從砂子到硅片。

? 所謂“半導體”，是一種導電性能介于“導體”和“絕緣體”之間的物質總稱。導體能導電，比如鐵銅銀等金屬，絕緣體不導電，比如橡膠。芯片的制作為什么要用半導體？因為半導體的導電與所加電場方向有關，即它的導電是可以有方向性的。比如，給半導體兩端加上正電壓，它可能就導電；反之，將它兩端所加的電壓極性反過來，就不導電。而這種性能，可以做成“電子開關”。我們都聽說過“計算機做的都是二進制的0-1運算”，這種運算體現在物理層面就是指“高低電位的變化”，高電位代表1，低電位代表0。高低電位在復雜的電路設計下面可以實現復雜的轉化，這樣表現出來就好像是計算機在做01運算。半導體的這種電學特性可以設計成電子開關，可以很好實現高低電位的轉化。

在自然界中，獲取成本最低的半導體就是硅。而硅料的提取是熔煉砂子。提到這里可能有朋友想到“光伏電池片用的也是硅片”。沒錯，生產芯片和生產光伏電池片在硅片制作環節是非常相似的，都是需要先熔煉取硅，然后做切割、研磨等工藝，因此，你可能會看到一些光伏產業鏈的股票也伴有半導體概念，比如高測股份。

芯片用硅和光伏用硅最大的區別就在于純度不同。在純度方面，光伏用單晶硅片的純度要求硅含量為4N-6N之間（99.99%-99.9999%），但是半導體用單晶硅片在9N（99.9999999%）-11N（99.999999999%）左右，純度要求最低是光伏單晶硅片的1000 倍。在外觀方面，半導體用硅片在表面的平整度，光滑度和潔凈程度要比光伏用硅片的要求高。 總結來說，砂子到硅片需要經過熔煉、切片、研磨、蝕刻、拋光等過程，最終形成一片片的晶圓（所謂晶圓，就是圓形的高純度硅片）。 硅料領域主要有TCL中環，切片領域主要有高測股份，拋光領域主要有華特氣體、鼎龍股份等。 好了，此時你得到了一片片處理好的高純度硅片，接下來我們就需要我們需要在晶圓上雕刻電路，形成能用的芯片。在下面的工藝流程中，大致可以分為前端工藝、后端工藝和測封。 ?

制造第一階段：提煉硅錠 ? 沙子：硅是地殼內第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，這也是半導體制造產業的基礎。 ? 硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級，下同。通過多步凈化得到可用于半導體制造質量的硅，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。此圖展示了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)。

單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999％。 制造第二階段：硅錠切割 ? 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)。 ? ?
晶圓：切割出的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，所有的芯片公司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，然后利用自己的生產線進一步加工，比如現在主流的45nm HKMG(高K金屬柵極)。 制造第三階段：光刻 ? 光刻膠(Photo Resist)：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。 ?

光刻：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。 ? 光刻：由此進入50-200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。 制造第四階段：光刻膠的使命 ? 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。

? 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。 ? 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。 制造第五階段：離子注入 ? 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。

? 離子注入(Ion Implantation)：在真空系統中，用經過加速的、要摻雜的原子的離子照射(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。 ? 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。 制造第六階段：電鍍晶圓 ? 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。 ? 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(陽極)走向負極(陰極)。 ? 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。 ? 拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

? 金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，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。 制造第七階段：晶圓測試 ? 晶圓測試：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。 ? 晶圓切片(Slicing)：晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個芯片的內核(Die)。 制造第八階段：晶圓檢測 ?

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。

審核編輯：黃飛

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