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芯片在我们生活中有多重要呢？小到无线耳机、智能手机，大到汽车火车、飞机轮船，再到冰箱、电视、洗衣机等等都离不开芯片。  可以说，芯片已经是我们生活中不可或缺的电子元器件了。但是你能想想这么一款精密器件，它居然是由沙子制成的吗？ 第一步，硅提炼及提纯芯片是由单质硅制成的，但自然界中并没有天然的单质硅，大都以硅的氧化物（二氧化硅、SiO2）形态存在，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们日常在海滩、河道、建筑工地等所见的那种，因为这种沙子含有红色、黄色、橙色的杂质，提纯难度更大。  芯片使用的沙子叫硅砂，这种沙子几乎没有其他的杂质，就是纯净的二氧化硅。那么如何把二氧化硅变成单质硅呢？ 工业上经常用碳在高温下还原二氧化硅，然后制得含有少量杂质的粗贵。 化学式：SiO2+2C==高温==Si+2CO↑ 我们将二氧化硅和碳充分混合，然后放入电弧炉中，加热到2000℃以上，在高温下，碳会与二氧化硅发生反应，炉膛底部会留下单质硅，而CO变为气体排出。 之后再用氧气对硅进行处理，把钙、铝等杂质去除，得到纯度为99%的单质硅。这个纯度远达不到制造芯片的标准。 为了进一步提纯单质硅，我们需要将其研磨成粉状，然后加入氯化氢，放入流化床反应器中，加热到300℃让其充分反应，生成三氯硅烷，同时去除铁、硼、磷等杂质。  三氯硅烷继续加热到1000℃，然后与氢气反应，最终形成纯度为99.999999%的单质硅，这个级别的硅就可以用来制造芯片了。 但此时的单质硅只能算多晶硅，由数量众多的小晶体或者微晶构成，这些小晶体之间的连接处有晶界，晶界会导致电子信号混乱，因此必须更改硅的结构，使其变成单晶硅。 第二步单晶硅生长 多晶硅变单晶硅的过程叫做直拉单晶技术，又称长晶。它的工艺流程为：熔化一→缩颈生长一→放肩生长一→等径生长一→尾部生长。 熔化：简单来说就是将多晶硅加入石英锅内，加热到熔点以上（1420℃），整个工程不能接触空气，因此长晶炉一般都是抽成真空，然后加入氩气。 缩颈生长：将微小的晶粒放入熔化的硅熔体中，因为温度差导致接触面产生热应力，形成位错，此时快速提升，使长出的籽晶直径减小到46mm左右。 而放肩生长就是将晶体的直径放大至所需的尺寸，该过程需要注意降温、减小拉速。 等径生产，就是保持晶体直径不变，持续拉长的过程。  尾部生长与放肩生长过程相反，当直径缩小至一个点时，晶棒就会与硅熔体分离。整个长晶过程结束。多晶硅也就变成了单晶硅棒，也就是我们常说的硅锭。 目前硅锭的直径大都为150mm、300mm、450mm三种，用于制造8英寸、12英寸的晶圆。 第三步制成晶圆硅晶棒是无法直接进行刻蚀的，它需要经过切断、滚磨、切片、倒角、抛光、激光刻等程序后，才能成为芯片制造的基本材料——“晶圆”。  晶圆的切片方法有传统的机械切割（划片）和激光切割（切片）。 机械切割是直接将钻石锯片作用在晶圆表面，产生应力，使其分割。切割宽度一般为25－35μm之间，速度为8－10mm／s，切割慢，不同规格需要不同的刀具。 此外，机械切割容易造成晶圆崩边、破损等现象。 而旋转砂轮式切割虽然可以降低晶圆破损，但需要去离子水冷却，又导致成本较高。于是发明了新型激光切割。 激光切割不会产生机械应力，大大地保证了晶圆的质量。 此外激光的精确度更高，可以达到亚微米级别，非常适合精密加工，在强大的脉冲能量下，硅材料直接汽化产生均匀的沟道，实现切割。 激光切割速度更快，且不需要冷却水，更不会出现磨损刀具的问题，可以24小时不间断作业。 激光对晶圆有更好的兼容性和通用性。  切割后的晶圆再通过氧化、化学气相沉积等方法进行镀膜，使表面形成一层SiO2薄膜，并在SiO2薄膜中进行N型、P型掺杂。 是不是很多网友认为晶圆就像一张DVD光盘，其实并非如此，晶圆不是标准的圆形，一般都会切出一个边，当作类似三角形的“底”，成为“有底的圆”。 芯片制造 芯片制造是最复杂的工艺，仅仅简单地走一遍流程就需要20多道，而真正的要制造一款手机芯片，需要几百道，甚至是几千道工序。 这里只讲一讲主要的工序。 芯片制造的主要流程为：清洗、预烘、涂胶、前烘、对准、曝光、显影、竖膜、刻蚀、去胶。 1、清洗 清洗的目的就是去除金属离子，确保晶圆无污染、无针孔、无缺陷。具体步骤如下： 1、使用强氧化剂清洗液，使晶圆表面的金属离子溶解在清洗液中； 2、用H+去除残留在晶圆表面的金属离子； 3、用去离子水清洗晶圆，彻底排除清洗液。 2、预烘 晶圆清洗完毕后，要进行烘干，确保无残留的清洗液，更有利于底胶的涂覆，并把晶圆温度保持在80℃左右。 3、涂底胶 为了增强光刻胶与晶圆的粘附性，需要涂一层底胶，底胶涂覆的时候需要环境温度保持在100℃左右。 4、光刻胶涂覆  光刻胶是感光树脂、增感剂和溶剂组成的混合液体，被紫外光、电子束、X射线照射后，溶解度会发生变化。 方法：晶圆在1000℃的高温中进行氧化，然后用涂胶机将光刻胶均匀地涂在晶圆表面。 5、前烘 前烘的目的是将光刻胶的溶剂蒸发掉，使光刻胶均匀地粘附在晶圆表面，而且烘干后的光刻胶涂层更薄。 6、对准 对准操作时，对精度要求极高，这绝对是对技术和设备的重大考验。 要求对准精度为最细的线宽1/10左右，同时精度随着芯片的制程变化。例如：5nm工艺的芯片对准精度就达到了1nm。 7、曝光  曝光就类似于照相机按快门，当紫外光对涂有光刻胶的晶圆照射时，光刻胶就发生了化学反应。 正胶曝光部分在显影液中被溶解，没有曝光的胶层留下；负胶的曝光部分在显影液中不溶解，而没有曝光的胶层却被溶解掉。 8、显影 被曝光后的晶圆放入显影液中，感光区的光刻胶就会溶解，这一步完成后，晶圆上的电路图就显现出来了。 9、竖模 显影工序后，形成了无光刻胶的显性图形和有光刻胶的隐性图形，这个图形组合可以作为下一步的模版。 10、刻蚀  刻蚀可以选择性地移除晶圆上的特定部分，并对边缘轮廓修整或表面清洁等。刻蚀工艺主要有两大类：湿法刻蚀和干法刻蚀。 刻蚀对于器件的电学性能十分重要。如果刻蚀过程中出现失误，将造成难以恢复的硅片报废。 11、去胶 以上工艺全部结束后，要把光刻胶去除，采用等离子、特殊溶剂、等方法。 这仅仅是一次操作，实际上制造芯片时，需要不断地重复以上操作。每加入一个层级就要进行一次光刻，最终形成一个多层的立体结构型的芯片。 为了防止芯片的刮损，同时更方面的与其它元器件连接，还要对芯片进行封装。 最后封装手机芯片制造完成后，只有指甲盖大小，并且非常薄，稍有不慎就会刮伤损坏，导致前面做的一系列工作化为乌有。 而芯片封装就是给芯片安装一个外壳，可以有效地固定、保护、密封、连接芯片。 芯片封装后的金属接脚简直就是与外界沟通的桥梁，这些桥梁将芯片与电路板有效的连接起来，让芯片更安全、高效的发挥作用。 封装流程主要有：划片、装片、键合、塑封、去飞边、电镀、打印、切筋成型。 常见的封装方式有两种： DIP 封装、 BGA 封装 DIP 封装： DIP封装即双排直立式封装，采用此封装的 IC 芯片在双排脚下，看起来会像条黑色蜈蚣，让人印象深刻，此封装法为最早采用的 IC 封装技术。 优点：成本低廉、适合小型且不需要接太多线的芯片。 缺点：散热效果较差，无法满足现行高速芯片的要求。 BGA 封装： 以金线将芯片接到金属接脚， 优点：体积小、容纳更多的接脚； 缺点：工艺复杂、成本较高。 封装完成后，再进行功能、电气、安全、环境、机械等方面的测试，就大功告成了。 写到最后沙子变为高端芯片是一个极其复杂而精密的过程，目前没有任何一个国家可以单独完成这项任务。 这项过程不仅需要大量的专业技术，也需要很多精密的设备，和性能不同的化学试剂。这对每个国家都是考验。 我国在该领域起步晚，底子薄，但发展速度非常快，相信假以时日，在科研人员的努力下定能独立打造出高端芯片。 我是科技铭程，欢迎共同讨论！ |
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