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

可以說，芯片已經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

芯片是由單質硅制成的，但自然界中并沒有天然的單質硅，大都以硅的氧化物（二氧化硅、SiO2）形態存在，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日常在海灘、河道、建筑工地等所見的那種，因為這種沙子含有紅色、黃色、橙色的雜質，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，就是純凈的二氧化硅。那么如何把二氧化硅變成單質硅呢？

工業上經常用碳在高溫下還原二氧化硅，然后制得含有少量雜質的粗貴。

化學式：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，碳會與二氧化硅發生反應，爐膛底部會留下單質硅，而CO變為氣體排出。之后再用氧氣對硅進行處理，把鈣、鋁等雜質去除，得到純度為99%的單質硅。這個純度遠達不到制造芯片的標準。

為了進一步提純單質硅，我們需要將其研磨成粉狀，然后加入氯化氫，放入流化床反應器中，加熱到300℃讓其充分反應，生成三氯硅烷，同時去除鐵、硼、磷等雜質。

三氯硅烷繼續加熱到1000℃，然后與氫氣反應，最終形成純度為99.999999%的單質硅，這個級別的硅就可以用來制造芯片了。但此時的單質硅只能算多晶硅，由數量眾多的小晶體或者微晶構成，這些小晶體之間的連接處有晶界，晶界會導致電子信號混亂，因此必須更改硅的結構，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，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，加熱到熔點以上（1420℃），整個工程不能接觸空氣，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，因為溫度差導致接觸面產生熱應力，形成位錯，此時快速提升，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，就是保持晶體直徑不變，持續拉長的過程。

尾部生長與放肩生長過程相反，當直徑縮小至一個點時，晶棒就會與硅熔體分離。整個長晶過程結束。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行刻蝕的，它需要經過切斷、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的機械切割（劃片）和激光切割（切片）。機械切割是直接將鉆石鋸片作用在晶圓表面，產生應力，使其分割。切割寬度一般為25——35μm之間，速度為8——10mm／s，切割慢，不同規格需要不同的刀具。此外，機械切割容易造成晶圓崩邊、破損等現象。而旋轉砂輪式切割雖然可以降低晶圓破損，但需要去離子水冷卻，又導致成本較高。于是發明了新型激光切割。

激光切割不會產生機械應力，大大地保證了晶圓的質量。

此外激光的精確度更高，可以達到亞微米級別，非常適合精密加工，在強大的脈沖能量下，硅材料直接汽化產生均勻的溝道，實現切割。激光切割速度更快，且不需要冷卻水，更不會出現磨損刀具的問題，可以24小時不間斷作業。

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

是不是很多網友認為晶圓就像一張DVD光盤，其實并非如此，晶圓不是標準的圓形，一般都會切出一個邊，當作類似三角形的“底”，成為“有底的圓”。


芯片制造步驟

1. 設計與驗證：芯片的制造過程首先從設計開始。設計師根據產品需求和規格書來設計芯片的功能、結構和電路。隨后，設計驗證團隊會進行驗證工作，確保設計的可行性和正確性。

2. 掩膜制作：一旦設計被驗證通過，下一步就是制作掩膜。掩膜是用于刻蝕芯片表面的模板，對于芯片的性能和功能起著關鍵作用。制作掩膜需要使用高精度光刻設備和化學物質，以將設計圖案轉移到芯片表面。

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計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物質將不需要的材料層逐層去除，以形成所需結構和電路。

4. 接觸和清洗：在沉積和蝕刻完成后，芯片會經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域，以便進行后續的工藝步驟。而清洗則是為了去除沉積和蝕刻過程中產生的殘留物和污染物，以保證芯片的質量和性能。

5. 結電測試：一旦芯片經過清洗，接下來就是進行結電測試。結電測試是為了驗證芯片的電學特性和性能是否符合設計要求。測試過程中需要使用專業的測試設備和儀器，以獲取準確的測試結果。

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

7. 成品和質檢：最后，芯片通過封裝和測試后，會進行成品和質檢。成品檢查是對芯片進行外觀檢查和功能測試，確保其符合產品要求。質檢則是對芯片進行全面的質量檢查，以保證其穩定性、可靠性和耐用性。

芯片制造過程雖然復雜而繁瑣，但是它是現代科技產品得以實現的關鍵環節。通過以上步驟，芯片得以制造，并在各個領域發揮著重要的作用。對于芯片制造廠商來說，科學、規范和嚴謹的制造過程是確保芯片品質和性能的基礎。


地球上的硅能用多久？

這，才是我們真正需要關注的問題！實際上硅的消耗量和并非和晶體管數量相關，而是和芯片的面積相關，因為工藝不同，晶體管大小不同，消耗的硅原子數量也不同，而芯片的面積(體積)卻和硅原子數量直接相關。

回答第二個問題時，上面我們已經推導出1立方nm的硅中包含的原子數量為：50 個，那么，1立方mm的硅中包含的原子數量為：50×10^18個，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量為：100×50×10^18個，即5×10^21個硅原子。

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

2019年，中國總共生產了2018.2億塊芯片，約占全球芯片產量的10%，可以估算全球芯片產量超過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，則每年需要消耗的硅原子數量為：（2×10^12）×（5×10^21）=10^34個，假定芯片年產量不變，則地球上的硅可用時間為：1.41×10^47÷10^34=1.41×10^13 年，也就是14.1萬億年。看來，我們還不用擔心，地球的壽命也不見得有那么長。

但是，事實卻是：每一年，芯片的需求和產量都會有所增加。

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

這里，我們做一個假設，假設全球芯片產值不變，但芯片價格越來越便宜，用同樣的美元可買到的芯片數量，每隔9-12個月翻一番。

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

(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量每隔9-12個月翻一番，不到 43 年，地球上的硅原子就要用完了。這不太可能吧，一定是我們的假設有問題，這時候，耳邊飄來一句話：“用一個美元所能買到的電腦性能，每隔18-24個月翻兩番”。

每隔18-24個月翻兩番和每隔9-12個月翻一番應該是相同的意思，不過電腦的性能并不等同芯片的數量，但其中還是有一定的相關性的。

我們知道：“用一個美元所能買到的電腦性能，每隔18-24個月翻兩番”正是摩爾定律的內容。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嗎？

摩爾定律內容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，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個月翻一倍以上（翻兩番）。

摩爾定律里的”元器件的數目“實際就是晶體管Transistor數目。

我們就以麒麟990 5G處理器為例，內含晶體管數量約為100億，2019芯片產量約為20000億只。當然，很多芯片內的數量達不到這么多，但也有芯片中晶體管數量遠遠超過百億，例如WSE芯片中晶體管數量達到了1.2 萬億。目前以7nm主流工藝生產的芯片，其晶體管數量差不多都在百億量級了。

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個月翻一番，則43×1.5=64.5<65年，如果是每隔24個月翻一番，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，我們估算時只考慮了硅在芯片制造上的應用，即硅僅僅用來制作高純硅半導體。

實際上是，除此之外，硅還廣泛應用于耐高溫材料、光導纖維通信材料、有機硅化合物、合金等，硅被廣泛應用于航空航天、電子電氣、運輸、能源、化工、紡織、食品、輕工、醫療、農業等行業。

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