早在1958年9月12日，世界上第一枚芯片就被制造了出来。制造者是美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比，那时他没有光刻机，甚至也没有用到硅片，而是在一块锗晶上做出了几个晶体管、电阻器和电容器，组成了一个移相振荡电路。

这枚芯片非常粗糙，它与我们的手机芯片有着天壤之别。但它已经传达了芯片的基本概念：半导体材料制成的集成电路。

“半导体材料”就是其中的锗，“集成电路”则意味着它将晶体管、电容器、电阻器等多个电子元器件集成在了同一块锗晶圆上，实现“单片集成”的想法。

这便是芯片的发明，也是最初的芯片制造过程。芯片的开端看起来很简单，但它已经为现代芯片制造将要面对的问题埋下了伏笔：如何将电路图“复刻”到半导体晶圆片上？如何实现各元件之间的互连与隔离？如何利用半导体材料的导电特性使其发挥功能？

所有的问题，构成了60多年来芯片制造翻越的一座座高山，而如今，人们正面临“先进制程”的新壁垒。

如何理解“先进制程”的壁垒？简单而言，如果把芯片比作一幢别墅，晶体管就相当于别墅里的家具。为了把更多的家具塞进别墅，人们把家具造得越来越小。1958年，基尔比可以用双手制造出这些家具，2023年，人类能够熟练运用光刻机制造3nm“大小”的家具。

挑战之下，制造技术的革新必须是链条式的。光刻机光源波长缩短到13.5nm，机器内部就要保证真空环境使光源不被吸收，用了几十年的透镜也得被替换成特制的反射镜，接收光源的光刻胶也必须提高灵敏度……光源所到之处，一切都随着它的变化而同步革新。

这样一场从头到脚的大换血耗费了17年与无法计量的金钱，但最先进的技术仍将在不久的未来到达极限。

科学家和工程师们脑海中创造性的思想火花还未停下，也不能停下。因为芯片错综复杂的电路设计中，凝聚的是设计者的创新梦想。抛开所有专业术语，芯片与建筑相似的另一点在于，它们都是设计者创意的物理实现。如果没有制造技术使其落地，所有的创意只能是一种空中楼阁。

制造一枚芯片的过程，不仅是一次接一次科技的飞跃，更是一场造梦与圆梦的旅程。

三个环节，上千道工艺

基尔比的集成电路以锗晶圆为“底座”，这是受限于当时晶体管研发成果的权宜之计，他原本的集成电路构想，就是和现代芯片的制造一样，将所有元件都集成在硅片上。

芯片的制造从硅开始，制造流程可以简单地划分为三个环节：晶圆制造、芯片制造和芯片的封装与测试。而实际的制造流程则要比“三个环节”繁复得多，例如最为困难的前道工艺芯片制造环节，就涉及光刻、刻蚀、掺杂、沉积、抛光、清洗等多个步骤，缺一不可，且其中有些步骤需要反复操作上百次。

但不论有多少工序，最终的目的都是一个，把硅片变成芯片，在半导体材料上实现芯片的功能。芯片的功能与基本运作原理，是串联起这上千道工序的逻辑线索。

所以，我们首先不得不问，芯片要实现什么功能？

作为一块集成电路，芯片中的核心元件是晶体管。而晶体管和它的“前辈”真空管一样，都是一种电子开关，这意味着它们都能在内部控制单向电流，并实现电信号的开关、整流和放大。

在晶圆上盖房子，得先将设计图纸印在其表面。这一过程更像是在微观世界里摄影，而相机是一台价值数亿美元的光刻机。

半导体材料独特的导电性能，使其有了成为“开关”的条件。之所以称之为“半导体”，是由于其导电能力既远远小于铜线等导体，又远远大于绝缘体。天生我材必有用，电子开关仿佛是半导体的本职。20世纪40年代以来，随着真空管发热严重、故障频发、体积过大等问题的出现，科学家们亟需找到一种更小巧、快速且稳定的替代品，由半导体制成的晶体管便应运而生。

硅是目前芯片制造中最常用的基底材料。事实上，纯净的硅是电中性的，但若是在硅中掺杂杂质，就能改变其导电性能。

发现硅的这种特殊性能，是一次极其幸运的偶然。1940年，美国贝尔实验室的研究人员沃尔特·布拉顿与拉塞·奥尔发现，用手电筒照射一根硅棒时，其内部产生了单向电流。这是人们首次在半导体内部发现单向电流。

电流的出现源于硅的不纯净。布拉顿发现，硅棒的一侧混入了带正电荷的杂质，形成P（Positive）型硅，另一侧混入了带负电荷的杂质，形成N（Negative）型硅，而硅棒的两者交界处，形成了PN结。光照的能量打开了能量的“闸门”，使交界处的电子从能量高的一侧流向另一侧，单向电流得以产生。

因此，如果在PN结插入电极控制“闸门”，就能实现信号的开关与放大。硅与杂质恰到好處的掺杂，也成为制作硅晶体管的重要环节之一。

那么，硅从哪儿来？英特尔公司的芯片制造宣传片如此回答：从沙子中来。硅元素广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中，构成地壳总质量的近四分之一。由于它储量丰富且易于获取，硅基半导体也自然成为了目前应用最广的半导体材料。

为了从沙子中提纯出硅，必须让它反复经过高温的洗礼，与焦炭、木炭、氯化氢气体等物质挨个亲密对话。沙子先分离出纯度98%-99%的工业硅，进一步提纯得到高纯多晶硅，然后从硅液中提拉出单晶硅棒。这是制作芯片“地基”的原材料。

既然是地基，平整度就相当重要。为此，从单晶硅棒到硅片，要承受多次抛光、打磨、化学溶液清洗。最终，从硅棒中切割出的硅晶圆片必须平整、光滑，没有工序中的杂质颗粒残留，才能为此后建造大厦打好基础。

在晶圆上盖房子，得先将设计图纸印在其表面。这一过程更像是在微观世界里摄影，而相机是一台价值数亿美元的光刻机。拍照需要借助光掩膜版，即一张刻有集成电路图的玻璃遮光板。

晶圆表面的显影要借助光刻胶，以正胶为例，光刻机发出紫外光透过光掩膜版照射到光刻胶表面时，没有与光接触的胶体仍然保持坚硬，被光照到的部分则会在后续的化学溶液中被侵蚀掉。通过光刻胶的一去一留，晶圆片上便印出了集成电路图案。