沙子在我們普通人的眼中可能隻是一種廉價的建築材料，然而，科學家們通過自己的智慧，将這些不起眼、廉價的沙子制成半導體材料，價值瞬間翻了幾十萬倍，形成了一個巨大的半導體産業，中國每年進口半導體芯片所花費的金額就達到了幾萬億人民币，已經超過了石油的進口總額，集成電路與半導體材料已經成為了社會發展的“剛需”。那麼人類是如何将沙子搖身一變成為價值媲美黃金的芯片呢？接下來我們将進入制造半導體的世界。

半導體芯片

• 沙子的組成

沙子是我們生活中非常常見的一種物質，它的主要組成成分是石英，也就是二氧化矽（SiO2）,沙子中二氧化矽含量高，因此，對于半導體産業來說，沙子是再合适不過的原料了。制作半導體材料所需要的原料是單晶矽，因此，需要先将沙子中的氧去除，從而得到單質矽。

沙子

• 沙子中提取矽單質，得到多晶矽

要将沙子中的二氧化矽變為單質矽，需要将沙子中的二氧化矽進行還原。一般是在電弧爐中，将石英含量較高的沙子和焦炭按适當的比例加入，在2000℃的高溫中反應并生成矽單質。

電弧爐

二氧化矽還原

然而，通過上面反應之後得到的矽雜質含量很高，矽的純度一般隻有95%~99%，這種矽稱為冶金級矽。隻有極少數的高純度冶金級矽(純度≥98%)才能用于進一步提純為高純度的電子級多晶矽，而這些能達到要求的僅占冶金級矽的1%。

超大規模集成電路的矽材料，純度需要達到10~11個9，也就是平均幾百億個原子中僅含有一個雜質原子，這個純度是非常高的，因此，需要将上面得到的矽進一步提純。

一般先将粗矽與氯化氫（HCl）氣體在高溫下反應，生成三氯化氫矽（SiHCl3），同時也會生成SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl、AlCl3、FeCl3等物質，再利用這些物質沸點的不同在蒸餾塔中控制溫度進行多次精餾分離。

得到的高純SiHCl3再與H2通入還原爐中，利用高純矽細棒作為發熱體，加熱到1100℃左右，SiHCl3會與H2在爐内反應，生成Si和HCl，新生成的矽會沉澱在矽棒上，使矽棒逐漸變粗，得到高純度的矽單質。

粗矽進一步提純工藝

• 從非晶矽到單晶矽棒

制備芯片所需要的矽必須是要單晶矽，所謂的單晶，就是物質内部的原子排列整齊有序的，而上述得到的反應得到的單質矽内部結構并非有序結構，一般為非晶結構或多晶結構，非晶即為原子排列完全沒有規則，雜亂無章，而多晶則為部分結構有序，而長程無序，微觀的區域内為晶體結構，很多的晶體結構之間存在着晶界。因此需要進一步重新熔化結晶得到單晶矽。

單晶矽結構和非晶矽結構

目前制備單晶矽一般使用直拉法，将熔融的單質矽控制到熔點溫度，在熔點溫度下用一塊小的單晶矽（晶籽）引出，液态的矽會在晶籽的表面一層一層逐漸生長，形成單晶結構。

熔融的矽原子不斷地在晶棒下端有序生長

在生長的過程中，單晶矽棒需要不停的旋轉，而下面的坩埚反方向旋轉，單晶矽棒一邊旋轉一邊緩慢提起。之所以要旋轉是因為熔體内溶液溫度存在溫差會形成自然對流，并且晶體在提升的過程中也會引起對流，因此，旋轉的過程可以使溫度更為均勻，并且也利于雜質的均勻分布。

在實際操作的過程中，轉動速率需要通過對熱流以及熔體性質進行分析并準确的計算，這樣拉出來的單晶棒才能生長均勻，結構完整。

• 從單晶矽棒到單晶矽片

拉出來的單晶矽棒制成之後，需要進行切片，切割的過程一般使用鋼線切割，鋼線的長度一般為數百千米，并且切割速度達到600~800m/min，鋼線的表面一般鍍有碳化矽顆粒，這類物質硬度極大，切割速度也非常快。

線切割原理

切割之後一個矽錠就可以得到很多的單晶矽片，這就是我們常聽的晶圓。由于切割過程中表面并不平整，因此，還需要進行清洗，抛光等過程。

芯片的制作過程極其複雜，上面這一系列過程隻是處于上遊的制作過程，芯片的制作可以說在這裡才真正開始。

芯片實際上是由幾十億個晶體管組成，制作芯片，就是相當于要在晶圓上刻蝕出無數微小的晶體管，并将它們通過極其細小的電路連接起來。在了解芯片的工作原理以及制備工藝之前，我們先要了解什麼是晶體管以及它有什麼作用。

常用的晶體管一般為二極管和三極管，晶體管中最重要的部分就是P-N結，P-N結有一個特殊的性質，那就是單向導電性。

• P-N結

P-N結就是将一塊P型半導體于N型半導體相接觸，那麼，在它們相接觸的地方就形成了一個P-N結。

P型半導體

P型半導體指摻入少量硼（B）原子的矽晶體，矽元素處于第四周期元素，原子核最外層具有四個電子，而矽在該電子層電子數為8個的時候會形成穩定結構，因此單晶體中一個矽原子會與四個矽原子形成四對共價鍵，下面就是單晶矽的電子結構。

而硼原子最外層隻有三個電子，因此，硼原子在與矽原子形成共價鍵時，會形成7個電子的結構，相比矽單質少了一個電子，相當于空了一個位置，我們把這個空的位置稱為“空穴”。

“空穴”可以在這個結構中随意流動，因此，這類半導體就具有了導電性。

N型半導體

N型半導體指摻入少量磷（P）原子的矽晶體，磷原子最外層有5個電子，因此在與四個矽原子形成共價鍵時，就會多出一個電子，這個電子也是可以自由移動的。

P型和N型半導體結合形成P-N結，由于N型半導體存在多餘電子，電子濃度較大，而P型半導體中存在很多電子空位，于是N型半導體中的電子會自發流向P型半導體。由于擴散作用導緻電荷不平衡，于是會形成内建電場。

當外加一個電壓形成的電場與内建電場相反時，便可以抵消内電場，同時可以在負極注入更多的電子，這個時候便形成了通路。當加入一個反向電壓時，外電場方向與内電場方向相同，電場加強，電子便無法通過，這就是P-N結單向導電的本質原因。

上面這個是一個P-N結形成的二極管，當多個N型半導體與P型半導體相結合時，就能夠形成三極管，三極管相當于是一個繼電器，利用小電流控制大電流。

我們以一個NPN三極管為例，進行分析

一個三極管會存在兩個P-N結，方向相反，每種類型的半導體都會有一個引腳，當我們在集電極與發射極兩端接上電壓時，無論電壓是哪個方向，總會有一個PN結所形成的内電場與外電源的電場相同，因此ec兩端始終無法形成通路。那麼如果在be端另外加上一個電壓就不一樣了。另外加上的這個電壓可以抵消一個P-N結的作用，電子可以順利的從下面的N極流入P極，由于中間的P極非常窄，流入的多餘電子會被c處的電極所吸引，于是ec之間形成了通路。ec之間的電流會比be之間的電流大幾百倍，這就形成了一個電流放大的作用。

三極管電路圖

三極管電流的放大作用演示

• mos管

晶體管中還有一種mos管，它的作用和三極管非常類似，三極管是通過小電流來控制大電流，而mos管不是通過電流來控制，而是通過電壓。

我們以上圖左邊的N溝道場效應管類型為例進行分析，當在栅極加入一個正電壓時，兩端源極與漏極（N區）中的電子會被吸引到中間的P區，由于栅極與P區之間存在一層氧化物薄膜，電子無法通過，于是電子會聚集在P區，但是無法流入栅極，這個時候在源極與漏極之間加入電壓的話就會形成一個通路，于是會有電流流過。

這就是晶體管的工作原理

通過上面的介紹，我們知道了晶體管的原理，如果用一句簡單的話來總結晶體管的話，那麼這些晶體管的作用就相當于是一個開關，當中間電極提供電流或者電壓時，兩端則會形成通路，相當于用手按下了開關，而沒有電流或者電壓時，則電流無法通過，相當于斷開了開關。了解了這個原理，那麼，晶體管在CPU中是如何發揮作用的呢？

• CPU中晶體管的作用

CPU可以說是一個計算機的大腦，它通過快速的運算來為我們服務。在計算的過程，全靠這些晶體管。我們知道，計算機存儲數據的原理是利用0和1來進行儲存，計算機之所以使用二進制，是因為對于電子機器來說，一切事物無非隻存在兩種狀态：有或者沒有。這個有或者沒有對應着電路的斷路或者通路。前面講過晶體管就相當于開關，将這些開關通過不同的組合就能夠得到各種門電路，輸入不同的數據0、1就對應着這些開關的斷開、閉合，通過門電路，我們就知道輸出端是否有電流，這個輸出端是否有電流對應着輸出0或者1，通過這些大量的開關進行各種組合，我們就可以得到一個超強計算能力的處理器，實上CPU計算的過程，就是這些開關不斷閉合、斷開的過程。而單個晶體管開關的速度可以達到每秒1000萬次以上，因此晶體管數量越多，開關速度越快，CPU的運算速度就越快。

邏輯電路

當然這隻是簡要的描述了CPU的部分功能，CPU其實不僅僅有計算功能，同時還擁有其它的模塊，這裡就不詳細介紹，我們知道其中的主要原理就可以了。

知道了CPU中晶體管的作用，那麼我們就能明白芯片為什麼要進行下面這些制作工藝了。CPU中的主要部件就是上面所提到的這些晶體管的組合（主要是mos管），以目前的工藝技術，在一塊拇指大的單晶矽片上就能制成幾十億個晶體管，并且将所有的晶體管連接起來，組成集成電路，因此工藝非常複雜。

下面就是關于在晶圓上制作出晶體管的工藝流程。

• 光刻蝕

光刻蝕的目的就是将設計好的電路“雕刻”在矽片上，晶圓在光刻蝕之前，會對晶圓進行熱處理，使表面形成一層氧化層（SiO2），然後再塗上一層薄薄的光刻膠，光刻膠有一個特殊的性質，就是被紫外線照射之後，會從不溶于水變為可溶于水。首先工程師會将電路設計成一個模闆，再利用紫外線照射照射模闆，通過模闆的紫外線光彙集在特定的位置，照射的區域就是電路的軌迹，再用水進行清洗，被照射部分的光刻膠就被清理掉了。

塗上光刻膠

光刻過程——紫外線照射

被照射部分光刻膠被清洗掉

光刻機

• 摻雜

被清洗掉的光刻膠之後，下面的二氧化矽層便暴露出來了，接下來會用溶液對二氧化矽層進行腐蝕，使下面的矽層暴露出來，暴露出來的矽層将會進行摻雜，根據不同的晶體管類型，選擇摻雜什麼樣的雜質，形成P型或者N型半導體。

摻雜方式：離子注入法

離子注入法是将n型或p型摻雜劑的離子束在靜電場中加速，注入p型或n型半導體表面區域，在表面形成與基體型号相反的半導體，從而形成P-N結。這些離子在電場中加速後得到的能量可以達到幾十萬電子伏特。之後經過離子注入之後的晶圓再進行處理，将剩下的光刻膠打磨清除掉。

離子注入

而經過強電場注入的雜質原子在矽中的結構并不規則，因此需要将注入離子的晶圓在一定條件下進行熱處理，使雜質原子移動至矽原子的晶格上，占據一個矽原子的位置，從而形成規則的P型結構或N型結構。

經過刻蝕之後的晶圓表面凹凸不平，反射的光線經過幹涉之後呈現五彩斑斓的顔色

摻雜的操作需要進行很多次，每次摻雜都需要經過塗上光刻膠、光刻、清洗、腐蝕、離子注入、熱處理這些過程。最後在晶圓表面利用氣相沉積法沉積一層二氧化矽薄膜進行絕緣處理，之後再塗上光刻膠、光刻、清洗、腐蝕，在絕緣層表面進行得到一個開孔，用于引出電極導線。

絕緣層上腐蝕開孔

• 電鍍銅，制作電路

上面這些過程基本已經形成了晶體管結構，接下來就要将這些成型的晶體管利用線路連接起來，而連接的線路就是銅。利用硫酸銅溶液電解在直流電下進行電解，從而在表面沉積形成一層銅。

因為整個表面都會被銅所覆蓋，因此需要再打磨去掉多餘的銅，從而在晶體管的三個電極上引出銅接口。

接下來就需要利用銅線将所有的晶體管進行連接，構建完整的電路，而電路的構建并不是一層結構就能夠滿足的，需要在晶體上方一層一層連接，構建每一層的電路都需要進行塗膠、光刻、鍍銅、打磨這些工序，而芯片中這些線路的連接層數多達幾十層。

構建電路

在顯微鏡下将芯片電路放大

• 晶圓切片、裝片、封裝

經過上面的步驟，每個單獨的芯片就制作好了，一塊晶圓中就有幾百個芯片單元，接下來需要對每一小塊芯片進行測試，并将晶圓進行切割，分離各個芯片，将合格的芯片進行裝片，并加上外殼進行封裝。

芯片檢測

晶圓切割

芯片封裝

經過上面這些過程，一個完整的芯片就誕生了。一個芯片從晶圓到封裝，都需要經過上千道工藝，芯片的制造一定程度上反應了人類科技的最高水準，甚至有些人認為芯片就像是一個外來的産物，人類居然能夠擁有如此高超的技術制造出這麼複雜的東西。那些曾經讓芯片從無到有的科學家，他們的智力以及想象力令人折服。

上面對芯片進行了大幅度完整的介紹，如果簡單總結一下上面所介紹的芯片制作工藝就是：

矽提純、切割、制作晶圓→光刻、腐蝕、離子注入、構建電路→芯片測試、晶圓切割、裝片封裝→芯片誕生。一顆沙子經過這樣一個流程，搖身一變，價值甚至超過了黃金。但不得不說，一塊芯片的研發，不僅花費的是高昂的成本，更是無數科研人員心血。

現在的芯片無處不在，從手機到人工智能再到航空航天，每一項技術都離不開芯片的支撐，而制作芯片的光刻機更是掌握着芯片産業的命脈，芯片正在改變着這個世界，在未來，我國在芯片技術上也一定能夠有所突破。

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