导读：芯片制造是科技与难度的完美结合，涉及设计、制程和质量控制等环节。光刻、化学处理、物理加工等领域的知识相互交织，构成了芯片制造的科技奇迹。芯片设计、制造、封装测试是主要步骤。
芯片制造，难度与科技的完美结合。设计、制程、质量控制，每个环节都要求精确无误，每一步都需要高度专业的技术和精密的设备。光刻、化学处理、物理加工等多个领域的知识和技能相互交织，构成了芯片制造的科技奇迹。让我们一起探索这个神秘而充满挑战的世界，揭开芯片制造的神秘面纱。追寻科技的脚步，感受创新的力量。
芯片制造主要分为三步：芯片设计、芯片制造、封装测试。如下图：
芯片设计就像盖楼设计图纸，包含整体框架设计和水电路等详细设计。首先，芯片设计环节最重要的工具是EDA（Electronic Design Automation），它被誉为“芯片之母”。芯片设计公司依赖EDA工具，因为没有EDA，就无法设计超大规模集成电路（VLSI）。EDA是利用计算机辅助设计（CAD）软件来完成超大规模集成电路（VLSI）芯片的功能设计、综合、验证、物理设计等流程的设计方式。在过去，一款芯片可能只有几十个晶体管，可以通过人工绘图进行设计。然而，随着VLSI时代的到来，芯片的晶体管数量迅速增加，达到几十亿甚至上千亿的级别，这使得人工设计变得不可行。在这种情况下，EDA工具的出现成为必然。EDA工具利用算法和计算机的强大计算能力，为芯片设计提供了辅助帮助。它们能够自动化完成复杂的设计任务，如布局、布线、版图和设计规则检查等，使芯片设计更加高效和合理。截止2021年，EDA公司行业前三名为新思科技公司、楷橙电子公司、西门子EDA公司。其中，新思科技市占最高，占行业市场份额1/3。2020年8月17日，美国多华为制裁范围扩大大软件和服务领域，导致华为海思芯片设计跌出全球十大芯片设计公司，营收下跌81%。其次，在使用EDA工具中，会用到IP。读者可以通俗的理解IP就是芯片模板，类似PPT模板。设计公司可以购买授权IP，改造并设计自己的芯片。最后，芯片设计完成后，将芯片线路图刻到玻璃板上，制成掩膜，相当于做出照片的底片，或者理解为过去老式投影仪的底片。第一步：提炼高纯度硅，制作晶圆。在自然界沙子中富含二氧化硅，通过高温等手段获得高纯度硅，最终获得单晶硅锭。将单晶硅锭向切香肠一样横向切割为1毫米的硅片，得到的就是晶圆。
第二步：使用光刻机，用强光（紫外线）照射掩膜，投射到涂有光刻胶的晶圆上。经过多次刻蚀、扩散、沉积等工艺做出复杂的晶体管和电路网络。
首先，让我们介绍一下制造过程中最重要的材料之一——光刻胶，也被称为光阻剂。光刻胶是一种化学物质，对光照，尤其是短波长的紫外线非常敏感。当受到紫外线照射时，被照射的区域会变得硬化，而未受到照射的区域则不会发生变化。光刻胶的工作原理如下：首先，光刻机会发射出短波紫外线，这些紫外线通过掩膜（芯片结构底片）将芯片结构的图案照射到涂有光刻胶的晶圆上。然后，通过酸性液体的腐蚀作用，只有变硬的部分不会被腐蚀，而其他未被保护的部分则会被腐蚀掉。光刻机的工作原理：显微镜或者投影仪，是我们日常使用过的设备，它们是通过光线，将小的物体放大。光刻机的原理与其相反，它是利用光的可逆性，将物体放小。目前光刻机设备制造商领头羊是ASML（阿斯麦尔），最高端的设备是EUV（极紫外光刻机），可用于5纳米节点工艺制造。
EUV光刻机的价值高达2亿美元，相当于约14亿人民币。这是因为光刻机的要求非常高，其工作的精细度超乎想象。在光刻机的运输过程中，需要使用4架波音747飞机进行运输。而在陆运过程中，必须提供防震环境，并实时记录温度、湿度、压力和震动等数据，以避免超过供应商允许的范围。目前国内没有物流公司具备光刻机运输能力，只能从日本找精密仪器设备运输公司。光刻机的工作环境要求车间占地80平方米，并需要上百名工程师进行安装。车间必须保持无尘环境，以确保不影响设备和生产芯片的良品率。光刻机的工作精细度令人惊叹。以1平方毫米的面积为例（比芝麻还小），光刻机能够制造一亿个晶体管。这需要极高的精确度和精细操作。光刻机的生产效率也非常高。它需要24小时不间断工作，全年停休时间不超过3%。目前的光刻机通常每小时能够生产近300片12英寸（300毫米）晶圆，每片晶圆上能够制造上千个芯片。这意味着一台光刻机每年能够连续加工出数亿个芯片。光刻机的制造精度也非常高，最新的EUV技术能够达到5纳米的节点。此外，光刻机需要进行高速移动，在晶圆上不停地进行光刻。可以想象，由于工作精度的要求之高、工作时间之长以及高速移动的需求，光刻机是工程学上的巨大挑战。
这是芯片制造的最后阶段。将光刻机制造完成的芯片，从硅晶圆上进行切片获得单个裸片，然后利用塑料、树脂、陶瓷或合金等材料将芯片的核心晶圆电路部分保护起来，防止晶圆受到物理损坏或化学腐蚀，同时在包装上提供与晶圆电路相连的引脚，用于连接外部电路。封装完成之后就可以通过引脚对芯片的各项性能参数进行测试。
芯片在现代生活中广泛应用于各个领域和行业。以下是一些常见的应用领域：1. 电子产品：包括智能手机、平板电脑、电视、音频设备、相机等消费电子产品中都使用了芯片。芯片在这些设备中扮演着控制和处理数据的重要角色。2. 通信和网络：无线通信设备、路由器、交换机、调制解调器等网络设备中都使用了芯片。芯片帮助实现数据传输、网络连接和通信功能。3. 汽车和交通：现代汽车中的许多系统和功能都依赖于芯片，包括发动机控制单元(ECU)、车载娱乐系统、导航系统、安全系统等。芯片在汽车中起到控制和监测的作用，提高了驾驶体验和安全性能。4. 医疗设备：医疗设备中广泛使用芯片，包括心脏起搏器、血压监测仪、血糖仪、医学成像设备等。芯片在医疗设备中用于数据处理、监测和控制，帮助医生进行诊断和治疗。5. 家居和智能家居：智能家居系统中的各种设备和传感器都使用了芯片，包括智能灯泡、智能插座、智能门锁、智能家电等。芯片使得这些设备能够实现自动化控制和互联互通。6. 工业控制和自动化：工业领域中的控制系统和自动化设备都使用了芯片，包括PLC（可编程逻辑控制器）、传感器、机器人等。芯片在工业控制中起到数据采集、处理和控制的作用。7. 物联网（IoT）：物联网是指将各种设备和物体连接到互联网的网络。物联网中的传感器、智能设备和节点都使用了芯片，实现了设备之间的通信和数据交换。除了以上列举的领域，芯片还应用于能源管理、航空航天、金融、农业、安防等各个行业和领域。随着技术的不断发展，芯片的应用范围还将继续扩大。
我们深入探讨了芯片制造的过程和挑战。从芯片设计到制造、封装测试、应用，每个步骤都需要精确的技术和设备支持。芯片制造是一项充满神秘和创新的工艺，它推动着科技的发展和进步。通过不断的努力和创新，我们可以期待未来芯片行业的更大突破和发展。
