芯片在我们的生活中有多重要？芯片离不开无线耳机、智能手机、汽车、火车、飞机、船舶、冰箱、电视、洗衣机等。
可以说，芯片已经是我们生活中不可或缺的电子元件了。但是你能想到这样一个由沙子制成的精密设备吗？
第一步是提炼和提纯硅
芯片由单质硅制成，但自然界中没有天然单质硅，主要是硅氧化物(二氧化硅，SiO2)形态存在，二氧化硅恰好是沙子的主要成分。
芯片中使用的沙子不是我们每天在海滩、河流、建筑工地看到的那种，因为它含有红色、黄色和橙色杂质，更难净化。
芯片用的沙子叫硅砂，几乎没有其他杂质，是纯二氧化硅。那么如何将二氧化硅变成单质硅呢？
碳在高温下还原二氧化硅，然后制成含有少量杂质的粗糙和昂贵的工业。
化学式：SiO2+2C==高温==Si+2CO↑
将二氧化硅和碳充分混合，然后放入电弧炉中，加热到2万℃以上，在高温下，碳会与二氧化硅发生反应，炉底会留下单质硅CO变成气体排出。
然后用氧气处理硅，去除钙、铝等杂质，得到纯度为99%的单质硅。这种纯度远低于制造芯片的标准。
为了进一步净化单质硅，我们需要将其磨成粉末，然后加入氯化氢，放入流化床反应器中，加热到300℃充分反应，产生三氯硅烷，去除铁、硼、磷等杂质。
三氯硅烷继续加热到1万℃，然后与氢反应，最终形成纯度为99.9999%的单质硅，可用于制造芯片。
但此时，单质硅只能被视为多晶硅，由大量的小晶体或微晶体组成。这些小晶体之间的连接处有晶体边界，晶体边界会导致电子信号混乱。因此，必须改变硅的结构，使其成为单晶硅。
第二步是单晶硅生长
多晶硅变单晶硅的过程称为直拉单晶技术，又称长晶。其工艺流程为：熔化一→缩颈生长一→放肩生长一→等径生长一→尾部生长。
熔化:简单来说就是在石英锅中加入多晶硅，加热到熔点以上(1420℃），整个工程不能接触空气，所以长晶炉一般抽真空，然后加氩。
缩颈生长:将微小晶粒放入熔化的硅熔体中，由于温差，接触面产生热应力，形成位错。此时，种子晶体的直径迅速提升至46mm左右。
肩生长是将晶体的直径扩大到所需的尺寸，这一过程需要注意冷却，减少拉速。
等径生产是保持晶体直径不变、持续拉长的过程。
尾部生长与肩部生长过程相反。当直径缩小到一个点时，晶体棒将与硅熔体分离。整个长晶体过程结束了。多晶硅变成了单晶硅棒，通常被称为硅锭。
目前硅锭直径多为150mm、300mm、450mm用于制造8英寸、12英寸的晶圆。
第三步是制作晶圆
硅晶棒不能直接刻蚀，需要切割、滚磨、切片、倒角、抛光、激光刻等程序，才能成为芯片制造的基本材料——晶圆。
传统的机械切割(切片)和激光切割(切片)是晶圆的切片方法。
机械切割是将钻石锯片直接作用于晶圆表面，产生分割的应力。切割宽度一般为25-35μm速度为8-10mm／s，切割缓慢，不同规格需要不同的刀具。
此外，机械切割容易造成晶圆坍塌和损坏。
虽然旋转砂轮切割可以减少晶圆损伤，但需要去离子水冷却，导致成本高。因此，发明了一种新型的激光切割。
激光切割不会产生机械应力，大大保证了晶圆的质量。
此外，激光具有较高的精度，可达到亚微米水平，非常适合精密加工。在强脉冲能量下，硅材料直接蒸发，产生均匀的通道，实现切割。
激光切割速度更快，不需要冷却水，更不用说磨损工具了，可以24小时连续工作。
激光对晶圆具有更好的兼容性和通用性。
切割后的晶圆通过氧化和化学气相沉积涂层，使表面形成一层SiO2薄膜，并在SiON型在2膜中，P型掺杂。
是不是很多网友认为晶圆就像一个DVD事实上，光盘并非如此。晶圆不是一个标准的圆形，通常一个边，作为类似三角形的底，变成底圆。
芯片制造
芯片制造是最复杂的过程，简单的过程需要20多个，而真正的手机芯片需要数百甚至数千个过程。
这里只讲主要过程。
芯片制造的主要工艺有：清洗、预烘、涂胶、前烘、对准、曝光、显影、竖膜、刻蚀、去胶。
1、清洗
清洗的目的是去除金属离子，确保晶圆无污染、无针孔、无缺陷。具体步骤如下：
1强氧化剂清洗液溶解晶圆表面的金属离子；
2、用H+去除晶圆表面残留的金属离子；
用去离子水清洗晶圆，彻底清除清洗液。
2、预烘
晶圆清洗后，应干燥，以确保无残留清洗液，更有利于底胶的涂层，并将晶圆温度保持在80℃左右。
3、涂底胶
为了增强光刻胶与晶圆的附着力，需要涂一层底胶。涂底胶时，环境温度应保持在100℃左右。
4.光刻胶涂层
光刻胶是由紫外线、电子束、感光树脂、增感剂和溶剂组成的混合物X辐射后，溶解度会发生变化。
方法：100000晶圆℃在高温下氧化，然后用涂胶机将光刻胶均匀面。
5、前烘
前烘的目的是蒸发光刻胶的溶剂，使光刻胶均匀地粘附在晶圆表面，干燥后的光刻胶涂层更薄。
6、对准
对准操作时，精度要求极高，这绝对是对技术和设备的重大考验。
对准精度约为最细线宽的1/10，精度随芯片工艺而变化。例如：5nm芯片对准精度达到1nm。
7、曝光
曝光类似于照相机按快门。当紫外线照射涂有光刻胶的晶圆时，光刻胶会发生化学反应。
正胶的曝光部分溶解在显影液中，留下无曝光的胶层；负胶的曝光部分不溶于显影液，但无曝光的胶层溶解。
8、显影
曝光后的晶圆被放入显影液中，感光区的光刻胶就会溶解，这一步完成后，晶圆上的电路图就显现出来了。
9、竖模
显影工序后，形成了无光刻胶的显性图形和有光刻胶的隐性图形，这个图形组合可以作为下一步的模版。
10、刻蚀
刻蚀可以选择性地移除晶圆上的特定部分，并对边缘轮廓修整或表面清洁等。刻蚀工艺主要有两大类：湿法刻蚀和干法刻蚀。
刻蚀对于器件的电学性能十分重要。如果刻蚀过程中出现失误，将造成难以恢复的硅片报废。
11、去胶
以上工艺全部结束后，要把光刻胶去除，采用等离子、特殊溶剂、等方法。
这仅仅是一次操作，实际上制造芯片时，需要不断地重复以上操作。每加入一个层级就要进行一次光刻，最终形成一个多层的立体结构型的芯片。
为了防止芯片的刮损，同时更方面的与其它元器件连接，还要对芯片进行封装。
最后封装
手机芯片制造完成后，只有指甲盖大小，并且非常薄，稍有不慎就会刮伤损坏，导致前面做的一系列工作化为乌有。
而芯片封装就是给芯片安装一个外壳，可以有效地固定、保护、密封、连接芯片。
芯片封装后的金属接脚简直就是与外界沟通的桥梁，这些桥梁将芯片与电路板有效的连接起来，让芯片更安全、高效的发挥作用。
封装流程主要有：划片、装片、键合、塑封、去飞边、电镀、打印、切筋成型。
常见的封装方式有两种： DIP 封装、 BGA 封装
DIP 封装：
DIP封装即双排直立式封装，采用此封装的 IC 芯片在双排脚下，看起来会像条黑色蜈蚣，让人印象深刻，此封装法为最早采用的 IC 封装技术。
优点：成本低廉、适合小型且不需要接太多线的芯片。
缺点：散热效果较差，无法满足现行高速芯片的要求。
BGA 封装：
以金线将芯片接到金属接脚，
优点：体积小、容纳更多的接脚；
缺点：工艺复杂、成本较高。
封装完成后，再进行功能、电气、安全、环境、机械等方面的测试，就大功告成了。
写到最后
沙子变为高端芯片是一个极其复杂而精密的过程，目前没有任何一个国家可以单独完成这项任务。
这项过程不仅需要大量的专业技术，也需要很多精密的设备，和性能不同的化学试剂。这对每个国家都是考验。
我国在该领域起步晚，底子薄，但发展速度非常快，相信假以时日，在科研人员的努力下定能独立打造出高端芯片。
我是科技铭程，欢迎共同讨论！
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