先(xiān)来(lái)講一(yī)講，为(wèi)啥大家(jiā)都说(shuō)芯片(piàn)里(lǐ)有(yǒu)成(chéng)万(wàn)上(shàng)亿(yì)个(gè)晶體(tǐ)管(guǎn)？晶體(tǐ)管(guǎn)是(shì)什麼(me)東(dōng)東(dōng)？感(gǎn)興趣的(de)可(kě)以(yǐ)看(kàn)看(kàn)这(zhè)一(yī)部(bù)分(fēn)。

一(yī)、紙(zhǐ)上(shàng)談IC

一(yī)般的(de)，我(wǒ)们(men)用(yòng)由(yóu)上(shàng)而(ér)下(xià)的(de)层級来(lái)認識集成(chéng)電(diàn)路(lù)，这(zhè)樣(yàng)便于(yú)理解(jiě)，也(yě)更(gèng)有(yǒu)条(tiáo)理些。

（1）系(xì)統級

以(yǐ)手(shǒu)機(jī)为(wèi)例，整个(gè)手(shǒu)機(jī)是(shì)一(yī)个(gè)複雜的(de)電(diàn)路(lù)系(xì)統，它(tā)可(kě)以(yǐ)打(dǎ)電(diàn)話(huà)、可(kě)以(yǐ)玩遊戏、可(kě)以(yǐ)听(tīng)音(yīn)乐(lè)、可(kě)以(yǐ)哔--。它(tā)由(yóu)多(duō)个(gè)芯片(piàn)以(yǐ)及(jí)電(diàn)阻、電(diàn)感(gǎn)、電(diàn)容相互連(lián)接而(ér)成(chéng)，稱为(wèi)系(xì)統級。（當然，随着技術(shù)的(de)發(fà)展(zhǎn)，将一(yī)整个(gè)系(xì)統做在(zài)一(yī)个(gè)芯片(piàn)上(shàng)的(de)技術(shù)也(yě)已經(jīng)出(chū)現(xiàn)多(duō)年(nián)——SoC技術(shù)）

（2）模块(kuài)級

在(zài)整个(gè)系(xì)統中(zhōng)分(fēn)为(wèi)很多(duō)功能(néng)模块(kuài)各(gè)司其職。有(yǒu)的(de)管(guǎn)理電(diàn)源，有(yǒu)的(de)負責通(tòng)信(xìn)，有(yǒu)的(de)負責顯示，有(yǒu)的(de)負責發(fà)聲，有(yǒu)的(de)負責統領全(quán)局(jú)的(de)計(jì)算，等等。我(wǒ)们(men)稱为(wèi)模块(kuài)級。这(zhè)里(lǐ)面(miàn)每一(yī)个(gè)模块(kuài)都是(shì)一(yī)个(gè)宏大的(de)領域，都聚集着无數人(rén)類(lèi)智慧的(de)結晶，也(yě)養活了(le)很多(duō)公司。

（3）寄存器傳輸級（RTL）

那(nà)麼(me)每个(gè)模块(kuài)都是(shì)由(yóu)什麼(me)組成(chéng)的(de)呢？以(yǐ)占整个(gè)系(xì)統較大比例的(de)數字(zì)電(diàn)路(lù)模块(kuài)（它(tā)專門(mén)負責進(jìn)行邏輯運算，处理的(de)電(diàn)信(xìn)号(hào)都是(shì)離散(sàn)的(de)0和(hé)1）为(wèi)例。它(tā)是(shì)由(yóu)寄存器和(hé)組合邏輯電(diàn)路(lù)組成(chéng)的(de)。

所(suǒ)謂寄存器就(jiù)是(shì)一(yī)个(gè)能(néng)够暫时(shí)存儲邏輯值的(de)電(diàn)路(lù)結構，它(tā)需要(yào)一(yī)个(gè)时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)来(lái)控制邏輯值存儲的(de)时(shí)間(jiān)长短(duǎn)。

現(xiàn)实中(zhōng)，我(wǒ)们(men)需要(yào)时(shí)鐘(zhōng)来(lái)衡量(liàng)时(shí)間(jiān)长短(duǎn)，電(diàn)路(lù)中(zhōng)也(yě)需要(yào)时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)来(lái)統籌安(ān)排。时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)是(shì)一(yī)个(gè)周期(qī)稳定(dìng)的(de)矩形波(bō)。現(xiàn)实中(zhōng)秒(miǎo)鐘(zhōng)動(dòng)一(yī)下(xià)是(shì)我(wǒ)们(men)的(de)一(yī)个(gè)基本(běn)时(shí)間(jiān)尺度(dù)，電(diàn)路(lù)中(zhōng)矩形波(bō)震蕩一(yī)个(gè)周期(qī)是(shì)它(tā)们(men)世界的(de)一(yī)个(gè)时(shí)間(jiān)尺度(dù)。電(diàn)路(lù)元(yuán)件(jiàn)们(men)根(gēn)據(jù)这(zhè)个(gè)时(shí)間(jiān)尺度(dù)相應(yìng)地(dì)做出(chū)動(dòng)作，履行義务。

組合邏輯呢，就(jiù)是(shì)由(yóu)很多(duō)“與(yǔ)（AND）、或(huò)（OR）、非(fēi)（NOT）”邏輯門(mén)構成(chéng)的(de)組合。比如(rú)两(liǎng)个(gè)串聯的(de)燈(dēng)泡，各(gè)带(dài)一(yī)个(gè)開(kāi)關(guān)，只(zhī)有(yǒu)两(liǎng)个(gè)開(kāi)關(guān)都打(dǎ)開(kāi)，燈(dēng)才会(huì)亮(liàng)，这(zhè)叫做與(yǔ)邏輯。

一(yī)个(gè)複雜的(de)功能(néng)模块(kuài)正(zhèng)是(shì)由(yóu)这(zhè)许许多(duō)多(duō)的(de)寄存器和(hé)組合邏輯組成(chéng)的(de)。把这(zhè)一(yī)层級叫做寄存器傳輸級。

图(tú)中(zhōng)的(de)三(sān)角(jiǎo)形加一(yī)个(gè)圆(yuán)圈是(shì)一(yī)个(gè)非(fēi)門(mén)，旁邊(biān)的(de)器件(jiàn)是(shì)一(yī)个(gè)寄存器，D是(shì)輸入(rù)，Q是(shì)輸出(chū)，clk端輸入(rù)时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)。

（4）門(mén)級

寄存器傳輸級中(zhōng)的(de)寄存器其实也(yě)是(shì)由(yóu)與(yǔ)或(huò)非(fēi)邏輯構成(chéng)的(de)，把它(tā)再细(xì)分(fēn)为(wèi)與(yǔ)、或(huò)、非(fēi)邏輯，便到(dào)达(dá)了(le)門(mén)級（它(tā)们(men)就(jiù)像一(yī)扇(shàn)扇(shàn)門(mén)一(yī)樣(yàng)，阻挡/允许電(diàn)信(xìn)号(hào)的(de)進(jìn)出(chū)，因(yīn)而(ér)得名）。

（5）晶體(tǐ)管(guǎn)級

无論是(shì)數字(zì)電(diàn)路(lù)還(huán)是(shì)模拟電(diàn)路(lù)，到(dào)最(zuì)底层都是(shì)晶體(tǐ)管(guǎn)級了(le)。所(suǒ)有(yǒu)的(de)邏輯門(mén)（與(yǔ)、或(huò)、非(fēi)、與(yǔ)非(fēi)、或(huò)非(fēi)、异(yì)或(huò)、同(tóng)或(huò)等等）都是(shì)由(yóu)一(yī)个(gè)个(gè)晶體(tǐ)管(guǎn)構成(chéng)的(de)。因(yīn)此(cǐ)集成(chéng)電(diàn)路(lù)從宏观到(dào)微观，达(dá)到(dào)最(zuì)底层，滿眼(yǎn)望去(qù)其实全(quán)是(shì)晶體(tǐ)管(guǎn)以(yǐ)及(jí)連(lián)接它(tā)们(men)的(de)導線(xiàn)。

早(zǎo)期(qī)的(de)时(shí)候双(shuāng)极(jí)性(xìng)晶體(tǐ)管(guǎn)（BJT）用(yòng)的(de)比較多(duō)，俗稱三(sān)极(jí)管(guǎn)。它(tā)連(lián)上(shàng)電(diàn)阻、電(diàn)源、電(diàn)容，本(běn)身(shēn)就(jiù)具有(yǒu)放(fàng)大信(xìn)号(hào)的(de)作用(yòng)。像堆(duī)積木(mù)一(yī)樣(yàng)，可(kě)以(yǐ)用(yòng)它(tā)構成(chéng)各(gè)種(zhǒng)各(gè)樣(yàng)的(de)電(diàn)路(lù)，比如(rú)開(kāi)關(guān)、電(diàn)壓/電(diàn)流源電(diàn)路(lù)、上(shàng)面(miàn)提(tí)到(dào)的(de)邏輯門(mén)電(diàn)路(lù)、濾波(bō)器、比較器、加法器甚至(zhì)積分(fēn)器等等。由(yóu)BJT構建的(de)電(diàn)路(lù)我(wǒ)们(men)稱为(wèi)TTL（Transistor-Transistor Logic）電(diàn)路(lù)。BJT的(de)電(diàn)路(lù)符号(hào)长这(zhè)个(gè)樣(yàng)子：

後(hòu)来(lái)金(jīn)屬-氧化(huà)物(wù)半導體(tǐ)场效應(yìng)晶體(tǐ)管(guǎn)（MOSFET）的(de)出(chū)現(xiàn)，以(yǐ)优良的(de)電(diàn)学特(tè)性(xìng)、超低的(de)功耗橫掃IC領域。除了(le)模拟電(diàn)路(lù)中(zhōng)BJT還(huán)有(yǒu)身(shēn)影外(wài)，基本(běn)上(shàng)現(xiàn)在(zài)的(de)集成(chéng)電(diàn)路(lù)都是(shì)由(yóu)MOS管(guǎn)組成(chéng)的(de)了(le)。同(tóng)樣(yàng)的(de)，由(yóu)它(tā)也(yě)可(kě)以(yǐ)搭起来(lái)成(chéng)千(qiān)上(shàng)万(wàn)種(zhǒng)電(diàn)路(lù)。而(ér)且它(tā)本(běn)身(shēn)也(yě)可(kě)以(yǐ)經(jīng)过(guò)适當連(lián)接用(yòng)来(lái)作電(diàn)阻、電(diàn)容等基本(běn)電(diàn)路(lù)元(yuán)件(jiàn)。MOSFET的(de)電(diàn)路(lù)符号(hào)如(rú)下(xià)：

如(rú)上(shàng)所(suǒ)述，在(zài)实際工業生(shēng)産中(zhōng)，芯片(piàn)的(de)制造，实際上(shàng)就(jiù)是(shì)成(chéng)千(qiān)上(shàng)万(wàn)个(gè)晶體(tǐ)管(guǎn)的(de)制造过(guò)程。

現(xiàn)实中(zhōng)制造芯片(piàn)的(de)层級順序就(jiù)要(yào)反(fǎn)过(guò)来(lái)了(le)，從最(zuì)底层的(de)晶體(tǐ)管(guǎn)開(kāi)始一(yī)层层向(xiàng)上(shàng)搭建。

基本(běn)上(shàng)，按照“晶體(tǐ)管(guǎn)->芯片(piàn)->電(diàn)路(lù)板” 的(de)順序，我(wǒ)们(men)最(zuì)終(zhōng)可(kě)以(yǐ)得到(dào)電(diàn)子産品的(de)核心(xīn)部(bù)件(jiàn)——電(diàn)路(lù)板。

二(èr)、IC的(de)制造

想(xiǎng)直(zhí)接看(kàn)芯片(piàn)制造的(de)可(kě)以(yǐ)直(zhí)接空降至(zhì)此(cǐ)。

下(xià)文(wén)中(zhōng)的(de)光(guāng)刻機(jī)主(zhǔ)要(yào)指步進(jìn)式和(hé)掃描式光(guāng)刻機(jī)。

1. 首先(xiān)我(wǒ)们(men)知道(dào)，光(guāng)刻的(de)大致(zhì)流程是(shì)，一(yī)个(gè)晶圆(yuán)（wafer）（通(tòng)常直(zhí)徑为(wèi)300mm）上(shàng)塗一(yī)层光(guāng)刻胶(jiāo)，然後(hòu)光(guāng)線(xiàn)經(jīng)过(guò)一(yī)个(gè)已經(jīng)刻有(yǒu)電(diàn)路(lù)图(tú)案(àn)（pattern）的(de)掩膜版（mask or reticle）照射到(dào)晶圆(yuán)上(shàng)，晶圆(yuán)上(shàng)的(de)光(guāng)刻胶(jiāo)部(bù)分(fēn)感(gǎn)光(guāng)（对(duì)應(yìng)有(yǒu)图(tú)案(àn)的(de)部(bù)分(fēn)），接着做後(hòu)續的(de)溶解(jiě)光(guāng)刻胶(jiāo)、蝕刻晶圆(yuán)等处理。然後(hòu)再塗一(yī)层光(guāng)刻胶(jiāo)，重(zhòng)複上(shàng)述步驟幾(jǐ)十(shí)次(cì)，以(yǐ)达(dá)到(dào)所(suǒ)需要(yào)求；

2. 簡化(huà)結構請看(kàn)下(xià)图(tú)。掩膜版和(hé)晶圆(yuán)各(gè)自(zì)安(ān)裝(zhuāng)在(zài)一(yī)个(gè)運動(dòng)平台(tái)上(shàng)（reticle stage and wafer stage）。光(guāng)刻时(shí)，两(liǎng)者(zhě)運動(dòng)到(dào)規定(dìng)的(de)位置，光(guāng)源打(dǎ)開(kāi)。光(guāng)線(xiàn)通(tòng)过(guò)掩膜版後(hòu)，經(jīng)过(guò)透鏡(jìng)，該透鏡(jìng)能(néng)够将電(diàn)路(lù)图(tú)案(àn)縮小至(zhì)原来(lái)的(de)四(sì)分(fēn)之一(yī)，然後(hòu)投射到(dào)晶圆(yuán)上(shàng)，使光(guāng)刻胶(jiāo)部(bù)分(fēn)感(gǎn)光(guāng)。

3. 一(yī)块(kuài)晶圆(yuán)上(shàng)有(yǒu)很多(duō)die，每一(yī)个(gè)die上(shàng)都刻有(yǒu)相同(tóng)的(de)電(diàn)路(lù)图(tú)案(àn)，即一(yī)块(kuài)晶圆(yuán)可(kě)以(yǐ)出(chū)産很多(duō)芯片(piàn)。一(yī)个(gè)die典型的(de)尺寸(cùn)是(shì)26×32mm。光(guāng)刻機(jī)主(zhǔ)要(yào)有(yǒu)两(liǎng)種(zhǒng)，一(yī)種(zhǒng)叫做stepper，即掩膜版和(hé)晶圆(yuán)上(shàng)的(de)某一(yī)个(gè)die運動(dòng)到(dào)位後(hòu)，光(guāng)源開(kāi)、閉，完成(chéng)一(yī)次(cì)光(guāng)刻，然後(hòu)晶圆(yuán)運動(dòng)使得下(xià)一(yī)个(gè)die到(dào)位，再進(jìn)行一(yī)次(cì)光(guāng)刻，依此(cǐ)類(lèi)推。而(ér)另(lìng)一(yī)種(zhǒng)光(guāng)刻機(jī)叫做scanner，即光(guāng)線(xiàn)被(bèi)限制在(zài)一(yī)条(tiáo)縫的(de)區(qū)域內(nèi)，光(guāng)刻时(shí)，掩膜版和(hé)晶圆(yuán)同(tóng)时(shí)運動(dòng)，使光(guāng)線(xiàn)以(yǐ)掃描的(de)方(fāng)式掃过(guò)一(yī)个(gè)die的(de)區(qū)域，從而(ér)将電(diàn)路(lù)图(tú)案(àn)刻在(zài)晶圆(yuán)上(shàng)（見(jiàn)下(xià)图(tú)(b)）。scanner比stepper的(de)优勢在(zài)于(yú)，可(kě)以(yǐ)提(tí)供更(gèng)大的(de)die的(de)尺寸(cùn)。其原因(yīn)在(zài)于(yú)，对(duì)于(yú)一(yī)个(gè)固定(dìng)尺寸(cùn)的(de)圆(yuán)透鏡(jìng)，比如(rú)直(zhí)徑32mm的(de)圆(yuán)（指投射後(hòu)的(de)區(qū)域大小），其允许透过(guò)的(de)光(guāng)線(xiàn)的(de)區(qū)域尺寸(cùn)是(shì)受限的(de)。若采用(yòng)stepper的(de)step-and-expose方(fāng)式進(jìn)行光(guāng)刻，一(yī)个(gè)die的(de)區(qū)域必須能(néng)被(bèi)包(bāo)含在(zài)直(zhí)徑32mm的(de)圆(yuán)中(zhōng)，因(yīn)此(cǐ)能(néng)獲得的(de)最(zuì)大的(de)die的(de)尺寸(cùn)为(wèi)22×22mm；若采用(yòng)scanner的(de)step-and-scan方(fāng)式，透鏡(jìng)能(néng)够提(tí)供的(de)矩形區(qū)域长度(dù)可(kě)以(yǐ)到(dào)26mm（26×8mm）甚至(zhì)更(gèng)长，将光(guāng)縫設置为(wèi)这(zhè)个(gè)尺寸(cùn)，使用(yòng)掃描的(de)方(fāng)式便可(kě)以(yǐ)獲得26×Lmm的(de)區(qū)域（L为(wèi)掃描长度(dù)）。區(qū)域示意(yì)見(jiàn)下(xià)图(tú)(a)。同(tóng)樣(yàng)的(de)透鏡(jìng)在(zài)stepper下(xià)可(kě)以(yǐ)实現(xiàn)更(gèng)大區(qū)域的(de)意(yì)義在(zài)于(yú)，當你需要(yào)生(shēng)産尺寸(cùn)較大的(de)芯片(piàn)的(de)时(shí)候，換一(yī)个(gè)更(gèng)大的(de)透鏡(jìng)的(de)費用(yòng)是(shì)昂貴的(de)。

4. Scanner的(de)step-and-scan过(guò)程的(de)示意(yì)图(tú)如(rú)下(xià)：

5. 为(wèi)了(le)使每层的(de)電(diàn)路(lù)相互之間(jiān)不(bù)發(fà)生(shēng)干(gàn)涉，需要(yào)对(duì)上(shàng)下(xià)平台(tái)進(jìn)行精密運動(dòng)控制。掃描时(shí)上(shàng)下(xià)平台(tái)應(yìng)处于(yú)勻速運動(dòng)階(jiē)段(duàn)。目前(qián)最(zuì)小的(de)层疊誤差小于(yú)2nm（單个(gè)機(jī)器內(nèi)）或(huò)3nm（不(bù)同(tóng)機(jī)器間(jiān)）。

6. 光(guāng)源的(de)波(bō)长一(yī)般为(wèi)365、248、193、157甚至(zhì)13.5 nm（EUV， Extreme Ultraviolet）。因(yīn)为(wèi)光(guāng)刻过(guò)程受到(dào)衍射限制，光(guāng)源波(bō)长越小，能(néng)够做出(chū)的(de)芯片(piàn)尺寸(cùn)就(jiù)越小。

7. 在(zài)透鏡(jìng)和(hé)晶圆(yuán)之間(jiān)加入(rù)折射率大于(yú)1的(de)液體(tǐ)（如(rú)水(shuǐ)），可(kě)以(yǐ)減小光(guāng)線(xiàn)波(bō)长，從而(ér)提(tí)高(gāo)NA（數值孔徑）和(hé)分(fēn)辨率。这(zhè)種(zhǒng)光(guāng)刻機(jī)叫浸潤式（immersion）光(guāng)刻機(jī)。

8. 世界上(shàng)做高(gāo)端光(guāng)刻機(jī)的(de)廠(chǎng)家(jiā)主(zhǔ)要(yào)有(yǒu)ASML、Nikon和(hé)Canon。佳能(néng)大概已經(jīng)不(bù)行了(le)。Nikon每年(nián)開(kāi)个(gè)会(huì)叫做LithoVision。