做芯片需要会什么？看这一篇就够了

自2020年秋全球范围内爆发芯片短缺，加之新冠疫情的影响，半导体行业收到了较大的影响。

远程办公、线上会议、在线教育习惯的形成，加速了多个产业的数字化转型，侧面促进了网络通信、AI、存储和云服务等技术的更新。

在数字化发展之中，半导体芯片市场需求还在不断扩大，对于芯片人才需求也在持续增长，那么，芯片制造的产业链到底有哪些环节？对应的工程师人才又有哪些？芯片的底层逻辑又是什么样的？进入芯片领域需要具备什么样的素质？

本期我们邀请到了芯片制造设备专家、中微公司顾问浦远，来和大家聊聊芯‍片领域的故事。

大家好，我是浦远，在芯片行业有近30年经验，以前‍主要在硅谷的应用材料公司工作，目前服务于中微公司；

一直在做芯片制造所需的等离子刻蚀设备相关的工作，很开心可以和年轻朋友分享我们这个行当的故事。

我本科和硕士在上海交大学物理，之后留校当了两年半老师，28岁又到美国读电子工程的博士。

一、芯片是什么

在数字化的大背景下，人们对电脑、手机、汽车的智能程度有了越来越高的期待。而它们的信号传输和计算速度，都依赖于一个核心：芯片，也就是集成电路。

芯片很小，有的比指甲盖还小，但它的工艺异常复杂。

以5纳米制程芯片为例，整个流程要经过一千多个工艺步骤，近两百种主要设备，需要的人才跨越50多个学科。

二、芯片设计与验证

芯片设计与验证由芯片设计公司完成。

他们需要很多半导体、微电子、计算机、通信工程背景的同学，去做架构工程师，仿真验证工程师，数字逻辑设计工程师，模拟/射频电路设计工程师，版图设计工程师等工作。

二、芯片制造

【思考】同学们可以先思考，我们日常见到的电线有数据线这么粗，而集成电路是要把几千万个乃至几百亿个电子元器件按要求连接起来，支持信号传输，实现整个芯片的功能。

假设你是发明世界上第一枚芯片的工程师，你打算怎么做？

直接揉成一团吗？那你的手机得有一座山那么大！就算你是钢铁侠也拿不动！

事实上，在集成电路发明之前，美军使用的最最简单的计算机就像车间一样大。里面的电子元器件是一万多个比拇指还大的真空管，连接线大概就像这样的电线。

计算机执行任务的时候，“车间”外面部署了一个排的士兵，人手一篮真空管，一旦有真空管爆掉，排在第一的士兵就立马冲进去更换，看起来有些好笑？

三、集成电路产业的四个基本问题及解决

集成电路产业的发展过程，就是元器件和电路小型化的过程，对于工程师而言，需要解决四个基本问题：

1. 用什么材料做元器件？

2. 用什么材料做连接元器件的导线和导线外的绝缘体？

3. 如何把这么多的元器件按要求连接起来？

4. 如何在有限的空间里刻画出亿万个元器件和电线轨道，并确保各种材料在运行中的稳定性？

针对问题1：感谢地球母亲，科学家找到了地壳中含量第二多的“硅”元素，很“容易”就能从沙子中提纯取得。

硅的性质稳定，通过掺杂的方法能让它变成不同的导电率，做成具有开关和储存功能的元器件，也就是晶体管，是完美的半导体材料。

针对问题2：相信有同学会想到金属溅射。

在真空环境下靠惰性气体的离子撞击金属靶材，把能导电的金属原子撞出来再掉到硅片上，做成很细的导电线，也可以用电镀的方法来实现。

而导电体外面的绝缘体则可以用化学沉积等各种薄膜生长的方法来实现，貌似办法很多。

针对问题3：问题3就有些复杂了，把亿万个晶体管连接起来，A和B的连线挡住了C和D的连线怎么办？像高速公路的高架桥那样，也许是个办法！

如果你切开一块手机芯片，看它的切面，你会发现它其实它是一个多层结构，就像一个高层酒店，底层是前台、餐厅、咖啡厅、会议室，支撑整个酒店的运转，上面很多层则是格局相对简单而重复的客房。

芯片也是如此，最下面那层是起着开关和储存作用的晶体管，它在很大程度上决定了芯片的速度和容量。

上面的多层结构是立体布线，用来连接晶体管，承载信号的输入与输出。晶体管数量越多，芯片功能越复杂，需要的层数就越多。

所谓的摩尔定律是说一个规律：每过去18-24个月，单位面积上的晶体管数量增加一倍。

针对问题4：这是最具挑战的。在这么小的尺寸上，究竟如何真刀真枪打造出那么多晶体管和一二十层的结构，靠哪些设备能精准控制它们的宽度和高度呢？

这就是芯片制造流程中最关键，技术含量最高的环节，晶圆制造。

四、晶圆制造

晶圆制造的整个过程相当于在硅片上加上一些材料，再把加上去的材料减掉一些，加材料的工艺有化学沉积、物理溅射、电镀、掺杂、氧化，等等，减除的工艺有刻蚀、化学机械抛光、清洗，等等。

在这些加加减减的工艺中，最重要也是最难做的，可以说是光刻和刻蚀。

1.光刻

光刻相当于用光束做的笔把集成电路的结构图案画到硅片这张纸上去。

先在硅片上涂一层光刻胶，再用曝光和显影技术，把电路模版上的设计图案投射转移到光刻胶上 ，这与以前放大照片是同样的原理，不同在于，这里不是放大而是缩小。

所以，光刻决定了芯片上器件的尺寸，比如晶体管的栅极能做到多小，导线的宽度能够做到多细。

所谓的纳米制程，就是用高精度光刻机，比如大家听过的EUV、极紫外光刻机，把纳米量级的线条准确地转移到硅片上去。

一纳米是一毫米的百万分之一，十纳米宽的线条相当于头发丝直径的万分之一。

2.刻蚀

集成电路图像转移到了光刻胶上之后，又如何把光刻胶上的图案真正地刻到硅片上，形成器件和线路结构呢？

这一步相当于在印了图案的木板上雕花，靠的是刻蚀机。

晶体管制造太复杂，芯片上层相对简单的重复结构中的某一层导线，是如何雕刻出来的呢？

首先，用化学沉积的方法生长一层绝缘体薄膜，涂上光刻胶，光刻机曝光把导线图案转移到光刻胶上，需要刻蚀的地方的光刻胶在显影步骤中被冲洗掉了;

然后晶圆送入到刻蚀机的真空反应腔中，通入化学气体，在射频电磁场的作用下形成等离子体，等离子体中的活性粒子和离子与暴露的绝缘体材料发生化学和物理反应，生成的反应物被抽出反应腔，形成一条沟槽，刻蚀就完成了。

然后再在沟槽里用电镀的方法把铜材料填进去，再在上面生长一层绝缘体，这一层的连接导线结构就算完成了。接着再一层一层地往上做，如同造高楼一般。

当做好了所有楼层，晶圆制造就算完成 ，接下去送到封装厂，把晶圆切割成小块，再封装起来，就成为芯片产品，卖给下游客户装进电脑或手机的系统线路板上。

五、半导体工程师岗位

在芯片产业链上，除了负责制造的晶圆厂和封装厂，还有提供光刻机、刻蚀机等各种芯片制造设备的设备厂商，以及提供生产过程中各种化学气体、液体等耗材的材料厂商。

这些公司都需要大量不同专业的工程师，学物理、化学、材料，电机，机械，自动控制、光学、数学，等等，各类工程和技术学科的同学都可以加入。

我们国家教育部去年把集成电路提升为一级学科，一些大学最近成立了集成电路学院，说明我们这个行业是急需大量专业人才的。

因为我个人的经验主要在刻蚀设备，接下来就和同学们聊聊在设备企业做工程师的体验。

半导体设备企业的工程师粗略分成两大类，如果把设备比作炒菜的锅，那么一类是负责打造一口好锅的设备工程师，另一类是负责用这口锅炒出一盘好菜的工艺工程师。

设备工程师：要从研发测试到成品制造把一个大型设备搭建起来。

他们有的在研发端，工作包括机械设计，电源驱动，控制系统，软件系统，射频系统，仿真模拟，材料测试，模块优化，整机集成，等等。

有的在客户端，负责解决生产中设备发生的各种问题，并按客户的要求优化设备的性能和提高产能。

工艺工程师：聚焦在如何用这些设备加工出优质的芯片。

以刻蚀机为例，它的真空反应腔就像一个黑箱，输入参数是各种气体的流量，射频功率，反应腔气压和温度等等;

相当于厨师手中的油，盐，酱，醋和火候的拿捏，输出参数则是刻蚀加工后的器件尺寸，形状，均匀度等等，相当于菜肴的色、香、味。

工艺工程师需要的知识面很广，不仅要了解刻蚀工艺的技术细节，比如等离子体、气体分子结构、表面化学反应，也要了解设备的功能和特点，还要了解芯片器件的结构原理和性能。

如果按设备公司运营的功能来讲，工程师又分布在研发部门，制造部门，采购部门，销售部门，客户支持部门等。

工程师的角色转换。

我刚入行时是应用材料公司研发部门的工艺工程师，在研发中的刻蚀机台上跑片做试验，设备推入市场后，会出差到客户端做工艺验证；

就是在安装好的新机台上跑客户自己的晶圆，再测量有没有符合要求，这时候我的工作性质与客户端工艺工程师没什么两样。

后来，我负责刻蚀机反应腔中某些部件的改良，需要与机械工程师讨论设计、看图纸，研究仿真模拟工程师的运算结果，与电控和软件工程师讨论控制系统的优化等等，这时候我又有点像设备工程师。

类似这样的工程师身份转移在我们行业里比比皆是：设备与工艺之间、总部研发与地方客服之间，研发、制造、采购、销售各部门之间，甚至从这家公司到那家公司……

六、芯片工程师的必备素质

1.持续地学习

专业背景和工作种类不是一一对应的。大学里没有“等离子体刻蚀”这个专业，所以入行后的再学习很重要。

这也是我的一个特别深的感受，最近几年为了给中微员工做技术培训，我有系统地看了不少专业书籍和论文，对很多以前在第一线工作时碰到的疑惑有了明确的解答。

我想如果当时在忙于日常工作的时候，能够匀出更多一点的时间用来学习的话，工作效率一定会更高一些。

2.认真严谨的工作态度和持续学习的习惯

不同工作之间也是有关联的，不能一旦觉得工作和自己的背景或期望不一致，就认为是浪费青春。

我有个同事也是电机博士，但他刚毕业去了一家日本设备公司的制造部，两年的时间都在装配和测试机台，有的时候一整天都在拧螺丝，很枯燥。

但后来他成为公司工艺团队领导的时候对我说，他很感谢那两年，把一台大型设备的里里外外摸得一清二楚：

知道哪个环节容易出问题，制造部严格的操作流程也锻炼他做事的纪律和一丝不苟的精神，对他后来在开发部门做出一致性和重复性很好的设备，帮助非常大。

我以为，认真严谨的工作态度和持续学习的习惯，是各个行业工程师的基本素质。

如果非要说我们这一行工程师还需要具备什么特别的能力的话， 我觉得有两个方面：

一个是不断的创新精神和知识产权保护意识，这是要跟上快速更新换代的芯片制造技术，从而在竞争特别激烈的设备行业中生存发展和超越的生命线。

3.解决问题的方法论

另一个方面，是应该在大学就得到训练的基本方法论：发现问题，寻找原因，解决问题。

举一个直观的例子，大家知道，芯片生产线是在无尘室里的，生产过程中，晶圆表面的灰尘颗粒污染必须严格控制在一个标准之内。

有一天客户告知从你们家的刻蚀机出来的晶圆上，灰尘颗粒超标。

①发现问题，撰写报告

首先，我们客户支持部门的设备工程师必须立刻去现场了解情况，写出故障报告。

这就要求工程师具备第一个能力：发现问题的能力。要把问题写正确，写清楚，所谓的problem statement，问题描述。

其实这个并不简单。工程师除了专业扎实，快速窥见问题的实质，也要会沟通，问客户正确的问题，收集关键的数据，除了颗粒的大小、多少之外，还有各项与颗粒强相关的设备运行参数，等等。

如果写不清楚，很容易误导后来协助问题的同事，浪费时间。

②寻找原因，测试问题

接下来，这位现场工程师会先在客户允许的范围内做试验，把一些可能造成颗粒的运行条件重复一下，比如测量在点燃和不点燃等离子体情况下的颗粒数量，以辨别等离子体扰动和纯粹气流对颗粒污染的影响程度。

然后根据这些试验的结果有序地陈列出造成颗粒问题的可能原因，possible root causes。

接着，可能需要总部研发团队的合作，做进一步的试验和分析，找出真正的原因real root cause。

这就是工程师必须具备的的第二个能力，透过表面现象，通过有逻辑的试验和分析，找出正真的原因。

这可能是一个漫长的过程，需要各部门的专家参与。比如，经过一系列试验分析之后，终于确定，原来颗粒污染与等离子体扰动以及气流等都无关，而是由反应腔顶板的表面在生产中变得越来越粗糙所引起的。

③解决问题，优化方案

原因找到后，就考验工程师的第三种能力，解决问题了。解决方案可能有多种，比如说，方案一是增加更换新顶板的频率，方案二是把顶板的材料改成能保持粗糙度不变的新材料。

这需要全面分析利弊，方案一的好处是可以立即实施，但会增加设备运营成本并减低设备的产出率；而方案二虽能一劳永逸，但更换反应腔内的材料需要重新经过客户的一系列工艺验证，费时费钱。

设备厂商必须与客户深入沟通谈判以实现最佳的解决方案。所以解决一个实际问题的能力，除了技术和经验，也包含沟通谈判技巧等，是一种综合能力。

从描述现象发现问题、到通过分析和试验找到原因，再到确定方案解决问题， 这一整个过程的方法论，我觉得是工程师这份职业赠与我的礼物。

七、我爱制造业

人们常说制造业很辛苦，但总体来说，我还蛮喜欢这个行当，原因有三点：

1.芯片行业发展势头强劲

芯片行业的发展势头越来越走强。2021年全球半导体芯片产值比前一年增长了26%，而半导体设备更是增长了42%，要知道同期全球总GDP的增长只有5%多一点。

将来5年的预计，芯片产值和设备的年复合增长率也大大地高于GDP。

2.职业安全感

硬件的变化和演进相对而言没有软件那么快，技术的积累、对市场的了解、与客户的互动和友谊，都会沉淀出宝贵的经验，不容易被替代。

3.职业成就感

制造业能把想法变成看得见摸得着的现实。

如果你是中微的工程师，不管是开发部门的还是支持部门的，当你在全世界最先进的7纳米5纳米的晶圆生产线上看到一整排中微出产的刻蚀机，一片接一片的晶圆从这些设备中流出，一定会有满足感的。

相信还有很多同行在为我们刚才提到的技术问题寻找新的解决方案，他们在实验室里、在生产线上哪怕一点点的发现，都有可能带来芯片产业的新气象。

各位屏幕前年轻的芯片从业者们，对于这些问题，或许你能给出更好的答案。

我是在芯片设备厂工作了近30年的工程师浦远，祝你找工作不迷茫，期待能在芯片行业与你相遇！

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