不管是處理器顯示卡還是硬碟記憶體，甚至是汽車，現在都因為晶片供應問題在喊著“缺缺缺”，價格“漲漲漲”。更要命的是，原本以為年底就差不多完事的晶片荒，英特爾表示恐怕要延續到2023年了，大家還得等等等。晶片荒的市場原因咱們之前的推送中已經解釋過了，那為啥不趕緊擴產呢？今天咱們來了解一下晶片生產有多難，大家就能理解了。

這裡要注意的是，我們說的是生產！生產！生產！，隨著“代工”行業的蓬勃發展，現在能夠設計的晶片公司很多，各種新的晶片總是在不斷髮布，但它們都是紙面上存在的產品，千萬不要和生產出來的晶片混淆。另外，為了便於說明，咱們這裡就以最典型的晶片，也是英特爾CEO提到的CPU來說明。

我們經常能看到一句玩笑話“晶片就是沙子”，理論上這句話沒有錯誤，但是要想實現從“沙子到晶片”的轉變，那真是無比困難。總體來說，晶片的製造過程需要一個非常冗長的製作階段，每一步都是集尖端技術之大成。

● 從沙提純開始

目前晶片的製造，是基於一種名為矽（silicon）的化學元素。它是半導體，晶片的計算是透過半導體的不斷“開/關（導通/斷開）”來完成的，所以實際上晶片的最核心部件某種程度上可以被稱作“矽做的半導體開關總和”。

小知識：什麼是半導體？

半導體是一種電導率在絕緣體至導體之間的物質。電導率容易受控制的半導體，可作為資訊處理的元件材料。

我們通常是從沙子中提取矽，也就是所謂的“沙子變晶片”。首先用焦炭去燒沙子，得到粗煉的矽，然後精煉，使其純度提升到99。99%以上。然後透過石英熔爐融化後，慢慢的定向結晶，生產出內部結構均勻、純淨的晶體，即所謂的單晶矽，其最終純度會達到驚人的99。999999999%。這個過程的週期就已經很長、對生產環境的潔淨度等要求很高了。

這裡要注意的是，單晶矽並不是純粹的圓柱體，200mm直徑以下的產品會有一個平切面，作用就是在後續工藝中能進行固定和定位。到了200mm以上的晶圓上，為了儘量利用晶圓生產更多的晶片，減少不必要的浪費，這個平切面就變成了一個小切口，這樣可以節省一部分晶圓面積，用來製造晶片。

● 切割晶圓

之後單晶矽送至其他廠商（一般就是光刻廠）或下游工序切成薄薄的小片，廠商會在絕對無塵的環境下，透過“金剛線”切割。這個過程不是單純的一“切”了事，切的方法也是根據矽晶圓的尺寸而有所區別的。

這一步聽起來很容易，實際不然，在切割過程中半導體晶圓邊沿容易出現微裂、崩邊和應力集中點，晶圓表面也存在應力分佈不均和損傷，這會造成晶圓製造中產生大量滑移線、外延層錯、滑移位錯、微缺陷等二次缺陷以及半導體晶圓、晶片破裂。所以需要極高技術水平的切割工藝來克服線鋸的晃動、提高其穩定性。

聽起來是不是已經非常困難了？更難的事情在後面。現在這個切好的薄片並不能做什麼，接下來的步驟是給這個切片塗抹光阻劑，這個光阻劑的塗抹需要非常均勻而且非常薄，相當於把這個晶圓切片成為一個膠片底板，方便後續的影印、蝕刻。

● “拍照、印刷”製作基板

接下來就是最複雜的光刻製造工藝了，要用這些塗抹了光阻劑的切片“拍照”。工廠使用專業裝置，透過高能光線將印製了晶片複雜電路結構圖樣的“模板”投射到這些晶圓切片之上，圖樣的透光部分射出的光線會讓照射到的部位光阻劑溶解。之後塗上金屬層，就形成了一個粗糙的線路，或者說晶片模組的雛形，這個過程相當於給後續晶片製造做一個“基板”。

這一步同樣看似簡單，其實複雜程度超出想象——每個遮罩的資料量都是以10GB為單位。而遮罩本身的精細程度、光線的準確程度、塗抹的精密均勻程度等要求也是極高的。目前的線路精細程度，也就是所謂的生產工藝達到nm級別，甚至已經要考慮光線波長的衍生等影響，因此要使用波長很短的紫外線或極紫外線。

另外，要讓光線聚焦、偏轉，還得使用大麴率的透鏡、反射鏡等裝備，它們的製造精密度要求也極高，且每一次折射、投射都會損耗能量，就對光源功率、鏡片耐熱等提出了極高要求，使得整合這一切的光刻機更為複雜，而光刻機的能力直接影響到了蝕刻的成功率，也就是通常說的良品率。

此外，蝕刻並不是一次就夠的，隨著晶片的發展，其設計越來越複雜，往往是很多層電路組成的。所以需要反反覆覆在晶圓上一層一層的蝕刻，在生產時還需要在每一層電路之間留下連通的通道，每一層蝕刻前都需要重複塗抹光阻劑、影印、填充金屬，可能還需要清洗等，現在晶片蝕刻的步驟通常都需要20步以上。

這些電路構成的電晶體結構以及聯通電路都要考慮漏電、電阻等諸多問題，因此要使用更復雜的結構，比如FinFET等，要實現這些結構，製造工藝就變得更加複雜。

這些先進的製程技術和複雜結構可以讓電路之間的導通更為高效、緊湊，讓晶片發揮出更好的效能，但也進一步提升了製造的複雜度，對光刻工藝的軟硬體都提出了極高的要求。所以如今的光刻機價格已經達到了億美元級別，生產交貨週期以年計，更需要潔淨度極高的廠房，極為專業的人員等配套，因此擴產的成本極高、週期極長。

● 封裝、測試 成為產品前的最後兩步

電路製造完畢後的晶片在清洗掉光阻劑等材料後就可以走出光刻機甚至代工廠了。下一個工序或者下一個工廠會將這一個個製造好的晶片，也就是一個個的DIE切割下來。這時候它們還不能直接使用，而且直接暴露的矽片很脆弱，需要進行封裝，就是把每一個被切割下來的小方塊安裝在基板上，引出與外部連線的引腳，通常還會蓋上一個保護脆弱矽片的蓋子。

封裝的意義並不僅僅是讓這顆小晶片能有辦法“插”到主機板上，更關鍵的問題在於，晶片本身的電晶體密度已經超乎尋常，然而主機板的佈線密度相形之下就要“稀疏”許多了，如何讓落差巨大的二者能完美結合就是個巨大的挑戰。封裝原本只不過是連線安裝之用，而今也承擔了這個重任——以最低成本將高密度與低密度線路結合在一起。

此外在晶圓出廠前，封裝前後還要進行測試，確認是否能工作、是否有瑕疵、問題出在何處等。有時我們會看到晶圓上有些DIE被破壞，或者是封裝後的晶圓上留下了一些DIE，就是這些出了問題，或者不合格的產品。

在這個步驟裡，那些能執行的DIE和晶片，也會有頻率上不去，快取有缺陷，某些功能不能正常執行（如核顯）的。廠商會透過遮蔽、調整，將晶片劃為“三六九等”，比如一塊CPU是酷睿i3、英特爾酷睿i5、英特爾酷睿i7還是i9；一塊GPU是RTX 3080還是RTX 3090；一個記憶體顆粒是DDR4 2666還是3200等，都是在這個測試環節被區分出來的。

最後將晶片的型號、編碼等刻到頂蓋，再經過包裝，一顆可以成為商品化的晶片，或者說本例中的CPU就誕生了。在這一封裝測試環節中，同樣涉及到及精細的引腳焊接等工藝，雖然遠沒有光刻的門檻高，卻也已經屬於高科技、高精密工業的範疇。

總之，晶片製造領域不僅流暢超長，而且幾乎每一步都是目前人類工業能力的最高表現形式。其製造之艱難、產能擴充套件之緩慢，小夥伴們應該也就能理解了吧。