晶片的原材料居然是沙子，那麼沙子是如何變成晶片的呢？

晶片在我們生活中有多重要呢？小到無線耳機、智慧手機，大到汽車火車、飛機輪船，再到冰箱、電視、洗衣機等等都離不開晶片。

可以說，晶片已經是我們生活中不可或缺的電子元器件了。但是你能想想這麼一款精密器件，它

居然是由沙子製成的嗎？

第一步，矽提煉及提純

晶片是由單質矽製成的，但自然界中並沒有天然的單質矽，大都以矽的氧化物（二氧化矽、

SiO2

）形態存在，

二氧化矽恰好是沙子的主要成分。

晶片所使用的沙子並非我們日常在海灘、河道、建築工地等所見的那種，因為這種沙子含有紅色、黃色、橙色的雜質，提純難度更大。

晶片使用的沙子叫矽砂，這種沙子幾乎沒有其他的雜質，就是純淨的二氧化矽。那麼如何把二氧化矽變成單質矽呢？

工業上經常用碳在高溫下還原二氧化矽，然後製得含有少量雜質的粗貴。

化學式：SiO2+2C==高溫==Si+2CO↑

我們將二氧化矽和碳充分混合，然後放入電弧爐中，加熱到2000℃以上，在高溫下，碳會與二氧化矽發生反應，爐膛底部會留下單質矽，而CO變為氣體排出。

之後再用氧氣對矽進行處理，把鈣、鋁等雜質去除，得到純度為99%的單質矽。這個純度遠達不到製造晶片的標準。

為了進一步提純單質矽，我們需要將其研磨成粉狀，然後加入氯化氫，放入流化床反應器中，加熱到300℃讓其充分反應，生成三氯矽烷，同時去除鐵、硼、磷等雜質。

三氯矽烷繼續加熱到1000℃，然後與氫氣反應，最終形成

純度為99.999999%的單質矽

，這個級別的矽就可以用來製造晶片了。

但此時的單質矽只能算多晶矽，由

數量眾多的小晶體或者微晶構成

，這些小晶體之間的連線處有晶界，晶界會導致電子訊號混亂，因此必須更改矽的結構，

使其變成單晶矽。

第二步單晶矽生長

多晶矽變單晶矽的過程叫做

直拉單晶技術，又稱長晶

。

它的工藝流程為：

熔化一→縮頸生長一→放肩生長一→等徑生長一→尾部生長。

熔化：簡單來說就是將多晶矽加入石英鍋內，加熱到熔點以上（1420℃），整個工程不能接觸空氣，因此長晶爐一般都是抽成真空，然後加入氬氣。

縮頸生長：將微小的晶粒放入熔化的矽熔體中，因為溫度差導致接觸面產生熱應力，形成位錯，此時快速提升，使長出的籽晶直徑減小到46mm左右。

而放肩生長就是將晶體的直徑放大至所需的尺寸，該過程需要注意降溫、減小拉速。

等徑生產，就是保持晶體直徑不變，持續拉長的過程。

尾部生長與放肩生長過程相反，當直徑縮小至一個點時，晶棒就會與矽熔體分離。整個長晶過程結束。

多晶矽也就變成了單晶矽棒，也就是我們常說的矽錠。

目前矽錠的直徑大都為150mm、300mm、450mm三種，用於製造8英寸、12英寸的晶圓。

第三步製成晶圓

矽晶棒是無法直接進行刻蝕的，它需要經過

切斷、滾磨、切片、倒角、拋光、鐳射刻

等程式後，才能成為晶片製造的基本材料——

“晶圓”

。

晶圓的切片方法有傳統的

機械切割（劃片）和鐳射切割（切片）

。

機械切割是直接將鑽石鋸片作用在晶圓表面，產生應力，使其分割。切割寬度一般為

25－35μm之間，速度為8－10mm／s，切割慢，不同規格需要不同的刀具。

此外，機械切割容易造成晶圓崩邊、破損等現象。

而

旋轉砂輪式切割雖然可以降低晶圓破損，但需要去離子水冷卻，又導致成本較高。於是發明了

新型鐳射切割。

鐳射切割不會產生機械應力，大大地保證了晶圓的質量。

此外鐳射的精確度更高，可以達到亞微米級別，非常適合精密加工，在強大的脈衝能量下，矽材料直接汽化產生均勻的溝道，實現切割。

鐳射切割速度更快，且不需要冷卻水，更不會出現磨損刀具的問題，可以24小時不間斷作業。

鐳射對晶圓有更好的相容性和通用性。

切割後的晶圓再透過氧化、化學氣相沉積等方法進行鍍膜，使表面形成一層

SiO2薄膜，並在SiO2薄膜中進行N型、P型摻雜。

是不是很多網友認為晶圓就像一張DVD光碟，其實並非如此，

晶圓不是標準的圓形，

一般都會切出一個邊，當作類似三角形的“底”，成為

“有底的圓”。

晶片製造

晶片製造是最複雜的工藝，僅僅簡單地走一遍流程就需要20多道，而真正的要製造一款手機晶片，需要幾百道，甚至是幾千道工序。

這裡只講一講主要的工序。

晶片製造的主要流程為：

清洗、預烘、塗膠、前烘、對準、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，確保晶圓無汙染、無針孔、無缺陷。具體步驟如下：

1、使用強氧化劑清洗液，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、預烘

晶圓清洗完畢後，要進行烘乾，確保無殘留的清洗液，更有利於底膠的塗覆，並把晶圓溫度保持在80℃左右。

3、塗底膠

為了增強光刻膠與晶圓的粘附性，需要塗一層底膠，底膠塗覆的時候需要環境溫度保持在100℃左右。

4、光刻膠塗覆

光刻膠是

感光樹脂、

增感劑

和溶劑組成的混合液體，

被紫外光、電子束、

X射線

照射後，溶解度會發生變化。

方法：晶圓在1000℃的高溫中進行氧化，然後用塗膠機將光刻膠均勻地塗在晶圓表面。

5、前烘

前烘的目的是將光刻膠的溶劑蒸發掉，使光刻膠均勻地粘附在晶圓表面，而且烘乾後的光刻膠塗層更薄。

6、對準

對準操作時，對精度要求極高，這絕對是對技術和裝置的重大考驗。

要求對準精度為最細的線寬1/10左右，同時精度隨著晶片的製程變化。例如：5nm工藝的晶片對準精度就達到了1nm。

7、曝光

曝光就類似於照相機按快門，當紫外光對塗有光刻膠的晶圓照射時，光刻膠就發生了化學反應。

正膠曝光部分在顯影液中被溶解，沒有曝光的膠層留下；負膠的曝光部分在顯影液中不溶解，而沒有曝光的膠層卻被溶解掉。

8、顯影

被曝光後的晶圓放入顯影液中，感光區的光刻膠就會溶解，這一步完成後，晶圓上的電路圖就顯現出來了。

9、豎模

顯影工序後，形成了無光刻膠的顯性圖形和有光刻膠的隱性圖形，這個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，並

對邊緣輪廓修整或表面清潔等。刻蝕工藝主要有兩大類：溼法刻蝕和幹法刻蝕。

刻蝕對於器件的電學效能十分重要。如果刻蝕過程中出現失誤，將造成難以恢復的矽片報廢。

11、去膠

以上工藝全部結束後，要把光刻膠去除，採用等離子、特殊溶劑、等方法。

這僅僅是一次操作，實際上製造晶片時，

需要不斷地重複以上操作

。每加入一個層級就要進行一次光刻，最終形成一個多層的立體結構型的晶片。

為了防止晶片的刮損，同時更方面的與其它元器件連線，還要對晶片進行封裝。

最後封裝

手機晶片製造完成後，只有指甲蓋大小，並且非常薄，稍有不慎就會刮傷損壞，導致前面做的一系列工作化為烏有。

而晶片封裝就是給晶片安裝一個外殼，可以有效地固定、保護、密封、連線晶片。

晶片封裝後的金屬接腳簡直就是與外界溝通的橋樑，這些橋樑將晶片與電路板有效的連線起來，讓晶片更安全、高效的發揮作用。

封裝流程主要有：

劃片、裝片、鍵合、塑封、去飛邊、電鍍、列印、切筋成型。

常見的封裝方式有兩種：

DIP 封裝、 BGA 封裝

DIP 封裝：

DIP封裝即雙排直立式封裝，採用此封裝的 IC 晶片在雙排腳下，看起來會像條黑色蜈蚣，讓人印象深刻，此封裝法為最早採用的 IC 封裝技術。

優點：成本低廉、適合小型且不需要接太多線的晶片。

缺點：散熱效果較差，無法滿足現行高速晶片的要求。

BGA 封裝：

以金線將晶片接到金屬接腳，

優點：體積小、容納更多的接腳；

缺點：工藝複雜、成本較高。

封裝完成後，再進行功能、電氣、安全、環境、機械等方面的測試，就大功告成了。

寫到最後

沙子變為高階晶片是一個極其複雜而精密的過程，目前沒有任何一個國家可以單獨完成這項任務。

這項過程不僅需要大量的專業技術，也需要很多精密的裝置，和效能不同的化學試劑。這對每個國家都是考驗。

我國在該領域起步晚，底子薄，但發展速度非常快，相信假以時日，在科研人員的努力下定能獨立打造出高階晶片。

我是科技銘程，歡迎共同討論！