芯片(chip)也称为微芯片(microchip)、计算机芯片(computer chip)、集成电路(integrated circuit)或 IC，是在一小块平坦的晶圆上的一组电子电路。 在芯片上，晶体管作为微型电子开关，可以打开或关闭电流。无数的微小开关是在晶圆上通过添加和去除材料形成多层互连的格栅结构而产生的。  数字领域的黄金 硅是芯片行业的首选材料。与通常用于传导电流的金属不同，硅是一种 "半导体"，这意味着它的导电性能可以通过与其他材料（如磷或硼）混合来提高。这就使得打开或关闭电流成为可能。  好消息是，硅无处不在！硅由沙子制成，它是地球上仅次于氧气的第二大含量的元素。硅片是用一种叫硅砂的沙子制成的，硅砂则是由二氧化硅形成的。这种沙子被熔化并铸成一个大圆柱体，称为硅晶柱。然后再将硅晶柱切割成薄片，称为晶圆。 纳米级的精度 一个指甲大小的芯片包含了数十亿个晶体管，这样说来，你就很容易理解元件结构要有多细小。芯片的元件结构是以纳米为量测尺度的。一纳米是十亿分之一米，或百万分之一毫米。作为比较，一个人类红血球的直径是 7000 纳米，一般的病毒是 14 纳米。而透过 ASML 光刻机加工，目前最先进的芯片上的最小结构可以做到5纳米以下。  ASML 的光刻机所能创造微缩图像的尺寸越小，芯片制造商就能在芯片上安装更多的晶体管，芯片的功能也就越强大。 小知识：芯片的“口味” 微芯片主要有两种类型：逻辑芯片和存储芯片。 什么是逻辑芯片？ 逻辑芯片是电子设备的“大脑”——它们通过处理信息来完成任务。最早的逻辑芯片是 CPU（中央处理器），设计于 20 世纪 60 年代。后来发展出一些具有特定功能的处理器，如GPU（图形处理器，用于优化视觉显示）和 NPU（神经网络处理器，用于深度和机器学习应用）。 什么是存储芯片？ 存储芯片用来存储信息。存储芯片有两种类型：一种是 DRAM（动态随机存取存储器），是“工作记忆”芯片，只在设备开机时保存数据；另一种是 NAND 闪存，即使设备关机后也能保存数据。比如，DRAM 帮助设备运行程序，而 NAND 则存储你的照片及档案；DRAM 速度快，NAND 读写数据相对较慢。 惊人的计算能力 芯片的进步，带动了计算能力和内存空间的惊人增长，催发了当代科技的蓬勃发展——从 1956 年到 2015 年的近 60 年里，计算能力增加了一万亿倍，这都是芯片的功劳。 看看这个例子：为阿波罗登月任务导航的电脑，其功能大约只有任天堂游戏机的 2 倍。它有 32768 位的随机存取存储器（RAM）和 589824 位的只读存储器（ROM）。现代智能手机的处理能力大约是任天堂游戏机的 10 万倍，RAM和ROM分别是任天堂游戏机的 100 万倍和 700 万倍。  芯片使虚拟现实（VR, Virtual Reality)和终端设备上的人工智能（on-device AI）等应用成为可能，也使 5G 连接等大数据传输获得重大进展，更是深度学习等算法得以实现的背后功臣。所有这些计算都会产生大量的数据。到 2025 年，全球每年将产生 175 泽字节（ZB）的数据，大约相当于 10 亿 TB。相比之下，根据市场情报公司 IDC 的 "数据时代 2025 "白皮书，如果你要把 175 个 ZB 存储在 DVD 上的话，这一叠 DVD 的高度将足以绕地球 222 圈。 芯片制造的关键工艺（10大步骤） 沉积 制造芯片的第一步，通常是将材料薄膜沉积到晶圆上。材料可以是导体、绝缘体或半导体。 光刻胶涂覆 进行光刻前，首先要在晶圆上涂覆光敏材料“光刻胶”或“光阻”，然后将晶圆放入光刻机。 曝光 在掩模版上制作需要印刷的图案蓝图。晶圆放入光刻机后，光束会通过掩模版投射到晶圆上。光刻机内的光学元件将图案缩小并聚焦到光刻胶涂层上。在光束的照射下，光刻胶发生化学反应，光罩上的图案由此印刻到光刻胶涂层。 计算光刻 光刻期间产生的物理、化学效应可能造成图案形变，因此需要事先对掩模版上的图案进行调整，确保最终光刻图案的准确。ASML将现有光刻数据及圆晶测试数据整合，制作算法模型，精确调整图案。 烘烤与显影 晶圆离开光刻机后，要进行烘烤及显影，使光刻的图案永久固定。洗去多余光刻胶，部分涂层留出空白部分。 刻蚀 显影完成后，使用气体等材料去除多余的空白部分，形成3D电路图案。 计量和检验 芯片生产过程中，始终对晶圆进行计量和检验，确保没有误差。检测结果反馈至光刻系统，进一步优化、调整设备。 离子注入 在去除剩余的光刻胶之前，可以用正离子或负离子轰击晶圆，对部分图案的半导体特性进行调整。 视需要重复制程步驟 从薄膜沉积到去除光刻胶，整个流程为晶圆片覆盖上一层图案。而要在晶圆片上形成集成电路，完成芯片制作，这一流程需要不断重复，可多达100次。 封装芯片 最后一步，切割晶圆，获得单个芯片，封装在保护壳中。这样，成品芯片就可以用来生产电视、平板电脑或者其他数字设备了！ 迷你摩天大楼 正如上文提到的“视需要重复制程步骤”，现代芯片的结构可多达 100 层，需要以纳米级的精度相互叠加，这精度又称为“套刻精度”。芯片上光刻的各层图案大小不一，这意味着，光刻各层图案需要用到不同设备。ASML 的 DUV 深紫外线光刻机有数种不同的机种，适合最小图案的关键性光刻需求以及普通图案的正常光刻。  多干净才干净？ 要知道，无论灰尘或异物如何微小，一旦落到晶圆上，都会损坏芯片。何况现代芯片有些需要经历几十甚至上百层的制程，如何保证芯片生产的良率，晶圆厂的清洁度至关重要。 无尘室到底有多洁净？ 比我们日常生活的空间要干净 10000 倍左右！大多数芯片制造商的 “ISO 1级”无尘室都能做到几乎“零粉尘”，具体来说，在每立方米空气中，100 到 200 纳米的颗粒不超过 10 个，且没有大于 200 纳米的颗粒。相比之下，一家干净的现代医院里，每立方米空气中含有粉尘颗粒约 10000 个，这差距可不是一点点。  无尘室内的空气不断过滤、循环。员工需要穿着特殊的工作服（又称“兔子服”），维持零粉尘的工作环境。 ASML 的光刻机工厂位于荷兰菲尔德霍芬，ASML 的设备也都产自无尘室。 各类芯片制造模式 IDMs 是指同时设计并制造芯片。Foundries 则是根据合同为其他公司制造芯片。而 Fabless 自身不设晶圆厂，如高通、英伟达和超微半导体。他们专注芯片设计，不涉及生产设施建设和维护，从而避免高昂的成本。这些公司可能将生产外包给代工厂。 芯片是如何制造出来的，最后我们一起来听听 Scott Middlebrooks 的解说。 说明：文章首发于 ASML阿斯麦光刻 微信公众号，中国光学 微信公众号授权转载，本文仅代表作者观点，不代表 中国光学 微信公众号的立场。 |
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