芯片是什么？

芯片，也叫微芯片，由一小块平坦晶圆上的电子电路构成。晶体管是芯片上的微型开关，可以控制电流的打开和关闭。在晶圆上通过添加和去除材料形成多层互连的格栅结构，从而构成无数的微型电流开关。
晶圆由硅制成，与那些可直接传导电流的金属不同，硅是一种半导体，通常需要在其中掺杂一些元素（如硼B，磷P）才能实现电流的传导，这也为控制电流的开关提供了一种途径。硅是地壳中含量第二丰富的元素，仅次于氧元素，在自然界中通常以二氧化硅的形式存在，也就是我们常见的砂子。晶圆便是由主要物质成分为二氧化硅的硅砂制成，首先将硅砂熔融成大晶柱，叫做硅晶柱，再将其切割成薄片，便成为晶圆。

芯片上的元件是以纳米为单位度量的，1纳米是十亿分之一米。作为比较，人类头发的直径大概为100微米，也就是一万分之一米，而一个病毒的直径大约为14纳米。透过最先进的光刻机，目前最先进芯片上的最小元件可以加工到5纳米以下。芯片上元件的尺寸越小，便能装更多的晶体管，芯片的功能也就越强大。
芯片的进步，使得计算能力和存储空间得到大幅度的提升，也推动了高科技的发展。未来的虚拟现实技术，人工智能技术和深度学习技术都会产生大量的数据，而要处理这些数据，离不开具有超高性能的芯片。

芯片是怎么制造出来的?来看看其各个阶段及步骤

　　第一阶段

　　沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。

沙子

　　硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭(Ingot)。

硅熔炼

　　单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99.9999%。

　　第二阶段

　　硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆(Wafer)。

硅锭切割

　　晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。

晶圆

　　第三阶段

　　光刻胶(Photo Resist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。

光刻胶

　　光刻：光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。

光刻

　　由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。

晶体管

　　现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。

　　第四阶段

　　溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。

溶解光刻胶

　　蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。

蚀刻

　　清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

清除光刻胶

　　第五阶段

　　光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。

再次光刻胶(蓝色部分)

　　离子注入(Ion Implantation)：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。

离子注入

　　清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。

再次清除光刻胶

　　第六阶段

　　晶体管就绪：至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。

晶体管就绪

　　电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。

电镀

　　铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

铜层

　　第七阶段

　　抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。

抛光

　　金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。

金属层

　　芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。

　　晶圆测试：内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。

晶圆测试

　　晶圆切片(Slicing)：晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)。

晶圆切片

　　丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。

丢弃瑕疵内核

　　第八阶段

　　单个内核：内核级别。从晶圆上切割下来的单个内核，这里展示的是Core i7的核心。

单个内核

　　封装：封装级别，20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。

封装

　　处理器：至此就得到完整的处理器了(这里是一颗Core i7)。

处理器

　　第九阶段

　　等级测试：最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级，比如适合做成最高端的Core i7-975 Extreme，还是低端型号Core i7-920。

等级测试

　　装箱：根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。

装箱

芯片的制造模式有哪些？

芯片的制造模式可分为三类：一类IDMs是设计并加工芯片，另一类Foundries是依据代工合同为其他公司加工芯片，而有些公司例如高通、英伟达和超微半导体，只从事芯片的设计而不进行加工，以期节约运营成本。

芯片如何从设计走向量产？

从芯片的设计到量产总共要走过四个阶段，分别是设计阶段、开发阶段、试产阶段和量产阶段。
设计阶段：在此阶段，客户给厂商提供芯片电路，厂商根据客户的实际需求设计和优化掩模板
开发阶段：在确定了掩模板后，厂商需要在少量晶圆和光刻机上试验光刻，确保设计好的掩模板可以
被转移到光刻胶上，这也是此阶段的难点。
试产阶段：开发阶段确定好的加工设置叫做工艺窗口，在试产阶段需要做的便是扩大这个工艺窗口，
因为每加入一台光刻机便会多一个变量，例如光波长、加工精度等，为了能让更多的光刻
机协同工作，需要尝试将工艺窗口扩大，以容纳更多种设置。（可以简单理解为容错性）
量产阶段：在此阶段，厂商需要起到一定的监测作用，确保光刻机能够以最大的优良率不间断的生产芯片。