芯片在我們生活中有多重要呢？小到無線耳機(jī)、智能手機(jī)，大到汽車火車、飛機(jī)輪船，再到冰箱、電視、洗衣機(jī)等等都離不開芯片。

可以說，芯片已經(jīng)是我們生活中不可或缺的電子元器件了。但是你能想想這么一款精密器件，它居然是由沙子制成的嗎？

第一步，硅提煉及提純

芯片是由單質(zhì)硅制成的，但自然界中并沒有天然的單質(zhì)硅，大都以硅的氧化物（二氧化硅、SiO2）形態(tài)存在，二氧化硅恰好是沙子的主要成分。

芯片所使用的沙子并非我們?nèi)粘Ｔ诤⒑拥?、建筑工地等所見的那種，因?yàn)檫@種沙子含有紅色、黃色、橙色的雜質(zhì)，提純難度更大。芯片使用的沙子叫硅砂，這種沙子幾乎沒有其他的雜質(zhì)，就是純凈的二氧化硅。那么如何把二氧化硅變成單質(zhì)硅呢？

工業(yè)上經(jīng)常用碳在高溫下還原二氧化硅，然后制得含有少量雜質(zhì)的粗貴。

化學(xué)式：SiO2+2C==高溫==Si+2CO↑

我們將二氧化硅和碳充分混合，然后放入電弧爐中，加熱到2000℃以上，在高溫下，碳會(huì)與二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，爐膛底部會(huì)留下單質(zhì)硅，而CO變?yōu)闅怏w排出。之后再用氧氣對(duì)硅進(jìn)行處理，把鈣、鋁等雜質(zhì)去除，得到純度為99%的單質(zhì)硅。這個(gè)純度遠(yuǎn)達(dá)不到制造芯片的標(biāo)準(zhǔn)。

為了進(jìn)一步提純單質(zhì)硅，我們需要將其研磨成粉狀，然后加入氯化氫，放入流化床反應(yīng)器中，加熱到300℃讓其充分反應(yīng)，生成三氯硅烷，同時(shí)去除鐵、硼、磷等雜質(zhì)。

三氯硅烷繼續(xù)加熱到1000℃，然后與氫氣反應(yīng)，最終形成純度為99.999999%的單質(zhì)硅，這個(gè)級(jí)別的硅就可以用來制造芯片了。但此時(shí)的單質(zhì)硅只能算多晶硅，由數(shù)量眾多的小晶體或者微晶構(gòu)成，這些小晶體之間的連接處有晶界，晶界會(huì)導(dǎo)致電子信號(hào)混亂，因此必須更改硅的結(jié)構(gòu)，使其變成單晶硅。


第二步單晶硅生長

多晶硅變單晶硅的過程叫做直拉單晶技術(shù)，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硅加入石英鍋內(nèi)，加熱到熔點(diǎn)以上（1420℃），整個(gè)工程不能接觸空氣，因此長晶爐一般都是抽成真空，然后加入氬氣。

縮頸生長：將微小的晶粒放入熔化的硅熔體中，因?yàn)闇囟炔顚?dǎo)致接觸面產(chǎn)生熱應(yīng)力，形成位錯(cuò)，此時(shí)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(chǎn)，就是保持晶體直徑不變，持續(xù)拉長的過程。

尾部生長與放肩生長過程相反，當(dāng)直徑縮小至一個(gè)點(diǎn)時(shí)，晶棒就會(huì)與硅熔體分離。整個(gè)長晶過程結(jié)束。多晶硅也就變成了單晶硅棒，也就是我們常說的硅錠。

目前硅錠的直徑大都為150mm、300mm、450mm三種，用于制造8英寸、12英寸的晶圓。


第三步制成晶圓

硅晶棒是無法直接進(jìn)行刻蝕的，它需要經(jīng)過切斷、滾磨、切片、倒角、拋光、激光刻等程序后，才能成為芯片制造的基本材料——“晶圓”。

晶圓的切片方法有傳統(tǒng)的機(jī)械切割（劃片）和激光切割（切片）。機(jī)械切割是直接將鉆石鋸片作用在晶圓表面，產(chǎn)生應(yīng)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(guī)格需要不同的刀具。此外，機(jī)械切割容易造成晶圓崩邊、破損等現(xiàn)象。而旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致成本較高。于是發(fā)明了新型激光切割。

激光切割不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，大大地保證了晶圓的質(zhì)量。

此外激光的精確度更高，可以達(dá)到亞微米級(jí)別，非常適合精密加工，在強(qiáng)大的脈沖能量下，硅材料直接汽化產(chǎn)生均勻的溝道，實(shí)現(xiàn)切割。激光切割速度更快，且不需要冷卻水，更不會(huì)出現(xiàn)磨損刀具的問題，可以24小時(shí)不間斷作業(yè)。

激光對(duì)晶圓有更好的兼容性和通用性。切割后的晶圓再通過氧化、化學(xué)氣相沉積等方法進(jìn)行鍍膜，使表面形成一層SiO2薄膜，并在SiO2薄膜中進(jìn)行N型、P型摻雜。

是不是很多網(wǎng)友認(rèn)為晶圓就像一張DVD光盤，其實(shí)并非如此，晶圓不是標(biāo)準(zhǔn)的圓形，一般都會(huì)切出一個(gè)邊，當(dāng)作類似三角形的“底”，成為“有底的圓”。


芯片制造步驟

1. 設(shè)計(jì)與驗(yàn)證：芯片的制造過程首先從設(shè)計(jì)開始。設(shè)計(jì)師根據(jù)產(chǎn)品需求和規(guī)格書來設(shè)計(jì)芯片的功能、結(jié)構(gòu)和電路。隨后，設(shè)計(jì)驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)會(huì)進(jìn)行驗(yàn)證工作，確保設(shè)計(jì)的可行性和正確性。

2. 掩膜制作：一旦設(shè)計(jì)被驗(yàn)證通過，下一步就是制作掩膜。掩膜是用于刻蝕芯片表面的模板，對(duì)于芯片的性能和功能起著關(guān)鍵作用。制作掩膜需要使用高精度光刻設(shè)備和化學(xué)物質(zhì)，以將設(shè)計(jì)圖案轉(zhuǎn)移到芯片表面。

3. 沉積與蝕刻：在芯片制造過程中，沉積和蝕刻是不可或缺的步驟。沉積是指將不同材料層按照設(shè)計(jì)要求逐層沉積在芯片表面上，例如金屬、氧化物等。而蝕刻則是利用化學(xué)物質(zhì)將不需要的材料層逐層去除，以形成所需結(jié)構(gòu)和電路。

4. 接觸和清洗：在沉積和蝕刻完成后，芯片會(huì)經(jīng)歷一系列的接觸和清洗步驟。接觸是指利用掩膜將芯片暴露出需要的區(qū)域，以便進(jìn)行后續(xù)的工藝步驟。而清洗則是為了去除沉積和蝕刻過程中產(chǎn)生的殘留物和污染物，以保證芯片的質(zhì)量和性能。

5. 結(jié)電測試：一旦芯片經(jīng)過清洗，接下來就是進(jìn)行結(jié)電測試。結(jié)電測試是為了驗(yàn)證芯片的電學(xué)特性和性能是否符合設(shè)計(jì)要求。測試過程中需要使用專業(yè)的測試設(shè)備和儀器，以獲取準(zhǔn)確的測試結(jié)果。

6. 封裝與測試：一旦芯片通過結(jié)電測試，下一步就是進(jìn)行封裝和測試。封裝是將芯片放置在封裝材料中，以保護(hù)芯片并為其提供外部連接。封裝過程中需要進(jìn)行焊接和引線連接等操作。隨后，芯片會(huì)經(jīng)過各種測試，以確保其性能和質(zhì)量滿足需求。

7. 成品和質(zhì)檢：最后，芯片通過封裝和測試后，會(huì)進(jìn)行成品和質(zhì)檢。成品檢查是對(duì)芯片進(jìn)行外觀檢查和功能測試，確保其符合產(chǎn)品要求。質(zhì)檢則是對(duì)芯片進(jìn)行全面的質(zhì)量檢查，以保證其穩(wěn)定性、可靠性和耐用性。

芯片制造過程雖然復(fù)雜而繁瑣，但是它是現(xiàn)代科技產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過以上步驟，芯片得以制造，并在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。對(duì)于芯片制造廠商來說，科學(xué)、規(guī)范和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹圃爝^程是確保芯片品質(zhì)和性能的基礎(chǔ)。


地球上的硅能用多久？

這，才是我們真正需要關(guān)注的問題！實(shí)際上硅的消耗量和并非和晶體管數(shù)量相關(guān)，而是和芯片的面積相關(guān)，因?yàn)楣に嚥煌?，晶體管大小不同，消耗的硅原子數(shù)量也不同，而芯片的面積(體積)卻和硅原子數(shù)量直接相關(guān)。

回答第二個(gè)問題時(shí)，上面我們已經(jīng)推導(dǎo)出1立方nm的硅中包含的原子數(shù)量為：50 個(gè)，那么，1立方mm的硅中包含的原子數(shù)量為：50×10^18個(gè)，等同于1平方mm晶元中所包含的硅原子。像麒麟990 5G處理器這樣100平方mm的芯片，一顆芯片消耗的硅原子數(shù)量為：100×50×10^18個(gè)，即5×10^21個(gè)硅原子。

以這樣的芯片為例，地球上的硅總共可以生產(chǎn)的芯片的數(shù)量為：1.41×10^47 ÷ (5×10^21) =2.82×10^25個(gè)。

2019年，中國總共生產(chǎn)了2018.2億塊芯片，約占全球芯片產(chǎn)量的10%，可以估算全球芯片產(chǎn)量超過20182億塊，約為2×10^12塊。

芯片的面積有大有小，我們暫且以100平方mm為其中位數(shù)，則每年需要消耗的硅原子數(shù)量為：（2×10^12）×（5×10^21）=10^34個(gè)，假定芯片年產(chǎn)量不變，則地球上的硅可用時(shí)間為：1.41×10^47÷10^34=1.41×10^13 年，也就是14.1萬億年。看來，我們還不用擔(dān)心，地球的壽命也不見得有那么長。

但是，事實(shí)卻是：每一年，芯片的需求和產(chǎn)量都會(huì)有所增加。

2019年全球芯片產(chǎn)值4376億美元，產(chǎn)量約為2×10^12（20182億）塊。

這里，我們做一個(gè)假設(shè)，假設(shè)全球芯片產(chǎn)值不變，但芯片價(jià)格越來越便宜，用同樣的美元可買到的芯片數(shù)量，每隔9-12個(gè)月翻一番。

2×10^12 × (1+2+2^2+2^3+...+2^n) = 2.82×10^25，求解得到的n則為可生產(chǎn)的年數(shù)。

(1+2+2^2+2^3+...+2^n) = 1.41×10^13

[2^(n+1)-1]=1.41×10^13

2^n=7.05×10^12

n=42.68<43

也就是說，如果同樣的美元可買到的芯片數(shù)量每隔9-12個(gè)月翻一番，不到 43 年，地球上的硅原子就要用完了。這不太可能吧，一定是我們的假設(shè)有問題，這時(shí)候，耳邊飄來一句話：“用一個(gè)美元所能買到的電腦性能，每隔18-24個(gè)月翻兩番”。

每隔18-24個(gè)月翻兩番和每隔9-12個(gè)月翻一番應(yīng)該是相同的意思，不過電腦的性能并不等同芯片的數(shù)量，但其中還是有一定的相關(guān)性的。

我們知道：“用一個(gè)美元所能買到的電腦性能，每隔18-24個(gè)月翻兩番”正是摩爾定律的內(nèi)容。地球上的硅到底夠用14萬億年還是43年呢？


摩爾定律還能再持續(xù)嗎？

摩爾定律內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個(gè)月翻一倍以上（翻兩番）。

摩爾定律里的”元器件的數(shù)目“實(shí)際就是晶體管Transistor數(shù)目。

我們就以麒麟990 5G處理器為例，內(nèi)含晶體管數(shù)量約為100億，2019芯片產(chǎn)量約為20000億只。當(dāng)然，很多芯片內(nèi)的數(shù)量達(dá)不到這么多，但也有芯片中晶體管數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過百億，例如WSE芯片中晶體管數(shù)量達(dá)到了1.2 萬億。目前以7nm主流工藝生產(chǎn)的芯片，其晶體管數(shù)量差不多都在百億量級(jí)了。

20000×10^8×100×10^8 ×(1+2+2^2+2^3+...+2^n) =2.82×10^35

2×10^22 (1+2+2^2+2^3+...+2^n) =2.82×10^35

(1+2+2^2+2^3+...+2^n) = 1.41×10^13

[2^(n+1)-1]=1.41×10^13

2^n=7.05×10^12

n=42.68<43

如果是每隔18個(gè)月翻一番，則43×1.5=64.5<65年，如果是每隔24個(gè)月翻一番，則43×2=86 年也就是說，只要65 年或者最多86 年，地球上的硅原子就要用完了！

而且，我們估算時(shí)只考慮了硅在芯片制造上的應(yīng)用，即硅僅僅用來制作高純硅半導(dǎo)體。

實(shí)際上是，除此之外，硅還廣泛應(yīng)用于耐高溫材料、光導(dǎo)纖維通信材料、有機(jī)硅化合物、合金等，硅被廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電氣、運(yùn)輸、能源、化工、紡織、食品、輕工、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等行業(yè)。

另外，我們還沒有考慮其它的應(yīng)用，例如修路、修橋、修房子... 這些大量應(yīng)用石頭和沙子等硅化合物的領(lǐng)域。