芯片流片制造全流程解密：从沙子到晶圆裸片的台积电往事

一、绪论

今天我们讲讲芯片的流片制造那些事儿。这个流程的输入是设计的版图文件，输出是做好的芯片晶圆。

这是芯片的第四个流程。这块儿，我国65nm这个量级的做的还可以，14nm应该SMIC也勉强过得去，但先进制程7乃至5nm的商业化基本是空白，属于真正被大洋彼岸卡脖子的部分。这篇文章科普一下整个制造流程。技术部分相对较少，所以我们讲点儿故事。管中窥豹，我们的故事不妨从台积电展开。

二、台积电的过往

说起芯片代工厂，你第一个想到的是谁？我想做芯片的大部分人可能脱口而出就一个——台积电（TSMC），全称是某省积体电路制造股份有限公司。积体电路就是集成电路的一种叫法，类似于把菠萝叫凤梨。中国人似乎讲究周期，而台积电基本上恰好10年一个周期。

台积电的第一个十年——蹒跚起步

85年，德州仪器的一个哥们回岛了。他属于最早进入这个邻域的一批人，在德州仪器属于三号人物。在岛内混了几年，1987年，55岁的他决定搞个厂糊口（同年，深圳一个43岁的哥们也准备搞个厂糊口，你应当听说过）。这家厂子一开张就给自己定位成代工厂，不做设计，只负责制造。和大部分创业公司一样，台积电的前三年也经历了好多庙小妖风大的挫折。不过好在张忠谋在美帝有些人脉。1990年，英特尔CEO正想着怎么把公司重心从存储转到CPU上，经过张忠谋这么一忽悠，单子可不就来了么。英特尔老大哥帮台积电实现了第一次飞跃。

台积电的第二个十年——发展壮大

转眼，1997年，台积电已经成立10年了。一家公司，要是能活10年，确实有点东西的，遭到山寨也在所难免。这个时候另一个德州仪器的哥们叫张汝京的，回岛山寨了一个台积电出来，叫世大半导体，三年就达到了台积电30%的产能。台积电一气之下就发动钞能力，说动世大的股东把世大给买了。张汝京跑路到上海，建了另一个厂，叫SMIC，这是后话。这个阶段台积电过得有滋有味，不过和英特尔比它始终是个弟弟，全球最好的制程都在英特尔手中。

台积电的第三个十年——走向风口

日月如梭，2007年，一个穿着黑T恤和牛仔裤的哥们从裤兜里掏出一个手机，消费电子的时代到来了。台积电赶上了手机这波热潮。手机讲究一代手机，一代芯片，制程跟不上哪行？至此除了三星和英特尔，其他家都选择了台积电的代工厂模式。2014年，张忠谋搞了个夜莺计划，从此代工厂三班倒的时代到来了。这个时候英特尔不再那么遥远，台积电慢慢实现了超越。

台积电的第四个十年——对抗 or 合作？

2017年，一个叫梁孟松的人回国加入了SMIC。隐约记得一个以前在中芯国际的哥们说，当年中芯国际为了请他来，把一层楼给他做办公室。他是台积电元老，09年离开台积电去了三星，然后三星就越来越长得像台积电，在14nm工艺上甚至摆了TSMC一道。台积电一纸诉状让梁孟松离开三星，结果2017年，他到了SMIC。虽然2020年蒋尚义归来，梁准备离开，但反映出的一个趋势值得我们注意：大陆不愿意在这个事儿上被卡脖子了。有人这么说过，中国其实是一个伪装成国家的文明，除非你有本事直接卡断脖子，否则非常容易集中力量办大事，给你甩出一个京东方出来。台积电后续怎么发展，我们拭目以待2027年。

三、芯片的制造流程

我们聊了一堆台积电的八卦，那么台积电到底怎么用沙子把版图造成芯片的呢？这个流程的图我是从Intel那篇《From Sand to Silicon》文章里截取的。

step1, 挖沙子，然后做成硅锭

其中，硅要足够纯，得达到9个9, 也就是99.9999999%的纯度。为什么一定要用Si做芯片？道理也简单，硅是半导体，能做开关，而且世界上沙子多，还容易提纯，于是就决定是它了。

step2, 硅锭切成硅片

将硅锭切成1mm左右一片片的wafer（晶圆）。晶圆尺寸有大有小，比如8inch、12inch，光刻的时候直接刻整个圆，然后再切下来好多小芯片。

硅片切好以后，需要在上面氧化一层二氧化硅，用来做栅极。我们来看看下面的剖面图，红色的就是二氧化硅。

step3, 光刻

这个步骤首先在硅片上抹上一层光刻胶，一般来讲光一照，光刻胶就溶解（正胶），然后用做好的掩模mask来照射wafer。

看上面这个剖面图，黄色部分就是我们加入的光刻胶，黑色是我们根据版图制作出来的模板，然后用UV光去照，把光刻胶镂空。

step4, 刻蚀与粒子注入

这个步骤，我们用药水把oxide刻蚀了，然后把光刻胶洗掉，最后注入离子。

看剖面图，f就是刻好的oxide。然后在洞里注入离子，形成源极和漏极。至此，我们的晶体管就造好了。

这里要插播一个小知识：我们平时说的工艺制程，比如28nm、14nm，指的是晶体管栅极宽度，也就是导电沟道的长度，而不是线宽，现在最小线宽一般比制程要粗一些。我在下面的图上标注了65nm具体指的是什么。

在GDS版图上是这个距离，下面画了个非门的版图。

step5 金属线制作

这个步骤主要是往硅片上连金属线。这个过程我们依旧看下面的剖面图比较清楚。

看b图，首先在上面电镀一层金属，c图用光刻胶和掩膜版再刻蚀一遍得到d图，然后一层一层刻蚀叠加起来就行，层与层之间只有固定的通孔via用于连接。

step6 硅片测试与切片

接下来代工厂还要做几个事儿。

第一件事儿是先检查一下晶圆和芯片是不是好的，主要包含两个测试。

WAT（Wafer Acceptance Test），这个主要是测试晶圆的电学特性是否正常。WAT测试电路代工厂在流片时就直接加入到晶圆里了，主要检查各种晶体管参数，比如阈值电压、漏电流、电阻、电容是否在规格内。WAT的测试向量是代工厂自己搞的。

CP（Chip Probing）测试。WAT测试没问题以后，接下来进行CP测试。先用探针看看芯片是不是好的，有问题的芯片直接标记，扔掉就是，免得浪费封装成本。一般会用到前面讲的DFT三把斧：scan chain, JTAG, BIST。CP测试向量由设计商提供。如果CP不合格，直接标记出来扔掉。

CP测试完了以后，就把芯片按照划片槽切成一个个小的芯片，装盒寄出来了。

四、总结

这篇文章我们一起回忆了台积电的往事，同时对芯片在代工厂的流程做了大概的讲解。实际上芯片的制作工艺流程要复杂得多，比如现在制程越来越小，光刻的时候量子隧穿效应非常严重，做出来的模板肯定不是你想的镂空窗花。这里只是讲了最重要、最基础的步骤。整篇文章的输入是设计的GDS，输出是一个个芯片裸片。这些裸片没办法直接接到PCB上，还需要经过后续的封装和测试，才算是一颗真正的芯片。

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