如何自己親手制造出一枚芯片？

你可能已經(jīng)被“華為、臺(tái)積電、光刻機(jī)、芯片”這些關(guān)鍵詞轟炸過(guò)，也多少聽(tīng)過(guò)些臺(tái)積電的傳奇故事。本篇文章，我們不講故事，談?wù)勅绾斡H手制造出一枚芯片。

所謂芯片，就是將可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算或存儲(chǔ)等功能的電路，集成在一塊很小的硅片上。

它誕生的過(guò)程，分為設(shè)計(jì)、制造、封裝這三步。

我們熟悉的高通、華為海思和聯(lián)發(fā)科，其實(shí)都只是做芯片設(shè)計(jì)的公司。

首先要進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)，我們明確好芯片的規(guī)格和功能后，先給出一張布滿“與門(mén)”、“非門(mén)”、“或門(mén)”等集成電路邏輯符號(hào)的邏輯設(shè)計(jì)圖，大概長(zhǎng)這樣。

再根據(jù)邏輯圖設(shè)計(jì)電路元器件的布局，給出“電路圖”，大概長(zhǎng)這樣。

如果完全看不懂這兩張圖，不用怕，我們精心挑選了高等教育出版社出版的《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》和《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》兩本書(shū)，適合高中及以上學(xué)歷的朋友從零學(xué)起。

除了理論知識(shí)，芯片設(shè)計(jì)還需要軟件支持。就像作圖、畫(huà)圖紙需要PS、CAD等軟件一樣，邏輯圖和電路布局圖也并非是在紙上徒手作畫(huà)，而是需要使用EDA軟件。

如果要設(shè)計(jì)22nm以下制程工藝的芯片，就必須從三家總部在美國(guó)的公司購(gòu)買(mǎi)正版軟件。

在EDA軟件上，最終會(huì)得到類(lèi)似這樣的電路圖，然后將其制成一張光罩。

光罩的原理和作用類(lèi)似于傳統(tǒng)照相機(jī)的底片，光線打過(guò)光罩后，我們就可以得到一層電路圖形。

由于一枚芯片是由幾十層電路層層堆疊而成三維結(jié)構(gòu)，所以就需要用幾十層光罩一一對(duì)應(yīng)。

比如一張7nm制程的處理器芯片，往往會(huì)需要80張以上的光罩。

拿到光罩后，我們開(kāi)始自制芯片的第二步，制造。臺(tái)積電的生意，就集中在這一步。

簡(jiǎn)化描述一下芯片的制造過(guò)程。

首先在硅片上覆蓋一層薄膜，涂上光刻膠；然后用強(qiáng)光透過(guò)寫(xiě)有電路圖的光罩，打在光刻膠上；強(qiáng)光會(huì)破壞光刻膠的結(jié)構(gòu)，但光罩上被遮擋的部分，光刻膠不會(huì)被破壞，光罩也就copy到了光刻膠上；

最后再?zèng)_蝕、溶解掉沒(méi)有被光刻膠覆蓋的薄膜以及剩下的光刻膠，晶圓上就只留下與電路圖圖形一模一樣的薄膜了。

利用設(shè)計(jì)好的多層光罩，不斷重復(fù)上述過(guò)程，最后，最初的硅片就可以變成這樣一張布滿幾十個(gè)芯片的IC晶圓。

在了解芯片制造復(fù)雜流程的同時(shí)，還有一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，就是如何獲得所需的高品質(zhì)原材料和制造設(shè)備。

比如，制造環(huán)節(jié)最重要的光刻機(jī)去哪兒買(mǎi)？

目前高端光刻機(jī)市場(chǎng)幾乎被荷蘭ASML公司壟斷，他們2019年生產(chǎn)的26臺(tái)EUV光刻機(jī)，約有一半被臺(tái)積電買(mǎi)走，每臺(tái)約1.2億美元。

另外根據(jù)ASML的“客戶聯(lián)合投資專(zhuān)案”，他的客戶往往都是投資自己的股東，比如臺(tái)積電就在2012年以8.38億歐元獲得了ASML 5%的股權(quán)。

但各位青年實(shí)業(yè)家不用因此灰心，我們發(fā)現(xiàn)，在某魚(yú)APP上，有人出售二手閑置ASML光刻機(jī)，包郵價(jià)格為1億人民幣。

等待光刻機(jī)的同時(shí)，其它難以在國(guó)內(nèi)采購(gòu)的原材料和設(shè)備，只能親自出國(guó)走一趟了。

溫馨提示：以下內(nèi)容搭配該音樂(lè)食用，效果更佳：清晨的第一縷陽(yáng)光剛剛?cè)龅绞锥紮C(jī)場(chǎng)，我們已經(jīng)動(dòng)身，精神飽滿地趕往日本和美國(guó)，此行的目的，是去采購(gòu)制造芯片必須的幾樣原材料和設(shè)備。

這里是日本，我們要尋找的，是國(guó)產(chǎn)良品率不夠的硅片，以及技術(shù)還不夠成熟的光刻膠等原材料，這些，是日本人50年積累的工業(yè)精華，也是人類(lèi)科技寶貴而又神秘的饋贈(zèng)。

而在美國(guó)，我們的目的地是加州的“應(yīng)用材料公司”（Applied Materials， Inc）這家低調(diào)而又神秘的美國(guó)公司，能生產(chǎn)除光刻機(jī)外幾乎所有的芯片制造設(shè)備。

我們希望能在這里找到國(guó)產(chǎn)率為0的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備，以及國(guó)產(chǎn)率極低的沉積設(shè)備。

辛勞的汗水，果敢的決心，和早出晚歸的等待，我們終于買(mǎi)到了制造芯片的所有原材料。是時(shí)候啟動(dòng)我們從閑魚(yú)上買(mǎi)來(lái)的光刻機(jī)，用機(jī)器散發(fā)的熱量，來(lái)溫暖一下自己久曠的心靈。

在制得的IC晶圓上有幾十張芯片，但看上去，和拆開(kāi)手機(jī)后我們看到的芯片還不太一樣，因?yàn)檫€差最后一步：封裝。

如果你拆過(guò)手機(jī)或電腦，可能會(huì)對(duì)主板上這樣的小黑盒有印象，所謂封裝，就是將IC晶圓上剪下來(lái)的芯片裝進(jìn)這個(gè)小黑盒的過(guò)程。

位于產(chǎn)業(yè)鏈末端的封裝，相對(duì)來(lái)說(shuō)門(mén)檻和附加值較低，勞動(dòng)密集度比較高。國(guó)內(nèi)有多家企業(yè)在深耕這一領(lǐng)域，占據(jù)了相當(dāng)一部分市場(chǎng)份額。

至此，就講完了自制芯片的全部流程。但在各位親自動(dòng)手發(fā)家致富之前，還要潑點(diǎn)冷水。

目力所及，我們見(jiàn)過(guò)自制芯片最成功的的，是一位UP主自制了一枚1cm工藝的芯片，作為對(duì)比，華為P40系列使用的麒麟990 5G，基于的則是7nm工藝。

可以說(shuō)，最近30年的科技產(chǎn)業(yè)史，就是一部科技產(chǎn)業(yè)鏈分工合作不斷精細(xì)化的歷史。眼下，一個(gè)個(gè)人或是一家公司，想要包攬芯片全產(chǎn)業(yè)鏈，幾乎是件不可能完成的任務(wù)。

風(fēng)云際會(huì)，浪潮洶涌，當(dāng)中國(guó)科技產(chǎn)業(yè)慷慨應(yīng)戰(zhàn)，我們不能也不應(yīng)該，將所有希望全部寄托在某一家公司身上，不管它叫華為，還是叫中芯國(guó)際。

原文標(biāo)題：如何自制一枚芯片？

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