25张图看懂从石英砂到芯片全过程

■ 信息来源| 硅业分会

现代生活中，人们已被各种电子设备围绕，手机、电脑、电视……那么，这些电子设备是靠什么运作的呢？

答案就是芯片！简单来说，芯片之于电子设备的地位等同于发动机之于汽车，而制备芯片的原材料，就是最普通不过的石英砂。

沙子与芯片含量最多的元素都是硅，一吨沙不过几十元，一颗几十克的CPU芯片往往能卖到数千块，价格千差万别，这就是沙的逆袭。

在实际的生产中，我们通常将二氧化硅还原成单晶硅，但是这个过程难度很高，因为实际用到的晶圆纯度很高，然后拉出单晶硅晶棒，再到最后切割成一片薄薄的晶圆。再经过晶圆涂膜、光刻显影蚀刻、离子注入、晶圆测试、封装等流程，芯片就制作完成了。

在整个芯片产业中，石英砂是最基础的原料，石英砂中的硅在地球表面储量约为28%（仅次于氧），硅在自然界并不稀缺，但硅的制成品芯片价值却堪比黄金。如果了解石英砂到芯片的整个过程，或许会明白它确实值这个价了。

01

石英砂

硅是地壳内第二丰富的元素，也是半导体制造产业的基础。

02

硅熔炼

12英寸/300毫米晶圆级，通过多步净化得到可用于半导体知道质量的硅，学名电子级硅（EGS），平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。下图展示的是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭（ingot）。

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单晶硅锭

整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度 99.9999％。

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硅锭切割

横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆 （Wafer）。

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晶圆

切割出的是晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。事实上，intel自己并不生产这种晶圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成品，然后利用直接的生产线进一步加工。

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光刻胶（Photo Resist）

下图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。光刻一：光刻胶层随后透过掩模（Mask）被曝光在紫外线（UV）之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。光刻二：由此进入纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。

07

溶解光刻胶

光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。

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蚀刻

使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。

09

清除光刻胶

蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

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光刻胶

再次浇上光刻胶（蓝色部分），然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。

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离子注入（ion implantation）

在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的院子的离子照射（注入）固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。

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清除光刻胶

离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域（绿色部分）也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。

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晶体管就绪

至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。

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电镀

在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极走向负极。

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铜层

电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

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抛光

将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。

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金属层

晶体管级别，留个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。

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晶圆测试

内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。

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晶圆切片（Slicing）

晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核（Die）。

20

丢弃瑕疵内核

晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。

21

单个内核

内核级别，从晶圆上切割下来的单个内核。

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封装

封装级别，20毫米/1英寸。衬底、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片就是负责内核散热的了。

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处理器

至此就得到完整的处理器了。这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的产品实际上是经过数百个步骤得来的，这里只是展示了其中的一些关键步骤。

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等级测试

晶圆上晶体管之间连接电路构建完成后，通过晶圆级测试、晶圆划片、外观检查、装片，便进入了封装测试环节，封装环节主要包括安放、固定、密封、保护芯片，完成后进行再全面测试，合格之后的芯片才算制造完成。

25

装箱

根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商，要么放在包装盒里进入零售市场。至此，一块真正的芯片就这么诞生了。制造好的芯片被广泛应用于下游消费电子产品，汽车、电脑、手机甚至小家电内部都有一颗芯片，当我们打开手机，从开机的那一刻起，芯片就开始不停运转，接受各种指令，手机拉近了人与人的距离，提高了沟通效率，也实现了看视频、听音乐、打游戏等很多功能，丰富了人们的生活，大部分功能的实现都要归功于内部这颗小小的芯片。石英向芯片的逆袭也已完成，石英与沙子，本是同根生，但最终在人类的极致熔炼、提纯，精雕细刻下，改变了命运。

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责任编辑：陆颖 

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