芯片在我們生活中有多重要呢,？小到無(wú)線耳機(jī),、智能手機(jī)，大到汽車火車,、飛機(jī)輪船,，再到冰箱、電視,、洗衣機(jī)等等都離不開(kāi)芯片,。

可以說(shuō)，芯片已經(jīng)是我們生活中不可或缺的電子元器件了,。但是你能想想這么一款精密器件,，它居然是由沙子制成的嗎？

第一步,，硅提煉及提純

芯片是由單質(zhì)硅制成的,，但自然界中并沒(méi)有天然的單質(zhì)硅，大都以硅的氧化物（二氧化硅,、SiO2）形態(tài)存在,，二氧化硅恰好是沙子的主要成分。

芯片所使用的沙子并非我們?nèi)粘Ｔ诤?、河道,、建筑工地等所?jiàn)的那種，因?yàn)檫@種沙子含有紅色、黃色,、橙色的雜質(zhì),，提純難度更大。

芯片使用的沙子叫硅砂,，這種沙子幾乎沒(méi)有其他的雜質(zhì),，就是純凈的二氧化硅。那么如何把二氧化硅變成單質(zhì)硅呢,？

工業(yè)上經(jīng)常用碳在高溫下還原二氧化硅,，然后制得含有少量雜質(zhì)的粗貴。

化學(xué)式：SiO2+2C==高溫==Si+2CO↑

我們將二氧化硅和碳充分混合,，然后放入電弧爐中,，加熱到2000℃以上，在高溫下,，碳會(huì)與二氧化硅發(fā)生反應(yīng),，爐膛底部會(huì)留下單質(zhì)硅，而CO變?yōu)闅怏w排出,。

之后再用氧氣對(duì)硅進(jìn)行處理,，把鈣、鋁等雜質(zhì)去除,，得到純度為99%的單質(zhì)硅,。這個(gè)純度遠(yuǎn)達(dá)不到制造芯片的標(biāo)準(zhǔn)。

為了進(jìn)一步提純單質(zhì)硅,，我們需要將其研磨成粉狀,，然后加入氯化氫，放入流化床反應(yīng)器中,，加熱到300℃讓其充分反應(yīng),，生成三氯硅烷，同時(shí)去除鐵,、硼,、磷等雜質(zhì)。

三氯硅烷繼續(xù)加熱到1000℃,，然后與氫氣反應(yīng),，最終形成純度為99.999999%的單質(zhì)硅，這個(gè)級(jí)別的硅就可以用來(lái)制造芯片了,。

但此時(shí)的單質(zhì)硅只能算多晶硅，由數(shù)量眾多的小晶體或者微晶構(gòu)成,，這些小晶體之間的連接處有晶界,，晶界會(huì)導(dǎo)致電子信號(hào)混亂，因此必須更改硅的結(jié)構(gòu),，使其變成單晶硅,。

第二步單晶硅生長(zhǎng)

多晶硅變單晶硅的過(guò)程叫做直拉單晶技術(shù),，又稱長(zhǎng)晶。它的工藝流程為：熔化一→縮頸生長(zhǎng)一→放肩生長(zhǎng)一→等徑生長(zhǎng)一→尾部生長(zhǎng),。

熔化：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將多晶硅加入石英鍋內(nèi),，加熱到熔點(diǎn)以上（1420℃），整個(gè)工程不能接觸空氣,，因此長(zhǎng)晶爐一般都是抽成真空,，然后加入氬氣。

縮頸生長(zhǎng)：將微小的晶粒放入熔化的硅熔體中,，因?yàn)闇囟炔顚?dǎo)致接觸面產(chǎn)生熱應(yīng)力,，形成位錯(cuò)，此時(shí)快速提升,，使長(zhǎng)出的籽晶直徑減小到46mm左右,。

而放肩生長(zhǎng)就是將晶體的直徑放大至所需的尺寸，該過(guò)程需要注意降溫,、減小拉速,。

等徑生產(chǎn)，就是保持晶體直徑不變,，持續(xù)拉長(zhǎng)的過(guò)程,。

尾部生長(zhǎng)與放肩生長(zhǎng)過(guò)程相反，當(dāng)直徑縮小至一個(gè)點(diǎn)時(shí),，晶棒就會(huì)與硅熔體分離,。整個(gè)長(zhǎng)晶過(guò)程結(jié)束。多晶硅也就變成了單晶硅棒,，也就是我們常說(shuō)的硅錠,。

目前硅錠的直徑大都為150mm、300mm,、450mm三種,，用于制造8英寸、12英寸的晶圓,。

第三步制成晶圓

硅晶棒是無(wú)法直接進(jìn)行刻蝕的,，它需要經(jīng)過(guò)切斷、滾磨,、切片,、倒角、拋光,、激光刻等程序后,，才能成為芯片制造的基本材料——“晶圓”。

晶圓的切片方法有傳統(tǒng)的機(jī)械切割（劃片）和激光切割（切片）。

機(jī)械切割是直接將鉆石鋸片作用在晶圓表面,，產(chǎn)生應(yīng)力,，使其分割。切割寬度一般為25－35μm之間,，速度為8－10mm／s,，切割慢，不同規(guī)格需要不同的刀具,。

此外,，機(jī)械切割容易造成晶圓崩邊、破損等現(xiàn)象,。

而旋轉(zhuǎn)砂輪式切割雖然可以降低晶圓破損,，但需要去離子水冷卻，又導(dǎo)致成本較高,。于是發(fā)明了新型激光切割,。

激光切割不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，大大地保證了晶圓的質(zhì)量,。

此外激光的精確度更高,，可以達(dá)到亞微米級(jí)別，非常適合精密加工,，在強(qiáng)大的脈沖能量下,，硅材料直接汽化產(chǎn)生均勻的溝道，實(shí)現(xiàn)切割,。

激光切割速度更快,，且不需要冷卻水，更不會(huì)出現(xiàn)磨損刀具的問(wèn)題,，可以24小時(shí)不間斷作業(yè),。

激光對(duì)晶圓有更好的兼容性和通用性。

切割后的晶圓再通過(guò)氧化,、化學(xué)氣相沉積等方法進(jìn)行鍍膜,，使表面形成一層SiO2薄膜，并在SiO2薄膜中進(jìn)行N型,、P型摻雜,。

是不是很多網(wǎng)友認(rèn)為晶圓就像一張DVD光盤(pán)，其實(shí)并非如此,，晶圓不是標(biāo)準(zhǔn)的圓形,，一般都會(huì)切出一個(gè)邊，當(dāng)作類似三角形的“底”,，成為“有底的圓”,。

芯片制造

芯片制造是最復(fù)雜的工藝,，僅僅簡(jiǎn)單地走一遍流程就需要20多道，而真正的要制造一款手機(jī)芯片,，需要幾百道，甚至是幾千道工序,。

這里只講一講主要的工序,。

芯片制造的主要流程為：清洗、預(yù)烘,、涂膠,、前烘、對(duì)準(zhǔn),、曝光,、顯影、豎膜,、刻蝕,、去膠。

1,、清洗

清洗的目的就是去除金屬離子,，確保晶圓無(wú)污染、無(wú)針孔,、無(wú)缺陷,。具體步驟如下：

1、使用強(qiáng)氧化劑清洗液,，使晶圓表面的金屬離子溶解在清洗液中,；

2、用H+去除殘留在晶圓表面的金屬離子,；

3,、用去離子水清洗晶圓，徹底排除清洗液,。

2,、預(yù)烘

晶圓清洗完畢后，要進(jìn)行烘干,，確保無(wú)殘留的清洗液,，更有利于底膠的涂覆，并把晶圓溫度保持在80℃左右,。

3,、涂底膠

為了增強(qiáng)光刻膠與晶圓的粘附性，需要涂一層底膠,，底膠涂覆的時(shí)候需要環(huán)境溫度保持在100℃左右,。

4,、光刻膠涂覆

光刻膠是感光樹(shù)脂、增感劑和溶劑組成的混合液體,，被紫外光,、電子束、X射線照射后,，溶解度會(huì)發(fā)生變化,。

方法：晶圓在1000℃的高溫中進(jìn)行氧化，然后用涂膠機(jī)將光刻膠均勻地涂在晶圓表面,。

5,、前烘

前烘的目的是將光刻膠的溶劑蒸發(fā)掉，使光刻膠均勻地粘附在晶圓表面,，而且烘干后的光刻膠涂層更薄,。

6、對(duì)準(zhǔn)

對(duì)準(zhǔn)操作時(shí),，對(duì)精度要求極高,，這絕對(duì)是對(duì)技術(shù)和設(shè)備的重大考驗(yàn)。

要求對(duì)準(zhǔn)精度為最細(xì)的線寬1/10左右,，同時(shí)精度隨著芯片的制程變化,。例如：5nm工藝的芯片對(duì)準(zhǔn)精度就達(dá)到了1nm。

7,、曝光

曝光就類似于照相機(jī)按快門(mén),，當(dāng)紫外光對(duì)涂有光刻膠的晶圓照射時(shí)，光刻膠就發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),。

正膠曝光部分在顯影液中被溶解,，沒(méi)有曝光的膠層留下；負(fù)膠的曝光部分在顯影液中不溶解,，而沒(méi)有曝光的膠層卻被溶解掉,。

8、顯影

被曝光后的晶圓放入顯影液中,，感光區(qū)的光刻膠就會(huì)溶解,，這一步完成后，晶圓上的電路圖就顯現(xiàn)出來(lái)了,。

9,、豎模

顯影工序后，形成了無(wú)光刻膠的顯性圖形和有光刻膠的隱性圖形,，這個(gè)圖形組合可以作為下一步的模版,。

10、刻蝕

刻蝕可以選擇性地移除晶圓上的特定部分,，并對(duì)邊緣輪廓修整或表面清潔等,?？涛g工藝主要有兩大類：濕法刻蝕和干法刻蝕。

刻蝕對(duì)于器件的電學(xué)性能十分重要,。如果刻蝕過(guò)程中出現(xiàn)失誤,，將造成難以恢復(fù)的硅片報(bào)廢。

11,、去膠

以上工藝全部結(jié)束后,，要把光刻膠去除，采用等離子,、特殊溶劑、等方法,。

這僅僅是一次操作,，實(shí)際上制造芯片時(shí)，需要不斷地重復(fù)以上操作,。每加入一個(gè)層級(jí)就要進(jìn)行一次光刻,，最終形成一個(gè)多層的立體結(jié)構(gòu)型的芯片。

為了防止芯片的刮損,，同時(shí)更方面的與其它元器件連接,，還要對(duì)芯片進(jìn)行封裝。

最后封裝

手機(jī)芯片制造完成后,，只有指甲蓋大小,，并且非常薄，稍有不慎就會(huì)刮傷損壞,，導(dǎo)致前面做的一系列工作化為烏有,。

而芯片封裝就是給芯片安裝一個(gè)外殼，可以有效地固定,、保護(hù),、密封、連接芯片,。

芯片封裝后的金屬接腳簡(jiǎn)直就是與外界溝通的橋梁,，這些橋梁將芯片與電路板有效的連接起來(lái)，讓芯片更安全,、高效的發(fā)揮作用,。

封裝流程主要有：劃片、裝片,、鍵合,、塑封、去飛邊,、電鍍、打印,、切筋成型。

常見(jiàn)的封裝方式有兩種： DIP 封裝,、 BGA 封裝

DIP 封裝：

DIP封裝即雙排直立式封裝,，采用此封裝的 IC 芯片在雙排腳下，看起來(lái)會(huì)像條黑色蜈蚣,，讓人印象深刻,，此封裝法為最早采用的 IC 封裝技術(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：成本低廉,、適合小型且不需要接太多線的芯片,。

缺點(diǎn)：散熱效果較差，無(wú)法滿足現(xiàn)行高速芯片的要求,。

BGA 封裝：

以金線將芯片接到金屬接腳,，

優(yōu)點(diǎn)：體積小、容納更多的接腳,；

缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜,、成本較高。

封裝完成后,，再進(jìn)行功能,、電氣、安全,、環(huán)境,、機(jī)械等方面的測(cè)試，就大功告成了,。

寫(xiě)到最后

沙子變?yōu)楦叨诵酒且粋€(gè)極其復(fù)雜而精密的過(guò)程,，目前沒(méi)有任何一個(gè)國(guó)家可以單獨(dú)完成這項(xiàng)任務(wù)。

這項(xiàng)過(guò)程不僅需要大量的專業(yè)技術(shù),，也需要很多精密的設(shè)備,，和性能不同的化學(xué)試劑。這對(duì)每個(gè)國(guó)家都是考驗(yàn),。

我國(guó)在該領(lǐng)域起步晚,，底子薄，但發(fā)展速度非?？?，相信假以時(shí)日，在科研人員的努力下定能獨(dú)立打造出高端芯片,。

我是科技銘程,，歡迎共同討論！