集成电路(integrated circuit)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特·诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

是20世纪50年代后期一60年代发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上。

晶体管(transistor)是一种固体半导体器件，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关(如Relay、switch)不同，晶体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。

集成电路，英文为Integrated Circuit，缩写为IC;顾名思义，就是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。

为什么会产生集成电路?我们知道任何发明创造背后都是有驱动力的，而驱动力往往来源于问题。那么集成电路产生之前的问题是什么呢?我们看一下1942年在美国诞生的世界上台电子计算机，它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，耗电量150千瓦[1] 。显然，占用面积大、无法移动是它直观和突出的问题;如果能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上该有多好!我们相信，有很多人思考过这个问题，也提出过各种想法。典型的如英国雷达研究所的科学家达默，他在1952年的一次会议上提出：可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提高。这就是初期集成电路的构想，晶体管的发明使这种想法成为了可能，1947年在美国贝尔实验室制造出来了个晶体管，而在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，因此在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想，也就很快发明出来了集成电路。杰克·基尔比(Jack Kilby)和罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)在1958~1959期间分别发明了锗集成电路和硅集成电路[2-3] 。

讲完了历史，我们再来看现状。集成电路已经在各行各业中发挥着非常重要的作用，是现代信息社会的基石。集成电路的含义，已经远远超过了其刚诞生时的定义范围，但其核心的部分，仍然没有改变，那就是“集成”，其所衍生出来的各种学科，大都是围绕着“集成什么”、“如何集成”、“如何处理集成带来的利弊”这三个问题来开展的。硅集成电路是主流，就是把实现某种功能的电路所需的各种元件都放在一块硅片上，所形成的整体被称作集成电路。对于“集成”，想象一下我们住过的房子可能比较容易理解：很多人小时候都住过农村的房子，那时房屋的主体也许就是三两间平房，发挥着卧室的功能，门口的小院子摆上一副桌椅，就充当客厅，旁边还有个炊烟袅袅的小矮屋，那是厨房，而具有独特功能的厕所，需要有一定的隔离，有可能在房屋的背后，要走上十几米……后来，到了城市里，或者乡村城镇化，大家都住进了楼房或者套房，一套房里面，有客厅、卧室、厨房、卫生间、阳台，也许只有几十平方米，却具有了原来占地几百平方米的农村房屋的各种功能，这就是集成。

当然现如今的集成电路，其集成度远非一套房能比拟的，或许用一幢摩登大楼可以更好地类比：地面上有商铺、办公、食堂、酒店式公寓，地下有几层是停车场，停车场下面还有地基——这是集成电路的布局，模拟电路和数字电路分开，处理小信号的敏感电路与翻转频繁的控制逻辑分开，电源单独放在一角。每层楼的房间布局不一样，走廊也不一样，有回字形的、工字形的、几字形的——这是集成电路器件设计，低噪声电路中可以用折叠形状或“叉指”结构的晶体管来减小结面积和栅电阻。各楼层直接有高速电梯可达，为了效率和功能隔离，还可能有多部电梯，每部电梯能到的楼层不同——这是集成电路的布线，电源线、地线单独走线，负载大的线也宽;时钟与信号分开;每层之间布线垂直避免干扰;CPU与存储之间的高速总线，相当于电梯，各层之间的通孔相当于电梯间……

特点

集成电路或称微电路(microcircuit)、 微芯片(microchip)、芯片(chip)在电子学中是一种把电路(主要包括半导体装置，也包括被动元件等)小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上。

前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)混成集成电路(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动元件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。

本文是关于单片(monolithic)集成电路，即薄膜集成电路。

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

微芯片(microchip，有时简称芯片)是一片包起来的计算机电路(一般叫集成电路)，它是用一种原料例如硅(silicon)在很小的体积上制成的。微芯片是用来进行程序逻辑(逻辑或微处理器芯片)和计算机存贮(存贮器或可存期存贮器)的。微芯片也用来既包括逻辑又包括存贮，还可能为了特殊目的，例如模拟数字转化(analog-to-digital conversion)、位片和网关。

分类

功能结构

集成电路，又称为IC，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集

集成电路 成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。

模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号(指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等)，其输入信号和输出信号成比例关系。而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号(指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如3G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号)。

制作工艺

集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。

膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。

集成度高低

集成电路按集成度高低的不同可分为：

SSIC 小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits)

MSIC 中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits)

LSIC 大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits)

VLSIC 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits)

ULSIC特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated circuits)

GSIC 巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路(Giga Scale Integration)。

导电类型不同

集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路，他们都是数字集成电路。

双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。

按用途

集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电

集成电路 路、电脑(微机)用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。

1.电视机用集成电路包括行、场扫描集成电路、中放集成电路、伴音集成电路、彩色解码集成电路、AV/TV转换集成电路、开关电源集成电路、遥控集成电路、丽音解码集成电路、画中画处理集成电路、微处理器(CPU)集成电路、存储器集成电路等。

2.音响用集成电路包括AM/FM高中频电路、立体声解码电路、音频前置放大电路、音频运算放大集成电路、音频功率放大集成电路、环绕声处理集成电路、电平驱动集成电路，电子音量控制集成电路、延时混响集成电路、电子开关集成电路等。

3.影碟机用集成电路有系统控制集成电路、视频编码集成电路、MPEG解码集成电路、音频信号处理集成电路、音响效果集成电路、RF信号处理集成电路、数字信号处理集成电路、伺服集成电路、电动机驱动集成电路等。

4.录像机用集成电路有系统控制集成电路、伺服集成电路、驱动集成电路、音频处理集成电路、视频处理集成电路。

5.计算机集成电路，包括中央控制单元(CPU)、内存储器、外存储器、I/O控制电路等。

6.通信集成电路

7.专业控制集成电路

按应用领域分

集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。

按外形分

集成电路按外形可分为圆形(金属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功率)、扁平型(稳定性好，体积小)和双列直插型。

一、纸上谈IC

一般的，我们用由上而下的层级来认识集成电路，这样便于理解，也更有条理些。

(1)系统级

以手机为例，整个手机是一个复杂的电路系统，它可以打电话、可以玩游戏、可以听音乐、可以哔--。它由多个芯片以及电阻、电感、电容相互连接而成，称为系统级。(当然，随着技术的发展，将一整个系统做在一个芯片上的技术也已经出现多年——SoC技术)

(2)模块级

在整个系统中分为很多功能模块各司其职。有的管理电源，有的负责通信，有的负责显示，有的负责发声，有的负责统领全局的计算，等等。我们称为模块级。这里面每一个模块都是一个宏大的领域，都聚集着无数人类智慧的结晶，也养活了很多公司。

(3)寄存器传输级(RTL)

那么每个模块都是由什么组成的呢?以占整个系统较大比例的数字电路模块(它专门负责进行逻辑运算，处理的电信号都是离散的0和1)为例。它是由寄存器和组合逻辑电路组成的。

所谓寄存器就是一个能够暂时存储逻辑值的电路结构，它需要一个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。

现实中，我们需要时钟来衡量时间长短，电路中也需要时钟信号来统筹安排。时钟信号是一个周期稳定的矩形波。现实中秒钟动一下是我们的一个基本时间尺度，电路中矩形波震荡一个周期是它们世界的一个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作，履行义务。

组合逻辑呢，就是由很多“与(AND)、或(OR)、非(NOT)”逻辑门构成的组合。比如两个串联的灯泡，各带一个开关，只有两个开关都打开，灯才会亮，这叫做与逻辑。

一个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻辑组成的。把这一层级叫做寄存器传输级。

图中的三角形加一个圆圈是一个非门，旁边的器件是一个寄存器，D是输入，Q是输出，clk端输入时钟信号。

(4)门级

寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非逻辑构成的，把它再细分为与、或、非逻辑，便到达了门级(它们就像一扇扇门一样，阻挡/允许电信号的进出，因而得名)。

(5)晶体管级

无论是数字电路还是模拟电路，到底层都是晶体管级了。所有的逻辑门(与、或、非、与非、或非、异或、同或等等)都是由一个个晶体管构成的。因此集成电路从宏观到微观，达到底层，满眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。

早期的时候双极性晶体管(BJT)用的比较多，俗称三极管。它连上电阻、电源、电容，本身就具有放大信号的作用。像堆积木一样，可以用它构成各种各样的电路，比如开关、电压/电流源电路、上面提到的逻辑门电路、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。由BJT构建的电路我们称为TTL(Transistor-Transistor Logic)电路。BJT的电路符号长这个样子：

后来金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的出现，以优良的电学特性、超低的功耗横扫IC领域。除了模拟电路中BJT还有身影外，基本上现在的集成电路都是由MOS管组成的了。同样的，由它也可以搭起来成千上万种电路。而且它本身也可以经过适当连接用来作电阻、电容等基本电路元件。MOSFET的电路符号如下：

如上所述，在实际工业生产中，芯片的制造，实际上就是成千上万个晶体管的制造过程。

现实中制造芯片的层级顺序就要反过来了，从底层的晶体管开始一层层向上搭建。

基本上，按照“晶体管-》芯片-》电路板” 的顺序，我们终可以得到电子产品的核心部件——电路板。

二、IC的制造

想直接看芯片制造的可以直接空降至此。

下文中的光刻机主要指步进式和扫描式光刻机。

1. 首先我们知道，光刻的大致流程是，一个晶圆(wafer)(通常直径为300mm)上涂一层光刻胶，然后光线经过一个已经刻有电路图案(pattern)的掩膜版(mask or reticle)照射到晶圆上，晶圆上的光刻胶部分感光(对应有图案的部分)，接着做后续的溶解光刻胶、蚀刻晶圆等处理。然后再涂一层光刻胶，重复上述步骤几十次，以达到所需要求;

2. 简化结构请看下图。掩膜版和晶圆各自安装在一个运动平台上(reticle stage and wafer stage)。光刻时，两者运动到规定的位置，光源打开。光线通过掩膜版后，经过透镜，该透镜能够将电路图案缩小至原来的四分之一，然后投射到晶圆上，使光刻胶部分感光。

3. 一块晶圆上有很多die，每一个die上都刻有相同的电路图案，即一块晶圆可以出产很多芯片。一个die典型的尺寸是26×32mm。光刻机主要有两种，一种叫做stepper，即掩膜版和晶圆上的某一个die运动到位后，光源开、闭，完成一次光刻，然后晶圆运动使得下一个die到位，再进行一次光刻，依此类推。而另一种光刻机叫做scanner，即光线被限制在一条缝的区域内，光刻时，掩膜版和晶圆同时运动，使光线以扫描的方式扫过一个die的区域，从而将电路图案刻在晶圆上(见下图(b))。scanner比stepper的优势在于，可以提供更大的die的尺寸。其原因在于，对于一个固定尺寸的圆透镜，比如直径32mm的圆(指投射后的区域大小)，其允许透过的光线的区域尺寸是受限的。若采用stepper的step-and-expose方式进行光刻，一个die的区域必须能被包含在直径32mm的圆中，因此能获得的的die的尺寸为22×22mm;若采用scanner的step-and-scan方式，透镜能够提供的矩形区域长度可以到26mm(26×8mm)甚至更长，将光缝设置为这个尺寸，使用扫描的方式便可以获得26×Lmm的区域(L为扫描长度)。区域示意见下图(a)。同样的透镜在stepper下可以实现更大区域的意义在于，当你需要生产尺寸较大的芯片的时候，换一个更大的透镜的费用是昂贵的。

4. Scanner的step-and-scan过程的：

5. 为了使每层的电路相互之间不发生干涉，需要对上下平台进行精密运动控制。扫描时上下平台应处于匀速运动阶段。目前小的层叠误差小于2nm(单个机器内)或3nm(不同机器间)。

6. 光源的波长一般为365、248、193、157甚至13.5 nm(EUV， Extreme Ultraviolet)。因为光刻过程受到衍射限制，光源波长越小，能够做出的芯片尺寸就越小。

7. 在透镜和晶圆之间加入折射率大于1的液体(如水)，可以减小光线波长，从而提高NA(数值孔径)和分辨率。这种光刻机叫浸润式(immersion)光刻机。

8. 世界上做高端光刻机的厂家主要有ASML、Nikon和Canon。佳能大概已经不行了。Nikon每年开个会叫做LithoVision。