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。

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。

不知道我说明白没有，欢迎大家点赞、评论、关注走一波呀！

芯片里的晶体管用万的单位来统计是不够的，至少要用亿来统计，像一个7纳米的芯片边长差不多就1.5厘米，要在体积那么小的芯片里放入几十亿的晶体管，必须要用到特殊的技术和工艺。

芯片能够放入那么多的晶体管，内部结构是采用层级堆叠的技术

芯片虽然体积小，但内部结构是错综复杂的微电路。通过X射线观看芯片内部结构，可以看到有很多层级，上下交错层叠大概有10层，每一层都有晶体管，通过导线相互连接。在生产的过程中，先完成第一层再向上递进，就和盖楼差不多。

新型的鳍式场效晶体管体积更小，还具有3D结构、双向控制的特性

鳍式场效晶体管技术是一种新型的半导体晶体管，这种晶体管和鱼鳍很像，已经达到了9奈米，是头发丝的万分之一。如果是传统的晶体管，电流经过闸门时只能管控一边的电路，属于平面结构的类型，而鳍式场效晶体管实现了3D结构，电流可以实现双向控制。

最先进的EUV光刻设备是晶体管注入的必备条件

光刻机的紫外线要从原来的193nm提升到13.5nm，那就要使用最先进的EUV光刻设备进行光刻。 完成后就要用化学物质蚀刻掉多作余的硅体，通过感光产生二氧化硅这种物质，再加入多晶硅基本就可以形成门电路，建立各个晶体管之前的连接。通过这种操作方式，一次可以注入大约3000万个晶体管。

芯片的体积和功耗要求越来越高，对于半导体晶体管来说，要不断突破现有技术，做到更精细，才能满足芯片的要求，人类也在不断创造着晶体管的技术极限。

谢谢段马乐咨询邀请。芯片内成千上万个晶体管是怎么安上去的？当然是印刷上去的。没开玩笑，就是像印刷书籍那样印上去的，晶圆相当于纸张，晶体管相当于文字，一个完整的芯片相当于一本书。

这套工艺叫“平面处理工艺”，1958年由刚成立不久的仙童半导体公司发明。当时仙童刚成立不久，急需通过新的晶体三极管生产技术在市场立足。公司的领导人鲍勃.诺伊斯（英特尔公司创始人）让戈登.摩尔（诺伊斯的合作伙伴，英特尔公司创始人，摩尔定律提出者）和员工金.赫尔尼分别组成两个技术攻关小组，展开竞赛，研究一种崭新的晶体三极管生产工艺。

竞赛的结果是，赫尔尼赢了，发明了被芯片产业应用至今的“平面处理工艺”。

赫尔尼是从当时的照相平版印刷技术得到灵感的，所以“平面处理工艺”从流程上看，和印刷一本书/杂志非常相似。

下面以晶体三极管为例，

简要说说它的流程：

• 首先是画出晶体三极管的电路布局图，对它照相，将布局图缩小成一张小小的透光胶片；
  

• 其次，将硅晶圆切成薄片，打磨抛光后涂上一层感光材料；
  

• 第三，用强光（最初是可见光，后来用激光和紫外光）将胶片上的图案投射到涂了感光材料的硅片上；
  

• 第四，用酸性物质把硅片上未曝光的区域蚀刻掉，然后根据设计要求加入半导体杂质（扩散掺杂），或者镀上金属导体或绝缘体；
  

在“平面处理工艺”发明之前，所有的晶体三极管都是用手工一个一个制作，半导体企业的车间像小作坊，产品难以大规模生产，而且质量不稳定（手工生产的短板），尺寸较大（人眼分辨率有限），无法小型化。

“平面处理”工艺出现之后，可以做到：

• 能够无限量大规模制造（想想印刷书本），使得晶体管的成本可以降到极低，现在芯片上的单个晶体管成本比书籍上的一个字母的印刷成本还低；
  

• 只要提高镜头的分辨率，并采用波长更短的光源，就可以制造出尺寸极小的晶体管，而晶体管尺寸越小，成本越低（用到的硅材料越少，产量越大），开关速度也会越快；
  

可以说，”平面处理工艺“出现之后，集成电路也就是芯片才成为可能。

现代芯片制造工艺极其复杂，但基本流程和”平面处理工艺“相同。

”平面处理工艺“一直沿用至今，现在的芯片制造技术是在它基础上的不断改良，比如增加镜头精度，选用波长更短的光源等。

仙童公司凭借”平面处理工艺“成功超越当时的半导体巨头德州仪器，成为今天硅谷的祖宗公司。今天硅谷的半导体芯片公司，其创始人绝大部分就来自仙童公司。

芯片上有成千上万个晶体管，这已经是一种常识，但是成千上万个晶体管不是安装上的。因此要回答这个问题我们得了解一下芯片的制作过程，只有知道了制作过程，这个问题就迎刃而解了。

芯片是如何制作的

芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、成本测试等几个环节，其中晶片制作过程尤为的复杂。

1、芯片的原料

制作芯片的成分主要是硅，硅主要是从石英砂中提炼出来的，晶元是硅进行纯化之后的材料，下一步就是将这些纯硅制成硅晶棒，然后再将硅棒切成硅片，这个硅片就是芯片制作需要的晶圆。

2、晶圆涂膜

晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力

3、晶圆光刻显影、蚀刻

晶圆光刻显影主要是使用了对紫外光敏感的化学物质，遇到紫外线则变软。通过控制遮光物质的位置可以得到芯片的外形。然后在硅晶片涂上光抗蚀剂，使得遇到紫外光就会溶解。然后将溶解的部分用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就是没有被溶解的地方。而这个也正是我们所需要的。二氧化硅就是这样形成的。

4、参加杂质，形成PN结

这一步最重要的是植入离子，生成相应的PN结，即PN半导体，我们知道CPU芯片其实就是由很多二极管构成的。具体是从硅片上暴露的区域开始，放入化学离子混合液中。这可以改变搀杂区的导电方式，这样就可以让每个晶体管可以通、断。简单的芯片可以只用一层，但是复杂的芯片通常需要很多层。然后重复以上流程，然后每一层通过导体连接起来，这一点就相当于我们的PCB层一样，每一层都有导体能够互相连接这样就是一个立体的晶体管结构。

5、晶圆测试

经过以上寄到工序之后我们的晶圆上就形成了一个个的格状的晶粒。然后通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。在这个阶段，晶圆的测试是一项很复杂的过程，需要测试每一个晶粒，因为每个芯片拥有这庞大的晶粒数量，因此在测试的时候最好是大批量同规格构造型号的大批量生产，才可以降低成本。这就是为什么主流芯片器件造价非常之高昂的原因。因此测试是一次非常耗费精力和资金的事情，可能一次测试就需要几个亿吧。

6、封装

紧接着就是封装，将制作好的的晶圆固定，然后将引脚绑定好，按照需求去制作成各种不同形式的的封装。封装的方式主要取决于用户的要求和应用环境以及制造成本等。

7、测试包装

　　经过上述工艺流程以后，芯片制作就已经全部完成了，这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品，以及包装。

以上就是芯片的整个制造过程，从制作过程我们就可以知道，芯片里面的二极管不是安装上去的而是经过光刻和蚀刻和掺杂直接在上面制作出二极管，你就理解成3D打印机打印的这么个过程。其实芯片的制作是一个极其复杂的过程，这里只是大概的讲解了下过程。希望我的回答能够给大家解惑。

具我所知是光刻或蚀刻上去的，并非安装上去的，直接在硅片上刻，比如2极管，刻个2个长方形硅，中间在添加点硼或其它材料变成一个pN结，然后许许多的这样的二极三极管连起来组成逻辑运算单元，如非门、与门，与非门等，然后很多很多逻辑单元在组合成有各种功能的单元。总之对工艺要求很高，各元器件都是纳米极的。

晶体管并非是安装上去的，芯片制造其实分为沙子-晶圆，晶圆-芯片这样的过程，之所以选择沙子的主要原因是因为沙子的主要成分是SiO2，而半导体的原材料就是硅(Si)，所以直接从沙子里面提取就可以了。

而在芯片制造之前，IC涉及要负责设计好芯片，然后交给晶圆代工厂。芯片设计分为前端设计和后端设计，前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理设计）并没有统一严格的界限，涉及到与工艺有关的设计就是后端设计。芯片设计要用专业的EDA工具。

如果我们将设计的门电路放大，白色的点就是衬底, 还有一些绿色的边框就是掺杂层。

当芯片设计好了之后，就要制造出来，晶体管就是在晶圆上直接雕出来的，晶圆越大，芯片制程越小，就能切割出更多的芯片，效率就会更高。

举个例子，就好像切西瓜一样，西瓜更大的，但是原来是切成3厘米的小块，现在换成了2厘米，是不是块数就更多。所以现在的晶圆从 2 寸、4 寸、6 寸、8 寸到现在 16 寸大小。

制程这个概念，其实就是栅极的大小，也可以成为栅长，它的距离越短，就可以放下更多的晶体管，这样就不会让芯片不会因技术提升而变得更大，使用更先进的制造工艺，芯片的面积和功耗就越小。但是我们如果将栅极变更小，源极和漏极之间流过的电流就会越快，工艺难度会更大。

芯片制造共分为七大生产区域，分别是扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化。

其中雕出晶圆的最重要的两个步骤就是光刻和蚀刻，光刻技术是一种精密的微细加工技术。常规光刻技术是采用波长为2000～4500的紫外光作为图像信息载体，以光致抗光刻技术蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺。

光刻技术就是把芯片制作所需要的线路与功能区做出来。简单来说芯片设计人员设计的线路与功能区“印进”晶圆之中，类似照相机照相。照相机拍摄的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是电路图和其他电子元件。

而蚀刻技术就是利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。例如，大规模集成电路要经过约10次光刻才能完成各层图形的全部传递。

在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法腐蚀。目前主流所用的还是干法刻蚀工艺，利用干法刻蚀工艺的就叫等离子体蚀刻机。

在集成电路制造过程中需要多种类型的干法刻蚀工艺，应用涉及硅片上各种材料。被刻蚀材料主要包括介质、硅和金属等，通过与光刻、沉积等工艺多次配合可以形成完整的底层电路、栅极、绝缘层以及金属通路等。

驱动之家有一片的CPU的制造过程，《从沙子到芯片：且看处理器是怎样炼成的》，就从微观上讲解了这个步骤。

在涂满光刻胶的晶圆（或者叫硅片）上盖上事先做好的光刻板，然后用紫外线隔着光刻板对晶圆进行一定时间的照射。原理就是利用紫外线使部分光刻胶变质，易于腐蚀。

溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。

“刻蚀”是光刻后，用腐蚀液将变质的那部分光刻胶腐蚀掉（正胶），晶圆表面就显出半导体器件及其连接的图形。然后用另一种腐蚀液对晶圆腐蚀，形成半导体器件及其电路。

清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

这里说一下，什么是光刻胶。我们要知道电路设计图首先通过激光写在光掩模版上，然后光源通过掩模版照射到附有光刻胶的硅片表面，引起曝光区域的光刻胶发生化学效应，再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域，使掩模版上的电路图转移到光刻胶上，最后利用刻蚀技术将图形转移到硅片上。

而光刻根据所采用正胶与负胶之分，划分为正性光刻和负性光刻两种基本工艺。 在正性光刻中，正胶的曝光部分结构被破坏，被溶剂洗掉，使得光刻胶上的图形与掩模版上图形相同。相反地，在负性光刻中，负胶的曝光部分会因硬化变得不可溶解，掩模部分则会被溶剂洗掉，使得光刻胶上的图形与掩模版上图形相反。

可以说，在晶圆制造中，直径30厘米的圆形硅晶薄片穿梭在各种极端精密的加工设备之间，由它们在硅片表面制作出只有发丝直径千分之一的沟槽或电路。热处理、光刻、刻蚀、清洗、沉积……每块晶圆要昼夜无休地被连续加工两个月，经过成百上千道工序，最终集成了海量的微小电子器件，经切割、封装，成为信息社会的基石——芯片。

这是一个Top-down View 的SEM照片，可以非常清晰的看见CPU内部的层状结构，越往下线宽越窄，越靠近器件层。

这是CPU的截面视图，可以清晰的看到层状的CPU结构，由上到下有大约10层，其中最下层为器件层，即是MOSFET晶体管

芯片上的晶体太小管太精密，以目前的技术很难一个个安装上去，所以芯片数亿计的晶体管并不是“安”上去的，而是用到光刻、蚀刻、离子注入、电镀等工艺。

晶体管其实就是一个双位的开关：即开和关。开和关，对于机器来说即0和1。计算机要进行更高速的运算，就得加入更多的“开关”。

下面来看看具体的生产流程：

1、制造CPU的基本原料

如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是不假，但硅又来自哪里呢？其实就是那些最不起眼的沙子。难以想象吧，价格昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的沙子。当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选，从中提取出最最纯净的硅原料才行。

除去硅之外，制造CPU还需要一种重要的材料就是金属。目前为止，铝已经成为制作处理器内部配件的主要金属材料，而铜则逐渐被淘汰，在目前的CPU工作电压下，铝的电迁移特性要明显好于铜。所谓电迁移问题，就是指当大量电子流过一段导体时，导体物质原子受电子撞击而离开原有位置，留下空位，空位过多则会导致导体连线断开，而离开原位的原子停留在其它位置，会造成其它地方的短路从而影响芯片的逻辑功能，进而导致芯片无法使用。

除了这两样主要的材料之外，在芯片的设计过程中还需要一些种类的化学原料，它们起着不同的作用。

2、硅熔炼

通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭。

单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度 99.9999％

2、硅锭切割

在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后，下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭切片，切片越薄，用料越省，自然可以生产的处理器芯片就更多。切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑。

切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。

3、光刻胶

下面图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。光刻胶是用来保护有胶的地方不会被蚀刻。

4、光刻

这是CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤，光刻蚀过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕， 由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为严格，需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响。每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程。

设计每一步过程的所需要的数据量都可以用10GB的单位来计量，而且制造每块处理器所需要的刻蚀步骤都超过20步（每一步进行一层刻蚀）。而且每一层刻蚀的图纸如果放大许多倍的话，可以和整个纽约市外加郊区范围的地图相比，甚至还要复杂，试想一下，把整个纽约地图缩小芯片上，那么这个芯片的结构有多么复杂。

光刻胶层随后透过掩模被曝光在紫外线之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成电路图案。

此进进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。

（以下为局部图）

光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致

5、蚀刻

使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。

6、清除光刻胶

蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

7、光刻胶

再次浇上光刻胶，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。

8、离子注入

在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区 域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。

9、清除光刻胶

离子注入完成后，再次清除掉光刻胶，而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。这时的绿色和之前已经有所不同。

10、晶体管就绪

至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。

11、电镀

在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极走向负极。

电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

将多余的铜抛光掉。

12、金属层

晶体管级别，六个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来非常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络。

13、晶圆测试

内核级别，大约10毫米/0.5英寸。下图只是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。

14、晶圆切片

晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核。

15、封装

衬底、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片就是负责内核散热的了。

16、等级测试

最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级，比如适合做成最高端的还是低端的处理器。

17、装箱

18、零售包装

制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商，要么放在包装盒里进入零售市场。

至此，生产CPU的整个流程已完成。

芯片里的晶体管用万的单位来统计是不够的，至少要用亿来统计，像一个7纳米的芯片边长差不多就1.5厘米，要在体积那么小的芯片里放入几十亿的晶体管，必须要用到特殊的技术和工艺。芯片虽然体积小，但内部结构是错综复杂的微电路。通过X射线观看芯片内部结构，可以看到有很多层级，上下交错层叠大概有10层，每一层都有晶体管，通过导线相互连接。在生产的过程中，先完成第一层再向上递进，就和盖楼差不多。

能够无限量大规模制造（想想印刷书本），使得晶体管的成本可以降到极低，现在芯片上的单个晶体管成本比书籍上的一个字母的印刷成本还低；

只要提高镜头的分辨率，并采用波长更短的光源，就可以制造出尺寸极小的晶体管，而晶体管尺寸越小，成本越低（用到的硅材料越少，产量越大），开关速度也会越快；可以说，”平面处理工艺“出现之后，集成电路也就是芯片才成为可能。

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。

芯片上最基本的单元应该是与非门电路，用传统的三极管电阻搭还是比较麻烦，用刻蚀技术应该是很非常简洁。