現代生活中，人們已被各種電子設備圍繞，

手機、電腦、電視……

那么，這些電子設備是靠什么運作的呢？

答案就是芯片！

簡單來說，芯片之于電子設備的地位等同于發動機之于汽車，而制備芯片的原材料，就是最普通不過的石英砂。

沙子與芯片含量最多的元素都是硅，一噸沙不過幾十元，一顆幾十克的CPU芯片往往能賣到數千塊，價格千差萬別，這就是沙的逆襲。

在實際的生產中，我們通常將二氧化硅還原成單晶硅，但是這個過程難度很高，因為實際用到的晶圓純度很高，然后拉出單晶硅晶棒，再到最后切割成一片薄薄的晶圓。再經過晶圓涂膜、光刻顯影蝕刻、離子注入、晶圓測試、封裝等流程，芯片就制作完成了。

在整個芯片產業中，石英砂是最基礎的原料，石英砂中的硅在地球表面儲量約為28%（僅次于氧），硅在自然界并不稀缺，但硅的制成品芯片價值卻堪比黃金。如果了解石英砂到芯片的整個過程，或許會明白它確實值這個價了。

芯片的制作

01石英砂

硅是地殼內第二豐富的元素，也是半導體制造產業的基礎。

02硅熔煉

12英寸/300毫米晶圓級，通過多步凈化得到可用于半導體知道質量的硅，學名電子級硅（EGS），平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質原子。下圖展示的是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠（ingot）。

03單晶硅錠

整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度 99.9999％。

04硅錠切割

橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們常說的晶圓 （Wafer）。

05晶圓

切割出的是晶圓經過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當鏡子。事實上，intel自己并不生產這種晶圓，而是從第三方半導體企業那里直接購買成品，然后利用直接的生產線進一步加工。

06光刻膠（Photo Resist）

下圖中藍色部分就是在晶圓旋轉過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統膠片的那種。晶圓旋轉可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

01光刻一：

光刻膠層隨后透過掩模（Mask）被曝光在紫外線（UV）之下，變得可溶，期間發生的化學反應類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預先設計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。

02光刻二：

由此進入納米尺寸的晶體管級別。一塊晶圓上可以切割出數百個處理器，不過從這里開始把視野縮小到其中一個上，展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當于開關，控制著電流的方向。現在的晶體管已經如此之小，一個針頭上就能放下大約3000萬個。

07溶解光刻膠

光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。

08蝕刻

使用化學物質溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不應該蝕刻的部分。

09清除光刻膠

蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設計好的電路圖案。

10光刻膠

再次澆上光刻膠（藍色部分），然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。

11離子注入（ion implantation）

在真空系統中，用經過加速的，要摻雜的院子的離子照射（注入）固體材料，從而在被注入的區域形成特殊的注入層，并改變這些區域的硅的導電性。經過電場加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。

12清除光刻膠

離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入區域（綠色部分）也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經有所不同。

13晶體管就緒

至此，晶體管已經基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。

14電鍍

在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極走向負極。

15銅層

電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層。

16拋光

將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

17金屬層

晶體管級別，留個晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復合互連金屬層，具體布局取決于相應處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑，但事實上可能包含20多層復雜的電路，放大之后可以看到極其復雜的電路網絡，形如未來派的多層高速公路系統。

18溶解光刻膠

內核級別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進行對比。

19晶圓切片（Slicing）

晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個處理器的內核（Die）。

20丟棄瑕疵內核

晶圓級別。測試過程中發現的有瑕疵的內核被拋棄，留下完好的準備進入下一步。

21單個內核

內核級別，從晶圓上切割下來的單個內核。

22封裝

封裝級別，20毫米/1英寸。襯底、內核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底相當于一個底座，并為處理器內核提供電氣與機械界面，便于與PC系統的其它部分交互。散熱片就是負責內核散熱的了。

23等級測試

在芯片完成整個封裝流程之后，封裝廠會對其產品進行質量和可靠性兩方面的檢測。

質量檢測主要檢測封裝后芯片的可用性，封裝后的質量和性能情況，而可靠性則是對封裝的可靠性相關參數的測試。經過測試才算制造完成。

24裝箱

測試完畢后，就可以包裝銷售了。

至此，一塊真正的芯片就這么誕生了。

制造好的芯片被廣泛應用于

下游消費電子產品

汽車、電腦、手機甚至小家電內部都有一顆芯片

當我們打開手機

從開機的那一刻起

芯片就開始不停運轉，接受各種指令

手機拉近了人與人的距離

提高了溝通效率

也實現了看視頻、聽音樂、打游戲等很多功能

豐富了人們的生活

大部分功能的實現都要歸功于

內部這顆小小的芯片。

石英向芯片的逆襲也已完成，

石英與沙子，本是同根生

但最終在人類的極致熔煉、提純，精雕細刻下

改變了命運。

審核編輯：湯梓紅