为什么芯片很难制造？
朋友们好，我是电子及工控技术，我来回答这个问题。芯片制造是一种精密制造，对于一般集成度不高的芯片，制造难度并不是很大，例如像我们在上学时学习的数字电路中讲的各种逻辑芯片它们属于低端芯片，制造起来相对容易一些，我们知道由于电子技术发展很快，对芯片的性能要求也越来越高，高性能的芯片就意味着集成度也会提高，集成度越高的芯片它制作的难度就越大，下面我来给朋友们分享一下一般高端芯片大致的制作过程，让我们从中领略一下芯片制作的步骤，在这些高端芯片制作的过程中来，每一步是如何艰难实现的吧。
芯片诞生需要“浴火重生，凤凰涅槃”的经历过程
我们经常听一句话叫“巧妇难为无米之炊”，制作芯片也是需要原材料的，这种材料是我们众所周知的半导体材料，它的名字叫作硅，我们知道在大自然中硅元素含量非常丰富，但是它们都是以化合态的状况下存在的，由于芯片的制作必须用非常纯的硅晶体在可以，因此我们就打起了沙子的注意，由于沙子非常容易取得，并且它的主要成分主要是硅，因此我们就把沙子作为制作芯片的初始原材料了。
要想把沙子变成制作成纯度较高的单晶硅体从开始就不是一件容易的事情，首先要把沙子经过一番“浴火重生，凤凰涅槃”才能制造出来高纯度的硅单晶体，它的纯度要比24k纯金还要纯，它的纯度要达到十一个九的纯度，那就是纯度达到99.999999999%，这是制作芯片第一关的难点，它也是制作芯片“万里长征的第一步”。
一般要制作如此纯度的单硅晶体需要特殊的工艺，自1951年半导体晶体管进入实用阶段以来，在制作高纯度硅时所采用的是牵引法，但随着半导体制作技术的不断进步，现在
每家芯片生产厂商在制作高纯度硅晶体时的工艺方法可能是不一样的，对于核心的工艺技术都是保密不外传，总之，不管用什么方法都需要经过净化熔炼得到单硅晶体，经过冷却后我们叫它硅锭，我们从外观看它是一个圆柱体，重量一般在200斤，如下图所示。
高纯度的硅锭形成之后，下一步就是开始制作硅晶片，然后对它加工处理。首先我们要把单晶硅锭切割成薄片，这样就形成了晶片，我们也叫它晶圆。
这一步的难点在于我们要把它切割的非常平，我们可以用完美无瑕来形容它，几乎达到理想化的平面这样的程度，如何控制晶圆的平度是芯片制作中的又一个难点。
晶圆制作好后，接下来要在晶圆表面涂上一层胶，我们称这种胶为光刻胶。这个光刻胶的制作生产也是不容易的事情，就现阶段来说我们国家的光刻胶的质量与国外相比还是有差距的，在质量上还有提升的空间。光刻胶的作用是为了在硅晶元片上刻蚀所需的电路图形，它是制作超大型集成高端芯片的重要材料。这一步骤的制作有点像小孔成像的原理。
光刻胶涂好后还要在硅晶圆片上面放上一层掩膜，我们所要雕刻的电路图案就是要画在这个掩膜上的，接下来就是进行光刻或蚀刻阶段了，这一阶段是要把光刻胶层透过掩模使它曝光在紫外线之下，也就是通过掩膜去照射下面的晶圆，我们知道由于光刻胶遇到光（一般用紫外线）会产生化学反应，其性质会发生变化，在曝光的地方发生了化学反应了，这部分就会留了下来，对没有照射的地方进行蚀刻，最终这个电路图就转移到了
硅晶圆片上面了，从这里看，这个过程有点像我们以前用胶片去照相的意味，芯片上的电路就是通过这样的方法，一层一层地光刻在硅晶片上得到的。在这个阶段主要的难度是产生光刻的设备，我们叫它光刻机。目前来说能生产5纳米到7纳米的光刻机基本上被荷兰的一家名叫阿斯迈尔（ASML）的生产厂家所垄断，光刻机是目前世界上最精密的机器设备，它是生产高端芯片的核心设备，我国在这方面也只能生产14纳米到28纳米的光刻机，能够生产3纳米的光刻机短时期内还无法突破。
我们国家在制作芯片的这个阶段可圈可点的技术是蚀刻机生产技术，我国的中微半导体芯片生产企业在蚀刻机制造技术方面有较雄厚的技术基础，它所生产的蚀刻机在世界上是处于领先地位的。
在芯片光刻和蚀刻制作这一阶段来说，难度是光刻机的制作，因为只有能生产出高质量的光刻机，比如有了3纳米和5纳米的光刻机，才能在有限的芯片内集成更多的类似三极管的半导体器件，我们知道芯片内集成的晶体管越多，这个芯片的性能就越优越。比如在处理速度、计算速度与存储容量等方面就越突出。高端光刻机的制作也是制约我国生产高端芯片的瓶颈之一。
我们举个例子，使用高精端的光刻机可以在芝麻粒大小的硅晶圆片上集成上亿个晶体三极管，没有光刻机的话就无法做到这一点了，就是因为我国在3纳米到5纳米的高端光刻机生产上是空白，一些高端的芯片也就无法生产，需要高端芯片时就必须向国外购买，一旦国外出现断供就会出现无芯可用的局面，根据报道，我国每年进口高端芯片所用的费用比每年进口石油所用的费用还多。我们就以刚刚过去的2020年为例，我国进口的芯片花费高达3000多亿美元，超过石油进口的花费，位居国内商品进口的第一位，从这件事上说明制作芯片的难度是如此之大。
光刻这道工序完成之后，下一步就是蚀刻的步骤了，所谓蚀刻就是使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶则保护着不应该蚀刻的部分。当蚀刻完成后，那么光刻胶的任务就已经完成了，就可以把光刻胶去掉了。
下一步应该是第六个大步骤了，我们把这道工艺叫参杂，就是把纯净的硅晶圆变成N型半导体或者P型半导体，有的也叫离子注入法。在离子注入之前我们要再次浇上光刻胶，例如上图的蓝色示意图部分，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还要用来保护不会被离子注入的那部分材料。
掺杂的过程一般是在真空中进行，我们用经过加速的、需要掺杂的原子的离子照射需要注入的材料，这样就在被注入的区域形成了特殊的注入层，这个注入层的完成就实现了把不变的物质变成了可变的物质了，通过参杂就改变了这些区域中硅的导电性。这是形成半导体晶体管的必须条件。完成好了掺杂任务后需要再次清除光刻胶，我们通过示意图可以看到掺杂区域的绿色部分已经注入了不同的原子了，这样就形成了N型半导体或P型半导体了。
以上这六个步骤要很好地组合起来，这样来说吧，对于现代的芯片的制作，要完成一批芯片需要300到500个工序步骤，所以要经过许多次这样的重复步骤才可以完成上亿个集成的晶体三极管。晶体管完成后还要把晶体管互连起来，这就需要电镀的操作步骤了。
我们所称的电镀是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(阳极)走向负极(阴极)。电镀这道工序完成后，铜离子就会沉积在晶圆表面了，这样就会形成了一个薄薄的铜层。最后将多余的铜抛光掉，也就是我们所说的磨光晶圆表面。
我们以六个晶体管的组合为例，它大约500纳米。在这里我说一下，集成芯片中的纳米是指晶体管栅极的长度，为了说明问题，我这里所举的例子集成度并不高，这六个晶体管它们之间要形成复合互连的金属层，具体如何连接主要是看芯片所需要的不同功能了。我们用眼睛观察的话，芯片表面看起来是非常的平滑，但是它实际上有可能包含几十层复杂的电路，我们在显微镜下观察的话，可以看到芯片内部有着极其复杂的电路网络，就好像多层高速公路网一样，如下图所示。
抛光处理完成后就要对晶圆芯片进行切割了，一般晶圆级别的尺寸直径为300毫米。将这些晶圆切割成块，每一块就是一个芯片的的内核(Die)。一般芯片的内核大约是大约10毫米约合0.5英寸。
在切割前要对晶圆进行一次功能性测试，通过使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。发现对不良有瑕疵的芯片内核要丢弃，这一步反应了芯片制作的成品率。
我们从晶圆上切割下来的单个内核，测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。
最后就是接合与封装了，我们要把完成的集成电路封装在外壳之中保护起来，但是在封装之前要把芯片表面的电极与露在封装外的引线电极连接起来，对于高端芯片一般都是用金线在300度的高温下压附在电极上，这样就把电极连接起来了。
接合好之后就是封装了，封装的目的一是保护芯片不受外部的损害，二是对芯片的功能起辅助作用同时的话也便于携带合运输。封装是将衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起形成各种封装形式的外观，比如中央处理器的芯片封装好之后就形成了我们看到的处理器的样子。
我们说到这里一颗有温度的芯片就诞生了，这些步骤是在世界上最干净的房间里制造出来的，这样复杂的产品是经过数百个步骤才得来的，后面的步骤就是对制作好的芯片进行测试并鉴别出每一颗芯片的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定芯片的等级。
芯片制造难度的原因
通过以上的述说，我这里只是简单地给朋友们分享一些关键的步骤。我们能从这些关键的步骤中看出芯片制造的复杂性。我们从中可以得出芯片从沙子到成品每一步都有它的制作难点，并非每一个国家都能制造出高端的芯片来，正像有人将的那样“中国制造在西方国家的商场里；德日制造在中国的工厂里；美国制造在中国的实验室里”，的确如此我们实验室中的电脑处理器大部分都是美国制造的，还有一些DSP芯片、图像处理芯片等等都是美国制造的。我们对美国的芯片达到如此依赖的程度也从一个侧面说明了芯片制造的难度。
我们从芯片的制造过程可以看到，芯片的制造就是一个精密制造的过程，比如它的分辨率要达到纳米级，比如从28纳米到14纳米的芯片，它们虽然在性能上差别不大，但是要想跨越每一步都要付出很大的心血才可以，从世界范围来说现在高端芯片正向3纳米挺进。
要达到如此集成度的话就需要有精密机床、精密化工和精密光学等作为制作的保证，这也是芯片制作的有一个难度的体现。比如光刻机就是一个最好的例子，它是集以上三者为一身的高精端的核心设备，对于3纳米和5纳米的光刻机，世界上能够制造的国家不超过5个。
另外芯片的研制周期也非常的长，比如我们中国所研制的“龙芯”处理器，从立项到研制出样品需要200科研人员花费2年才能搞出来，至于真正达到量产并商业化使用，它需要10年的时间，从所用时间之长来看它也是芯片制造难度的体现吧。
通过以上对芯片制造过程出现的难点以及在研发和所需精密设备等各方面来看，制造高端芯片堪比难于上青天。以上就是我对这个问题的简单理解，有问题欢迎朋友们留言讨论，敬请关注电子及工控技术，感谢点赞。