沙子是怎么变成芯片的，我用最通俗易懂的语言说给你听

阅读摘要丨在2022年8月9日，美国现任总统拜登签署了《2022年芯片与科学法案》，把最近几年有关芯片方面国际竞争推向了一个新的高潮。芯片作为一个和我们老百姓生产、生活密切相关的产品，在我们生活中无处不在，但是我们又没怎么见过它，对它知之甚少，本文试图通过简单的、通俗易懂的、普通人能够听懂的语言来给大家说一说芯片的事。

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文章一开始，我还是从国际热点的问题入手，简单分析一下美国的《2022芯片和科学法案》到底是一个什么东西？

用一句简单的话说：就是美国鼓励先进制程的芯片生产商，到美国投资建厂，美国政府会给予高额补贴，拿到美国政府补贴的厂家，不能在中国以及其他美国认为不合适的国家再投资先进制程的芯片工厂。主要目的就是建立技术壁垒，打击中国的芯片生产。

芯片这个东西，我们普通老百姓摸不着、看不见，绝大部分人也不知道他是个什么东西，但是，他确实已经渗透到了我们生活的方方面面，不论是在交通闭塞、与世隔绝的山村，还是在资讯发达的国际大都市，都能见到它的身影。

从我们常用的手机、电脑、平板，到我们在居家使用的各种家电，乃至各种公共产品，路灯、地铁、公交车、飞机、高铁等，还有遍布城乡的摄像头，更别说那些所谓的高科技产品火箭、导弹、舰艇和飞机了，每个产品里面都有几个、几十个甚至成百上千个芯片在里面。

话说回来，美国的芯片法案主要还是针对所谓的先进制程芯片的生产环节，为什么美国只强调这个环节呢，我们来看看全球芯片的格局，就清楚美国为什么这么做了。

全球芯片的产业基本上可以划分成两部分：芯片设计和芯片生产，在芯片设计方面，美国在全球的占比大约占据70%的市场份额，几乎处于垄断地位，所以他并不担心短期内其他国家在芯片设计方面对美国形成挑战和威胁。

但是，在芯片生产方面就完全不一样了，芯片生产基本上在东亚地区几个国家和地区，美国大约只占据12%的市场份额，其他主要的份额如下：中国台湾22%，韩国21%，日本15%，中国大陆15%，剩下的一些市场份额基本上被欧盟国家占据了。

令美国担心的是，美国不但市场份额很低，而且在逐年减少，并且美国本土的生产厂家并不具备10纳米以下先进芯片的生产能力。所以，美国的《2022芯片和科学法案》出台的侧重点就能够理解了。

以上介绍了一下背景，为什么芯片生产如此重要，下面，我们回到正题，那就是到处都是、平平无奇的沙子是如何变成芯片的，乌鸡是如何变成凤凰的呢？我在下文中给大家介绍一下。

第一步，將沙子提纯，变成高纯度的硅。

我们常见的沙子的主要成分是二氧化硅，当然了，因为来自于大自然的天然砂，所以，天然砂里面也包含各种各样的杂质了。

组成沙子的元素——硅，占据地壳总重量的四分之一，所以说制作芯片的硅原料非常丰富，可以说是取之不尽用之不竭。

我们要把沙子的二氧化硅变成硅，于是沙子被送进熔炉里面，被选用的石英砂会被放入一个高达2000℃的电弧熔炉进行提炼，在高温和碳的共同作用下，沙子被还原成了硅，这时候的产品叫做冶金硅，纯度只有大约98%，这样的冶金硅远远达不到制作芯片的需要。

那就要对这些初级产品——冶金硅更进一步的精炼，精炼的工艺方法主要有：酸化和蒸馏，通过这两种方法不断地精炼，主要的目的就是提纯，最后形成了纯度达到99.9999999%的所谓的纯硅锭，也就是行业里面所说的9个9的高纯硅。

纯化到9个9之后，硅的纯度已达标，但是其内部原子排列混乱，无法作为晶片硅基。需要通过一些方法将硅做成单晶硅，实际上就是把非晶体硅或多晶硅转成为单个晶体的硅棒。

有研究显示，从沙子到芯片，总共有6000多道工序，前5000道工序是从沙子到硅晶片。所以，把沙子变成芯片还是一个相当复杂的程序，我在这里只能把一些主要的环节挑选出来，给大家说一说这个过程。

第二步，将高纯硅制成单晶硅棒，切片成硅晶圆片。

这一步首先把9个9的高纯硅再次融化，采用一种叫做“拉直法”的工艺技术，一边旋转上升，一边冷却，最后的成品就是一根单晶硅棒。

形成单晶硅棒之后，就像一根等待加工的木头一样，把单晶硅棒的头尾去掉，用专门的机器把硅棒的外皮切削成需要的直径，并且打磨光滑。

现在常见的硅棒的直径有12英寸、8英寸和6英寸三种，当然，硅棒的直径越大，芯片的生产成本就越低，相应的加工的工艺技术就越复杂、生产难度也就越大。

6英寸：功率半导体、汽车电子等。

8英寸：主要用于中低端产品，如电源管理IC、LCD\LED驱动IC、MCU、功率半导体MOSFE、汽车半导体等。

12英寸：主要用于高端产品，如CPU\GPU等逻辑芯片和存储芯片。

接下来用切片机把硅棒切成一片片的薄片，就像切片面包一样，只不过这个切割机精度更高、切出来的硅片更薄罢了，我们拿12英寸的晶圆举个例子，每一片晶圆的厚度都在0.8毫米以下，公差不大于正负0.02毫米，所以，对机器的精度要求还是很高的。

这样切割出来的晶圆还不能够使用，要经过打磨和抛光两个步骤，把晶圆的表面抛的光光的，光到什么程度呢，那我们熟知的镜子来说，比镜子的表面还要“亮”上100倍不止，用科学的数据来说，就是晶圆的表面粗糙度保持在0.1-0.2纳米左右。

经过这样处理的晶圆，才能使成品，每25张晶圆打成一包，就可以发货了。

第三步，生成氧化膜，涂上光刻胶，把设计好的电路投射到晶圆上面。

晶圆从切割、打磨、抛光之后，就是成品了，从这时候起，晶圆都一直处在超洁净环境之中，直到最后成为芯片成品。

什么是超洁净环境，用一句话来形容，就是指晶圆周围的环境比医院的手术室还要洁净10万倍，是不是很夸张，如果有人对超洁净工厂感兴趣，我以后可以专门写一篇有关洁净工厂的文章。

在超洁净车间里面，水和空气都经过多级过滤，工作人员也要全程穿着无尘工作服，一边保障整个生产过程的无尘要求。

在这里，第一步是把晶圆的表面氧化，在特制的烤炉中，通过精确的控制烤炉温度，精确注入所需要的气体，在晶圆的表面形成一层均匀的氧化膜。

晶圆在流水线上向前走，就被涂满了光刻胶，光刻胶的作用是保护晶圆表面不被刻蚀试剂腐蚀掉。

然后光刻机会投下带有电路图的光，晶圆就会像照片“曝光”一样带有相应的电路。被光照射到的光刻胶会发生化学反应，被照到的地方会变得容易洗掉，而没照到的地方则维持原样，于是一个晶体管就做好了，接下来只需重复以上操作就完成了光刻。

再往前走，晶圆就来到了刻蚀环节，叫做湿法刻蚀，晶圆浸泡在刻蚀试剂之中，没有被光刻胶保护的晶圆表面的氧化膜就被腐蚀掉，露出硅基底，经过一段时间，设计好的电路就被成功的转录到了晶圆上面。蚀刻完成之后就能看到晶圆上的第一层电路图。

晶圆从刻蚀试剂中出来，涂在上面的光刻胶就没有用了，把光刻胶清洗掉就可以了。

在这个阶段要跟大家详细地说一下，因为这里就会用到大名鼎鼎的光刻机，全世界最尖端的光刻机就是荷兰的阿斯麦ASML，它最尖端的光刻机因为美国的制裁，不能出售给我国。

现在最尖端的光刻机光刻线宽度是2、3纳米，不过还没有大规模应用，7纳米和14纳米是顶尖技术中最成熟的光刻线宽度，我们中国大陆是没有这样的光刻机的，所以在尖端光刻机上面，我们就被以美国为首的西方集团卡脖子。

第四步，进入等离子注入，等离子加工热处理环节，有了芯片的模样。

用光刻机刻蚀完了电路，下一步就来到了离子注入环节。

在离子注入环节，高速离子束注入到晶圆裸露的外硅基底，改变了晶圆表层的极性。

但是，这样注入的离子还具有不稳定性，应该让他稳定下来，这时候就需要把晶圆再放进炉子里，通过精确控制的温度，进行热处理，让不安分的离子稳定下来。

经过这一步，晶圆的表面就会形成很多晶体管，根据不同的用途，现在可以达到几十亿个晶体管。

光有晶体管肯定是不能工作的，他们只是电子元器件，需要把他们用导线连接起来，就进入到下一个工艺环节，叫做沉积镀铜。

在这个环节，晶圆被送进一个真空的设备里面，高速的惰性气体流打在铜靶材上面，这时候靶材上的铜原子就被打出来，无数的铜原子弥漫在真空设备里面，然后铜原子就沉积在晶圆的表面，晶圆表面就沉积了一层铜。

接下来把镀铜的晶圆磨削、光刻、刻蚀等过程，把镀铜层分割成一条条导线，把晶体管连接起来。不过这些晶体管和导线都是纳米级的，我们用肉眼是不可能看见的，只能在高倍显微镜下面才能够看得见，但是他们的功能和我们见到的那些大个的晶体管是一样的。

现在的芯片越来越复杂，制造工艺水平越来越高，沉积镀铜这个环节有些芯片需要20层以上，也就是说镀铜的晶圆磨削、光刻、刻蚀这些过程要反复重复做20次以上。

为什么我们现在的集成电路叫做超大规模集成电路呢？就是因为在一个指甲盖大小的芯片里面，埋藏着数公里长的导线和数亿个微小的晶体管。

第五步，芯片的封装测试。

经过上述步骤，一个晶圆上面可能有多个电路裸片，首先要把它们分割开来，形成一个个的电路裸片。

然后我们用专业的测试设备测试这些电路裸片，测试合格的进入到下一个步骤。

通过测试的芯片用树脂密封起来，和底板、散热片等部件拼装在一起，一堆沙子经历过九九八十一难，就成为一个完整的芯片。

一个完整的芯片送到最终检测环节，顺利通过测试之后，就可以装箱出货了。

最后再跟大家说一下，我们在芯片方面被美帝卡脖子，到底是卡在哪里呢？我们有哪些环节受制于外国的技术和供应链呢？

第一点是在硅的提纯上面，要把硅提纯到9个9的水平，国内的技术水平不怎么样，即使有一部分厂家能够生产高纯硅，产能也是不太够，主要的进口对象是日本。

第二点就是各类媒体一直在热炒的光刻机，实际上就是荷兰的ASML的先进制程的光刻机，现在据说已经到了2纳米、3纳米的水平，我们国内也能生产光刻机，但是水平不太行，据说只能用于90纳米的水平，这方面差的最远，最起码在几年之内看不到突破的希望。

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