芯片竟然来源于沙子 你敢相信

   近年来，半导体行业蓬勃发展，各芯片公司如雨后春笋般建立起来。可能很少有人会思考芯片究竟是怎么生产出来的呢？本篇文章作为一篇科普文，将给出答案：沙子。没错，芯片是由沙子加工生产而来。可能有些难以置信，接下来将进行介绍。

   当前的大部分芯片均为硅基芯片，也就是说大部分芯片都是有硅这种材料制作而来，要知道，硅元素在地球上非常丰富，在地壳中的含量仅次于氧，可以说是非常得天独厚的条件，而沙子中二氧化硅的含量更是高达95%以上，由于储量巨大而且成本低廉，因此沙子成为硅芯片的主要原材料。那么，芯片究竟是怎么从沙子生产加工而来的呢？  

一、提纯  

   芯片是由晶圆进一步加工并且切割而来，而晶圆就是由单晶硅制作而来。自然界中没有天然的单晶硅，通常是以硅酸盐、二氧化硅等形式存在，因此需要进行一系列的提纯，将二氧化硅变成单晶硅。  

   1、冶金级单晶硅的制备  

   首先将沙子或硅矿石等富含二氧化硅的原料放入电弧熔炉中，将温度升高至2000℃以上高温，将其熔化，再加入碳或者石墨进行化学反应，制成纯度大约为98%-99%的冶金级单质硅，含有少量的铁和铝等杂质，硅石还原反应的化学方程式为：

SiO2+2C（焦炭等）——→Si+2CO↑  

   2、工业硅提纯  

   冶金级单晶硅虽然看起来纯度较高，但远远达不到晶圆要求的级别，需要进一步提纯，业界主流的做法是借助氯化氢（HCl）进行提纯，主要做法是先将硅制成微细粉末，并溶于氯化氢（HCl）中，在大约300℃时会发生反应。由此合成三氯氢硅，（SiHCl3或称三氯硅烷）。三氯氢硅（沸点31.8℃）在常温下为无色透明的液体。化学方程式为：

Si+3HCl—→SiHCl3+H2↑ 　  

   在反应过程中，含于硅中的杂质将变成氯化物（AlCl3 、FeCl3等）。一般来说，金属氯化物的饱和蒸气压比单体金属要高一个数量级左右，在反应合成三氯氢硅的同时，含于硅中的金属杂质将变成氯化物从而蒸发掉。  

   3、还原固态硅  

   接下来则需要把高纯度的三氯氢硅再还原，形成固态硅。预先准备好由电阻加热的多晶硅芯棒，在1100℃的高温环境中，通入氢气。在这个温度下，只有硅是固态，因此在硅芯棒的表面，会吸引更多的多晶硅，多晶硅锭逐渐变粗，形成纯度高达（11个9）99.999999999%的硅。此时生产出来的硅还是多晶硅，晶体框架结构不均匀。

   4、制作单晶硅  

   至于芯片则需要结构更加均匀的单晶硅。所以第四步要把多晶硅变成单晶硅。目前，大部分半导体硅片采用直拉法（Cz法）生产。具体的做法就是，把多晶硅块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化（石英的熔点约1700℃，这里一般温度控制在略高于硅1410℃的溶点），再将一根直径只有10mm的棒状晶种（称籽晶）浸入融液中。然后，需要转动籽晶并缓慢向上提升。此时凝固的硅棒就和晶种一样，是光滑的单晶硅，但也因细颈的存在会限制单根硅棒的重量，因此直径8英寸的硅棒一般拉6米长，12英寸的硅棒一般就拉1米5。此时生产出来的单晶硅叫做硅锭。

二、制作晶圆  

   到此步骤“沙子”已经变成可以制作芯片的材料了，但硅锭并不能直接用于晶圆加工，还需要进行一系列处理。  

   1、硅锭处理  

   硅锭表面凹凸不平且横截面积存在差别，需要进行一定的处理。首先，要将硅锭的头尾部切除，以及需对硅锭的表面进行修整与研磨。使其形成表面非常光滑的圆柱体。

   2、晶圆切割  

   硅锭处理完成之后，需进行切割，形成固定厚度的晶圆。由于晶圆较脆且易碎，因此不能使用普通的切割设备，业界通常使用的切割设备为金刚石线切割，具有切割效率高、切割质量好的特点。

   3、打磨抛光等处理  

   晶圆切割完成后，需要进行表面机械打磨，使表面变得更加平整，初步去掉晶圆表面的初始缺陷。同时使晶圆达到预定的厚度，通常情况下，12寸晶圆的厚度为775um。此时晶圆四周是直角状态，可能存在微小裂纹以及碎裂的风险，因此需进行处理，使直角变成圆角，消除微小裂纹。

   4、化学机械抛光  

   在此之前，晶圆表面已经变得非常光滑了，但如果用于制作芯片，其光滑程度还不够，还需要进行进一步的抛光，叫做化学机械抛光（CMP）。需要采用超细浆料（颗粒直径10~100 nm ，由Al2O3、SiO2或CeO2组成），结合压力、侵蚀、机械和化学方法，对两个旋转垫片之间的晶圆表面进行抛光处理，获得极佳的表面平整度。

   5、清洗检测  

   完成化学机械抛光后，晶圆基本满足制作芯片的需求，由于其表面存在一些抛光液，因此需要进行清洗，完成后需要对晶圆的主要参数如平整度、尺寸、形状、含氧量、金属含量等指标进行检查，检查合格后，进行打包出货，发货给晶圆代工厂进行后续步骤。  

三、制作芯片  

   从晶圆到芯片，会经过一些列及其复杂的过程，其中包括通过光刻和刻蚀工艺制作出晶体管的物理结构，通过离子注入和覆膜赋予晶圆电性能、通过光刻等工艺制作逻辑电路，形成电性能，通过bumping工艺制作bump以备后续制作封装，再将晶圆切割形成单颗Die，出货到封装厂进行下一步工序。

总结：  

    综上所述，从沙子到晶圆再到芯片的全过程涉及多个精密步骤和高度专业化的产业链配合。这一过程的复杂程度极高，需要多个领域的技术和人才支持。同时，产业链中的各个环节也需要紧密配合和协作以确保芯片的质量和性能。  

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