小小芯片上的上千万个晶体管是怎么装上去的
我们的手机和电脑里都是安装了各种类型的芯片，芯片本身是由数以亿计的晶体管组成的，而芯片是在硅晶圆的基础上一步一步制造出来的，而且这个过程非常复杂，涉及到光刻、离子注入、蚀刻、曝光等一系列步骤，由于芯片对硅晶圆的纯度和光刻精度要求非常高，所以这都需要各类高端高精尖的设备才能进行，如果有杂质和误差问题，那么芯片也就无法正常工作。
所以说芯片当中数以亿计的晶体管都是在硅晶圆上用光刻机光刻或者蚀刻上去的，之后还要以类似的方法做上相应的电路和连线，从而才能保证晶体管的正常通电工作。当然，为了保证晶体管布局的准确无误，在芯片制造之前就必须把图纸或者电子图设计好，这往往需要相当长的时间，也需要经过多次验证和试产阶段，只有准确无误的将复杂无比的电路给到一颗颗晶体管上面，并且能保证正常工作才可以开始投产制造。
虽说半导体芯片的制造工艺不断升级，但是晶体管本身的大小并没有明显变化，在大约10多年以前，晶体管大都是以2D平面式布局在芯片当中，但是自从2011年英特尔推出3D晶体管层叠结构以来，晶体管便能以层级堆叠的形式排列起来，这样就大大增加了晶体管密度，同时借助更先进的制造工艺，晶体管之间的间距也变得更小，这样在同样大小的芯片中才能获得更高的性能或更低的功耗，半导体芯片这么多年也都是按照这样的理念发展的。
有了芯片才让电子产品插上翅膀，芯片于电子产品等同于发动机于汽车。制造一个芯片的难度不亚于建设一座城市。
显微镜下的芯片世界可谓是星罗棋布，无数细节让人惊叹不已。一块指甲盖大小的芯片，居然包含了上亿根晶体管和导线。那么，如此精密的设备是如何被生产出来的呢？图3到图6可以帮你大致理解流程。
我一定要回答一下这个问题！
首先我们要知道，一块小小的芯片上面可不是“成千上万个晶体管”，而是十亿、数十亿个晶体管。比如说华为用在手机中的麒麟980芯片（只有指甲盖那么大），这上面就集成了将近70亿个晶体管。
而想要把这些晶体管装到芯片上面，靠人工可是不行的，靠自动化的机器也是不行的，因为这些晶体管不仅特别小，而且数量特别多，就算是自动化的机器也没办法很快安装好。
那么人们是怎么把这些小晶体管“装”到芯片上的呢？
我们在说具体的方法之前，我们先说一个事情：你想要在电脑上画一个非常复杂、但是有规律的图其实是非常容易的，尤其是像芯片电路这样重复性很高的图片，只要你画出来一个单元，然后尽管复制就行了（如下图所示，这种重复性的工作在电脑上的操作是非常容易的）。
所以我们就只要把电脑画出来的图片给“打印”成电路就行了。
有人会想了：我们只听说过激光打印、喷墨打印，难道说电路还可以打印出来吗？
没错，电路就是可以打印出来——事实上这就是芯片怎么生产出来的。
下面这幅图就是光刻机的原理。电路的形状一开始是画在一张比较大的分划板上的，然后通过透镜把电路的图案缩的很小，然后照射在涂抹了光刻胶的金属板上（就是所谓的晶圆了）。光线把光刻胶雕刻成你需要的电路的形状，然后就可以进行进一步的蚀刻。
下面这幅图这是蚀刻的过程。可以看到，没有光刻胶的那部分金属在化学物质的作用下被溶解了，然后晶圆表面就变成了我们想要的形状。整个大规模集成电路光刻和蚀刻的过程可以见再下一张图。
上面就是工程上把电路打印出来的过程，所以只要你可以把电路图画出来，那么就可以进一步地把电路打印出来——自然不需要你一根一根地往上安装了。
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芯片（集成电路）真是伟大的发明
芯片其实是半导体元器件的统称，成千上万个晶体管集成地一起，我们称之为集成电路，我们平常见到的大大小小的专用IC，单片机，CPU等其实就是集成电路。集成电路有薄膜（thin-film）集成电路和厚膜（thick-film）集成电路。薄膜（thin-film）集成电路是把电路制造在半导体芯片的表面上；厚膜（thick-film）集成电路是独立的半导体体设备和被动的组件，是集成到衬底或线路板的小型化电路
芯片上的晶体管我想应该是“刻”上去的
我们经常看到“我国制造不出高精密的光刻机”，“我们的芯片制造受制于人”，“新先进的ASML光刻机数亿美元一台，有钱也买不到”这样的新闻。所以我猜测芯片上成千上万的晶体管是“刻”上去的。设计、生产高端的芯片的确是非常的困难。芯片的生产是非常复杂的，网上找到一个放大再放大后的NAND Gate(与非门)，大概就是下图的样子。
芯片的设计、生产虽然是相当复杂，但我们国家的发展和进步也是不可阻挡的。虽然目前在芯片设计、制造上是远远落后，但我认为用不了多久，我们一定会赶上来的。
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苹果的A14芯片在85平方毫米的面积内塞入了125亿~150亿颗晶体管，这就意味着每平方毫米的晶体管密度可望达到1.76亿。如果等比例放大，可比北、上、广、深任何一座城市的规模复杂得多得多。
不要试图用传统的办法一颗一颗的焊接这些相当于头发丝直径10万分之一大小的晶体管，因为根本不可能，用镊子夹一颗晶体管跟夹空气没有任何区别，更别说用烙铁将晶体管准确的焊接在已纳米计算的位置上。
目前普通人手工能操作的最小尺度应该是在一粒宽约1毫米、长约3毫米的米上刻字。当然借助超高精度的机床操作，精度可以达到0.01~0.001微米，这种极限精度对于操纵一颗晶体管还远远不够。
晶体管其实并不是焊上去的，而是通过光刻出来的
没错就是用光来做刻刀，原理就像我们在沙滩上晒太阳，暴晒一段时间后，阳光能照射到的皮肤呈现深色，而经过遮挡的皮肤阳光无法照射呈现浅色，这样一幅具象的图案就显现出来了。
首先需要一块纯度99.999999999999%（小数点后面12个9）的高纯度晶圆做地基。这样晶体管和铜导线才能夯实得各归其位。
光源是直接决定单位面积内能容纳多少晶体管的决定性因素之一。芯片想要做得越小、在单位面积内容纳更多的晶体管，使用更短波长的光源是最直接的手段。ASML的极紫外光刻机（EUV）是以10~14纳米的极紫外光作为光源。
设计好的芯片图纸会被制作成一层一层的光罩，一般一块芯片是由几十层电路组成，而每一层电路都需要一个光罩。
万事俱备只欠东风，晶圆加热表面形成氧化膜后，让光透过光罩射到涂了光刻胶的晶圆上。被光罩上的电路图挡住光的部分留下，而被光照到的光刻胶遇光就会起反应，容易会被化学腐蚀反应分解出去，或者用等离子体轰击晶圆表面的方式去除没有被光覆盖的位置，一层电路就这样刻在晶圆上了。
不需要的光刻胶除去之后，在露出的晶片内注入使晶体管能高效工作的杂质物质，从而制作出半导体元器件。注入后的半导体放在一定温度下进行加热就可以恢复晶体的结构，消除缺陷从而激活半导体材料的电学性能。重复以上的步骤就可以形成多层电子回路。
多层电子回路之间是通过气相沉积、电镀的方式形成绝缘层和金属连线，而电镀用于生长铜连线金属层。
已经制作好的晶圆在经过化学腐蚀、机械研磨相结合的方式对晶圆表面进行磨抛，实现表面平坦化。然后再进行切片、封装、检测就做成了一块完整的芯片。
芯片制造的原理看似简单，但每一步都属于挑战极限
从沙子转变成可以制作芯片99.999999999999%的高纯度晶圆，难度可想而知，就连如今使用的极紫外光光源都是费了九牛二虎之力才有所突破，而光刻胶就有几千种。这些都还不是极限难度，极限难度在于如何将电路一层一层的刻画到晶圆上，同时又保持晶体管和电路的泾渭分明，在纳米尺度上保持多层光刻电路对齐。
在整个世界范围内能组装光刻机的凤毛麟角，AMSL更是垄断了高端光刻机市场，至今无人能望其项背。其中能造7nm以下工艺的极紫外光刻机EUV重达180吨，拥有超过10万个零部件，90%的关键设备来自外国而非荷兰本国，ASML作为整机公司，实质上只负责光刻机设计与集成各模块，需要全而精的上游产业链作坚实支撑。通俗一些讲：就算给你EUV完整的图纸和配件，也很难调试出光刻芯片的精度。
芯片制造这件事，需要一整个完善的产业链来支撑。对于我们国家来说任重而道远，对于国外的封锁，只能一步一个脚印，没有它法。
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