制造芯片，為什么比造原子彈更難

祝越

早在1958年9月12日，世界上第一枚芯片就被制造了出來。制造者是美國德州儀器公司的工程師杰克·基爾比，那時他沒有光刻機，甚至也沒有用到硅片，而是在一塊鍺晶上做出了幾個晶體管、電阻器和電容器，組成了一個移相振蕩電路。

這枚芯片非常粗糙，它與我們的手機芯片有著天壤之別。但它已經傳達了芯片的基本概念：半導體材料制成的集成電路。

“半導體材料”就是其中的鍺，“集成電路”則意味著它將晶體管、電容器、電阻器等多個電子元器件集成在了同一塊鍺晶圓上，實現“單片集成”的想法。

這便是芯片的發明，也是最初的芯片制造過程。芯片的開端看起來很簡單，但它已經為現代芯片制造將要面對的問題埋下了伏筆：如何將電路圖“復刻”到半導體晶圓片上？如何實現各元件之間的互連與隔離？如何利用半導體材料的導電特性使其發揮功能？

所有的問題，構成了60多年來芯片制造翻越的一座座高山，而如今，人們正面臨“先進制程”的新壁壘。

如何理解“先進制程”的壁壘？簡單而言，如果把芯片比作一幢別墅，晶體管就相當于別墅里的家具。為了把更多的家具塞進別墅，人們把家具造得越來越小。1958年，基爾比可以用雙手制造出這些家具，2023年，人類能夠熟練運用光刻機制造3nm“大小”的家具。

挑戰之下，制造技術的革新必須是鏈條式的。光刻機光源波長縮短到13.5nm，機器內部就要保證真空環境使光源不被吸收，用了幾十年的透鏡也得被替換成特制的反射鏡，接收光源的光刻膠也必須提高靈敏度……光源所到之處，一切都隨著它的變化而同步革新。

這樣一場從頭到腳的大換血耗費了17年與無法計量的金錢，但最先進的技術仍將在不久的未來到達極限。

科學家和工程師們腦海中創造性的思想火花還未停下，也不能停下。因為芯片錯綜復雜的電路設計中，凝聚的是設計者的創新夢想。拋開所有專業術語，芯片與建筑相似的另一點在于，它們都是設計者創意的物理實現。如果沒有制造技術使其落地，所有的創意只能是一種空中樓閣。

制造一枚芯片的過程，不僅是一次接一次科技的飛躍，更是一場造夢與圓夢的旅程。

三個環節，上千道工藝

基爾比的集成電路以鍺晶圓為“底座”，這是受限于當時晶體管研發成果的權宜之計，他原本的集成電路構想，就是和現代芯片的制造一樣，將所有元件都集成在硅片上。

芯片的制造從硅開始，制造流程可以簡單地劃分為三個環節：晶圓制造、芯片制造和芯片的封裝與測試。而實際的制造流程則要比“三個環節”繁復得多，例如最為困難的前道工藝芯片制造環節，就涉及光刻、刻蝕、摻雜、沉積、拋光、清洗等多個步驟，缺一不可，且其中有些步驟需要反復操作上百次。

但不論有多少工序，最終的目的都是一個，把硅片變成芯片，在半導體材料上實現芯片的功能。芯片的功能與基本運作原理，是串聯起這上千道工序的邏輯線索。

所以，我們首先不得不問，芯片要實現什么功能？

作為一塊集成電路，芯片中的核心元件是晶體管。而晶體管和它的“前輩”真空管一樣，都是一種電子開關，這意味著它們都能在內部控制單向電流，并實現電信號的開關、整流和放大。

在晶圓上蓋房子，得先將設計圖紙印在其表面。這一過程更像是在微觀世界里攝影，而相機是一臺價值數億美元的光刻機。

半導體材料獨特的導電性能，使其有了成為“開關”的條件。之所以稱之為“半導體”，是由于其導電能力既遠遠小于銅線等導體，又遠遠大于絕緣體。天生我材必有用，電子開關仿佛是半導體的本職。20世紀40年代以來，隨著真空管發熱嚴重、故障頻發、體積過大等問題的出現，科學家們亟需找到一種更小巧、快速且穩定的替代品，由半導體制成的晶體管便應運而生。

硅是目前芯片制造中最常用的基底材料。事實上，純凈的硅是電中性的，但若是在硅中摻雜雜質，就能改變其導電性能。

發現硅的這種特殊性能，是一次極其幸運的偶然。1940年，美國貝爾實驗室的研究人員沃爾特·布拉頓與拉塞·奧爾發現，用手電筒照射一根硅棒時，其內部產生了單向電流。這是人們首次在半導體內部發現單向電流。

電流的出現源于硅的不純凈。布拉頓發現，硅棒的一側混入了帶正電荷的雜質，形成P（Positive）型硅，另一側混入了帶負電荷的雜質，形成N（Negative）型硅，而硅棒的兩者交界處，形成了PN結。光照的能量打開了能量的“閘門”，使交界處的電子從能量高的一側流向另一側，單向電流得以產生。

因此，如果在PN結插入電極控制“閘門”，就能實現信號的開關與放大。硅與雜質恰到好處的摻雜，也成為制作硅晶體管的重要環節之一。

那么，硅從哪兒來？英特爾公司的芯片制造宣傳片如此回答：從沙子中來。硅元素廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中，構成地殼總質量的近四分之一。由于它儲量豐富且易于獲取，硅基半導體也自然成為了目前應用最廣的半導體材料。

為了從沙子中提純出硅，必須讓它反復經過高溫的洗禮，與焦炭、木炭、氯化氫氣體等物質挨個親密對話。沙子先分離出純度98%-99%的工業硅，進一步提純得到高純多晶硅，然后從硅液中提拉出單晶硅棒。這是制作芯片“地基”的原材料。

既然是地基，平整度就相當重要。為此，從單晶硅棒到硅片，要承受多次拋光、打磨、化學溶液清洗。最終，從硅棒中切割出的硅晶圓片必須平整、光滑，沒有工序中的雜質顆粒殘留，才能為此后建造大廈打好基礎。

在晶圓上蓋房子，得先將設計圖紙印在其表面。這一過程更像是在微觀世界里攝影，而相機是一臺價值數億美元的光刻機。拍照需要借助光掩膜版，即一張刻有集成電路圖的玻璃遮光板。

晶圓表面的顯影要借助光刻膠，以正膠為例，光刻機發出紫外光透過光掩膜版照射到光刻膠表面時，沒有與光接觸的膠體仍然保持堅硬，被光照到的部分則會在后續的化學溶液中被侵蝕掉。通過光刻膠的一去一留，晶圓片上便印出了集成電路圖案。

如果說光刻是將設計圖紙印在地基上，刻蝕就是沿著已有圖案進行雕刻。借助化學溶液或氣體，晶圓表面沒有光刻膠保護的部分被刻蝕出一道道溝渠。雕刻完成，光刻膠也被清洗掉，地基的結構便搭好了。

要讓地基中的溝渠發揮其功能，摻雜工藝便登場了。通過在硅中摻雜雜質形成PN結，柵極才能真正發揮電子開關的作用。摻雜工序有擴散和離子注入兩種工藝，目前，離子注入的方式因其準確性而得到更為廣泛的使用。

摻雜完成后，還要通過“薄膜沉積”將晶圓片的各個元件互連或隔離。顧名思義，這項工藝能夠在晶圓片表面沉積一層金屬層，它們充當了過去電路中金屬連線。同樣，沉積的薄膜也可以是絕緣層，它們使不相干的元件互不打擾。

至此，芯片的大廈還僅僅只建好了一層。為了之后能夠反復通過光刻、刻蝕、沉積繼續搭建樓房，晶圓表面需要經過化學機械拋光。簡單而言，就是同時借助化學溶液的侵蝕和物理機械的打磨，使晶圓進一步平坦化。

繁復的工藝結束后，制作完成的晶圓大廈要進行驗收。在晶圓上的一枚枚芯片被切割下來之前，先要測試一遍參數。通過測試后，再將芯片切割、封裝保護起來，并再次測試其性能是否正常運轉。

經過反復的雕刻與打磨，最終測試通過后，一枚現代芯片才終于真正誕生。

“這么復雜的東西是怎么發明出來的？”在芯片制造過程的講解視頻評論區，有網友感到震撼與疑惑。如果不去回溯芯片的發展歷史，確實很難想象如此復雜的工藝從何而來。

芯片并非一項一蹴而就的“發明”。若是從基爾比那塊粗糙的單片集成電路開始梳理，就能更好地理解芯片制造技術是如何積累起來的。為了將元件互連線也集成到晶圓片內部，金屬膜沉積的點子出現了；為了制造出極小而精巧的晶體管，光阻劑與光刻的靈感被捕捉到；而為了保證晶圓表明平坦，不受雜質干擾，科學家們又研發了多種物理和化學拋光研磨的工藝。

如今，芯片制造仍在朝著精細化的方向發展。也許這樣去理解芯片制造才更準確：如今我們所看到的仍然是芯片制造技術發展的過程，而非單一發明的結果。

技術精細化，晶圓廠的權衡

精細是芯片制造技術發展的方向，也是芯片制造流程中最為突出的特點。對工藝的精密、精準、純凈的要求，貫穿了芯片制造全程。

晶圓廠或許是世界上對工作質量要求最為嚴苛的工廠。值得慶幸的是，其中的核心員工主要是各類加工儀器。

從這個意義上說，晶圓廠或許是世界上對工作質量要求最為嚴苛的工廠。值得慶幸的是，其中的核心員工主要是各類加工儀器。

芯片制造的精細首先體現在原材料的純凈度上。作為芯片基底材料的硅并非普通的硅，而是純度達到99.9999999%-99.999999999%的高純多晶硅。這9～11個9，標志著硅材料超越了制造光伏材料的太陽能多晶硅，邁上了“電子級多晶硅”的高度。

制造工藝中最常用的另一種材料—水，也同樣高度純凈。在晶圓加工流程中，50%以上的工序需要晶圓與超純水直接接觸，80%以上的工序需要化學溶液處理，也間接與超純水有關。半導體工藝中用到的超純水剔除了電解質、溶解氣體、微粒，幾乎完全清除了氫和氧原子以外的所有雜質，已經是目前科技下能夠量產出的最純的水。

自然，芯片的制造環境同樣要求絕對的潔凈。晶圓廠制作車間被稱為“凈室”（clean room），要求達到國際潔凈等級的最高等級ISO1級，即在一立方英寸的空間中，直徑大于0.1微米的塵埃粒子不能超過10個，相當于在武漢東湖中投入10粒小石子。除了細菌、微粒之外，凈室還要精密調控室內的溫度、濕度、壓強、微震動等指標，潔凈程度能達到醫院手術室的100000倍。

極度的純凈，都是為了保護脆弱的晶圓不受到雜質的損害。晶圓如同一個嬌弱的公主，如果要與人們耳熟能詳的豌豆公主對比，那讓晶圓公主徹夜難眠的那顆豌豆，也得是微米甚至納米級的。

對晶圓表面的“平坦化”也是精細加工的一環。不論是單晶硅棒上切割出的硅片還是制作過程中的晶圓，都需要不斷地打磨、拋光。這與芯片制造的核心工序光刻有關，在光刻時，硅片就像一塊投影幕布，如果幕布不夠平坦，就會影響光刻圖像的精度。因此，化學機械拋光工藝（CMP）至關重要，在先進制程的7nm工藝中，CMP步驟需要重復30次以上。

而在最關鍵的光刻步驟中，工藝的精密性集中體現在光刻機的分辨率上。將光刻工藝比作拍照，分辨率關系到的，就是光刻機單次曝光能夠在光刻膠上刻出的最小尺寸。目前，隨著光刻機發展進入EUV階段，用上了波長只有13.5nm的極紫外光，極短的光波長使光刻分辨率進一步提高，以推進5nm及以下的芯片制程。

除此之外，光刻之后的刻蝕、摻雜等環節，同樣要求極高的工藝精準度。以摻雜環節為例，其目的是通過在純硅中摻雜氮、磷等物質使其形成PN結，可以通過熱擴散和離子注入兩種工藝實現。但相較而言，離子注入能夠更為精準地將雜質離子轟擊到晶體內部，它就像神槍手一般，必須精準地控制摻雜的劑量和深度。這既是離子注入相較于擴散工藝的優勢，也是難點。

為何制造工藝需要達到如此精細的程度？除了芯片本身的脆弱之外，工藝的精細化發展與芯片制程的不斷縮小緊密相關。

芯片的制程，或者稱為技術節點，指的是芯片中晶體管的最小特征尺寸。20世紀70至90年代，技術節點對應的是晶體管的半節距，此后半導體廠商又用柵長來表示技術節點。不論定義如何，制程越小，晶體管越小，在芯片中的排列密度越大。隨著芯片制程縮小，晶體管的尺寸從微米級別縮小到納米級別，芯片中的晶體管數量也從幾個增長到了上百億個。

制程的縮小能帶來切實的好處。晶體管數量的增加既有利于降低芯片的成本，也能夠提高芯片的整體性能。

但隨著芯片制程的不斷縮小，行業內具有競爭力的晶圓制造廠也逐漸減少。雖然關于芯片制程的定義各有標準，但顯而易見的是，在28nm制程位置，行業內還有臺積電、格羅方德（Global Foundries）、聯電、三星、中芯國際和華力微電子等7家公司彼此競爭。而到了10nm制程以下，場上的主要競爭者已經只剩下了英特爾、臺積電和三星，臺積電已經能夠量產5nm制程芯片，而中芯國際仍在沖擊7nm制程。

一般而言，行業內將28nm作為“成熟制程”與“先進制程”的分水嶺。從28nm向10nm的前進之路，也越發艱難。

玩家的減少有客觀的研發困難因素，同時也是一種主動選擇。半導體晶圓廠如果要追逐更小制程帶來的利益，就必須同時面對精細化工藝要求下的芯片良率壓力。制程越小，需要的制造精度也越高。如果制造技術跟不上先進制程芯片的設計，導致芯片良率降低，則反而會推高加工成本，得不償失。

是搶先開拓先進制程芯片的市場，同時承受技術研發的壓力，還是守住已有技術，不斷提升成熟制程良率，這是擺在半導體晶圓廠商面前的選擇。

從28nm向10nm的前進之路，也越發艱難。玩家的減少有客觀的研發困難因素，同時也是一種主動選擇。

2018年，格羅方德和聯華電子就宣布退出7nm制程工藝的研發。格羅方德強調先進制程工藝不是唯一的選擇，公司目前已有的22nm FD-SOI工藝以及14/12nm FinFET工藝，依然有廣闊的市場。

退出先進制程，是公司對研發成本與產品市場的平衡。芯片是一種商品，需要考慮市場的回報。格羅方德首席執行官Tom Caulfield提到，整個行業對14/16nm技術節點的需求是28nm的一半，而7nm的需求可能只有14/16nm的一半。“當我們展望2022年，代工市場將有三分之二的份額在12nm及以上節點，所以我們并不是在放棄大部分的市場。”

半導體晶圓廠的取舍與權衡，顯示出了先進制程發展中芯片制造之難的另一側面，即投入成本。這不單單指向金錢，更是研發時間與人力物力。

而此時此刻代工廠們的躊躇與考量，與1965年的戈登·摩爾的思考，都指向了同一個問題—芯片的成本，能降下來嗎？

高昂的成本，不停的腳步

芯片的先進制程迭代，本質上是制造技術精細化的發展過程，而最初將這種精細化發展總結為規律的，就是美國工程師戈登·摩爾。

1965年的摩爾面臨的是芯片的成本困境。當時新推出的“微邏輯”芯片受制于不成熟的工藝，導致大量芯片報廢，高良率的難以實現使得芯片價格居高不下，難以觸及大眾市場。

與此同時，他也發現了解決芯片成本問題的可能性。當時，通過能夠持續縮小尺寸的MOS晶體管和能一次性刻印眾多晶體管的光刻技術，有望在未來實現芯片規模化生產，這使得芯片價格能夠降至大眾能夠負擔的水平。

著名的摩爾定律便由此誕生：芯片上的元件數量每兩年翻一番，就能讓芯片始終保持最低成本。這是摩爾依據此前幾年芯片上的元件數量做出的總結與預測。

事實上，這只是在一篇題為《在集成電路中塞進更多的元件》的文章中，所做出的對未來的預測，并非客觀的物理定律。但在此后的幾十年里，半導體產業確實沿著摩爾定律預言的節奏穩步前進。

摩爾定律既像一根指揮棒，指引工程師們去找到那個成本最低點，又像是一種信念，每當技術發展遇到障礙，人們總能研發出新的工藝，以繼續在摩爾定律的的節奏下前進。

而維持摩爾定律最大的難點，也是芯片制造流程中最為復雜和關鍵的環節，仍然是光刻。

光刻技術的重要性已經無需贅述，目前國內光刻機研發被“卡脖子”的狀況，也使得光刻技術與設備受到人們的廣泛關注。如果在網上搜索“光刻機”相關電子書，甚至能搜到不少圍繞光刻機展開的網絡爽文，爽文中“開局造出光刻機”的設定雖然不切實際，但其中也能窺見人們寄托的一絲向往。

前面已提到，光刻的精度與其分辨率直接相關，而分辨率則關系到光的波長。簡單來說，隨著晶體管尺寸縮小，精度要求提升，光的波長也需要不斷縮小。

如何縮短光源波長，成為光刻技術發展的主要線索之一。

1952年，美國工程師杰伊·萊斯羅普用一臺三目顯微鏡制成最原始的光刻機時，所使用的光源還是簡易燈泡發出的可見光。20世紀60年代至80年代，光源從高壓放電汞燈的436nm發展至365nm，直到2002年，光源已經發展至深紫外光（DUV）波段的248nm以及193nm。

2002年，人們對下一代光刻機的波長規劃為157nm，但卻遇到了問題，157nm的紫外光在空氣中被氧分子吸收，無法有效地照射到晶圓上。

為了解決157nm的瓶頸，華裔工程師林本堅發明了“浸沒式光刻”技術。“浸沒”借助水的折射作用，在光刻機的鏡頭和晶圓片之間敷上一層薄薄的超純水，使193nm的紫外光波長縮短至134nm，直接跳過了157nm的技術發展階段。

目前，光刻機已經發展到第五代，采用極紫外光（EUV）光源，波長縮短至13.5nm。更短的波長為摩爾定律的推進帶來了新的希望，同時也帶來了新的困難。

光源的產生就是一件難事。要用激光產生EUV光源太難了，科學家們想出一種方法，將金屬錫高溫熔化，把極其細微的錫液滴噴灑在空腔內，先用一束低功率激光照射液滴將其壓成“薄餅”形狀，增大受光面積，再用高功率激光以每秒五萬次的頻閃照射這些液滴，并將其轉變為類似太陽中的等離子體。通過這種復雜的方式，才能激發出13.5nm的EUV光源，同時還保證輸出光源功率達到制造芯片所需的強度。

產生光源只是“萬事開頭難”的第一步。要真正用上EUV光刻機，設備內部涉及的所有關鍵部件，例如鏡片、發射激光的激光器等等，都需要同步配套研發。

摩爾定律的失效—當晶體管尺寸縮小到一定程度時，“量子隧穿”效應將變得非常顯著。

一枚反射鏡就會成為大難題。13.5nm的EUV光波長太短，接近X射線，因此更傾向于被物質吸收而不是反射。針對這一問題，德國的先進光學系統公司蔡司開發了一種納米級精度的鏡子，它的表層是硅和鉬交錯的幾納米薄層，借助兩種材料的折射率差異以實現反射。不僅如此，它在平滑度上也達到了歷史新高，假如將其放大至德國的領土面積，最大的凹凸不平處僅為0.1毫米。

可見，要提高芯片制造的精度，并非簡單的“縮短光波長”可以概括。技術的進步牽一發而動全身，這也驟然拉高了光刻機的研發難度與成本。EUV光刻機擁有數十萬個部件，花費了數百億美元和幾十年的時間不開發和改進。為了保證關鍵部件的供應，EUV光刻機公司阿斯麥爾僅2016年就向蔡司支付了10億美元用于研發。

不只是光刻機，越發精細化的制造工藝中，刻蝕機、離子注入機等設備都成為了眾人仰望的“高嶺之花”。研發的艱難與成本的高昂，成為了橫亙在芯片制造入局者面前的兩座高山。

芯片先進制程發展至今，我們仿佛又回到了成本困境的原點。但事實上并非如此，因為如今的半導體行業所面對的，不只是成本與市場的矛盾，更是摩爾定律的失效—當晶體管尺寸縮小到一定程度時，“量子隧穿”效應將變得非常顯著。簡單來說，就是大量電荷會穿透絕緣層泄露，使晶體管無法正常開關，那么它也無法再行使“電子開關”的本職。

新的極限即將到來，芯片制造又將走向何方？

展望未來之前，我們還得再次回到摩爾定律開始的原點。性價比的提升，一直以來被視作摩爾定律的核心意義。然而摩爾對芯片的未來做出如此預測，遠不止是出于降低芯片成本的考慮。

重要的是我們為什么需要芯片。摩爾在那篇文章中如此寫道：“集成電路將為我們帶來各種奇跡：家用電腦、自動駕駛汽車、個人移動通信設備，以及帶有顯示屏的手表……”

如今，我們已經可以期待更多。人工智能、虛擬現實、腦機接口……它們都依賴于更強的算力，也就依賴于更為精細的芯片的實現。

而這些實現最終需要的東西，仍然與1965年相同，不是成本計算與商業運營，而是我們對世界的想象。