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从沙子到单晶硅
单晶硅切片
电路实现
芯片的封装
芯片属于半导体。半导体是介于导体和绝缘体之间的一类物质，元素周期表中硅、锗、硒、硼的单质都属于半导体。这些单质通过掺杂其他元素生成的一些化合物，也属于半导体的范畴。
P型半导体是在单晶硅（或锗）中参入微量的三价元素，如：硼、铟、镓、铝等；N型半导体是在单晶硅（或锗）中参入微量的五价元素，如：磷、锑、砷等。
这些化合物在常温下可激发载流子的能力大增，导电能力大大增强，弥补了单质的一些缺点，因此在半导体行业中广泛应用，如氮化硅、砷化镓、磷化铟、氮化镓等。在这些半导体材料中，目前只有硅在集成电路中大规模应用，充当着集成电路的原材料。在自然界中，硅是含量第二丰富的元素，如沙子，就含有大量的二氧化硅。可以说制造芯片的原材料是极其丰富、取之不尽的。一堆沙子，可以和水泥做搭档，沉寂于一座座高楼大厦、公路桥梁之中；也可以在高温中凤凰涅槃、浴火重生，变成集成电路高科技产品。到底要经过怎样奇妙的变化，才能让一堆沙子变成一颗颗芯片呢？
从沙子到单晶硅
沙子的主要成分是二氧化硅，这就涉及一系列化学反应了，其中最主要的过程就是使用碳经过化学反应将二氧化硅还原成硅。经过还原反应生成的硅叫粗硅，粗硅里面包含很多杂质，如铁、碳元素，还达不到制造芯片需要的纯度（需要99.999999999%以上）标准，需要进一步提纯。提纯也需要一系列化学反应，如通过盐酸氯化、蒸馏等步骤。提取的硅纯度越高，质量也就越高。
经过一系列化学反应、提纯后生成的硅是多晶硅。将生成的多晶硅放入高温反应炉中融化，通过拉晶做出单晶硅棒。
为了增强硅的导电性能，一般会在多晶硅中掺杂一些硼元素或磷元素，待多晶硅融化后，在溶液中加入硅晶体晶种，同时通过拉杆不停旋转上拉，就可以拉出圆柱形的单晶硅棒。根据不同的需求和工艺，单晶硅棒可以做成不同的尺寸，如6寸、8寸、12寸等。通过柴可拉斯基法生成单晶硅棒的流程如下：
单晶硅切片
将这些单晶硅棒像切黄瓜一样，切成一片一片的，每一片我们称为晶圆（wafer）。晶圆是设计集成电路的载体，我们设计的模拟电路或数字电路，最终都要在晶圆上实现。
晶圆上的芯片电路尺寸随着半导体工艺的发展也变得越来越小，越来越精密的半导体工艺除了要求单晶硅的纯度极高，晶圆的表面也必须光滑平整，切好的晶圆还需要进一步打磨抛光。
在每—个晶圆上都可以实现成干上万个芯片电路，晶圆上的每—个小格子都是一个芯片电路的物理实现，称为晶粒（DIE）。将晶圆放在显微镜下观察，发现在晶圆的表面上全是纵横交错的3D电路。芯片上电路的实现，涉及半导体工艺的方方面面，比如光刻、离子注入刻蚀等步骤。
电路实现
在一个晶圆上是如何实现电路的呢？将晶圆拿到显微镜下观察会发现，在晶圆的表面上全是纵横交错的3D电路，犹如一座巨大的迷宫。
无论二极管、三极管还是MOSFET场效应管，其内部都是基于PN结原理实现的。PN结的实现会涉及半导体工艺的方方面面，包括氧化、光刻、显影、刻蚀、扩散、离子注入、薄膜沉淀、金属化等主要流程。为了简化流程，方便理解，我们就讲讲两个核心的步骤：离子注入和光刻。离子注入其实就是掺杂，就是往单质硅中掺入三价元素硼和五价元素磷，进而生成由PN结构成的各种元器件和电路。而光刻则是在晶圆上给离子注入开凿各种掺杂的窗口。
在晶圆上进行离子注入掺杂之前，首先要根据电路版图制作一个个掺杂窗口，这一步需要光刻胶来协助完成：在硅衬底上涂上一层光刻胶，通过紫外线照射掩膜版，将电路图形投影到光刻胶上，生成一个个掺杂窗口，并将不需要掺杂的区域保护起来。那如何产生这个掺杂窗口呢？原理很简单，就和我们使用感光胶片去洗照片一样，还需要一个叫作光刻掩膜版的东西。
光刻掩膜版原理和我们照相用的胶片差不多，由透明基板和遮光膜组成，通过投影和曝光，我们可以将芯片的电路版图保存在掩膜版上。然后通过光刻机的紫外线照射，利用光刻胶的感光溶解特性，被电路图形遮挡的阴影部分的光刻胶保存下来，而被光照射的部分的光刻胶就会溶解，成为一个个掺杂窗口。最后通过离子注入，掺杂三价元素和五价元素，就会在晶圆的硅衬底上生成主要由PN结构成的各种CMOS管、晶体管电路。我们设计的芯片物理版图的每一层电路，都需要制作对应的掩膜版，重复以上过程，就可以在晶圆上制作电路结构。
随着集成电路规模越来越大，在一个几英寸的晶圆硅衬底上，要实现千万门级、甚至上亿门级的电路，需要几十亿个晶体管，电路的实现难度也变得越来越大。要将千万门级的晶体管电路都刻在一个指甲盖大小的硅衬底上，这就要求电路中的每个元器件尺寸都要非常小，同时要求“感光胶片”要非常精密，对电路图形的分辨率要非常高。这时候光刻机就闪亮登场了，光刻机主要用来将你设计的电路图映射到晶圆上，通过光照将你设计的电路图形投影到光刻胶上，光刻胶中被电路遮挡的部分被保留，溶解的部分就是掺杂的窗口。晶体管越多，电路越复杂，工艺制程越先进，对光刻机的要求越高，因为需要非常精密地把复杂的电路图形投影到晶圆的硅衬底上。光刻机因此也非常昂贵，如网上广泛讨论的荷兰光刻巨头ASML（阿斯麦），一台光刻机的售价超过1亿欧元。
芯片的封装
单纯的芯片电路无法直接焊接到硬件电路板上，还需要经过测试、切割、封装、引出管脚、最终测试等后续流程，测试通过后经过包装，才会变成市场上我们看到的芯片的样子。
芯片封装好后，还要经过最后一步：测试。测试主要包括芯片功能测试、性能测试、可靠性测试等。测试的主要工作就是测试芯片的功能、指标、参数和前期的设计目标是否一致，筛选掉制造过程中有缺陷的芯片，或者根据性能对芯片进行分级，包装成不同规格等级的芯片，最终测试通过的芯片才能拿到市场上销售。
