芯片在我们生活中有多重要呢？小到无线耳机、智能手机，大到汽车火车、飞机轮船，再到冰箱、电视、洗衣机等等都离不开芯片。

可以说，芯片已经是我们生活中不可或缺的电子元器件了。但是你能想想这么一款精密器件，它居然是由沙子制成的吗？

第一步，硅提炼及提纯

芯片是由单质硅制成的，但自然界中并没有天然的单质硅，大都以硅的氧化物（二氧化硅、SiO2）形态存在，二氧化硅恰好是沙子的主要成分。

芯片所使用的沙子并非我们日常在海滩、河道、建筑工地等所见的那种，因为这种沙子含有红色、黄色、橙色的杂质，提纯难度更大。芯片使用的沙子叫硅砂，这种沙子几乎没有其他的杂质，就是纯净的二氧化硅。那么如何把二氧化硅变成单质硅呢？

工业上经常用碳在高温下还原二氧化硅，然后制得含有少量杂质的粗贵。

化学式：SiO2+2C==高温==Si+2CO↑

我们将二氧化硅和碳充分混合，然后放入电弧炉中，加热到2000℃以上，在高温下，碳会与二氧化硅发生反应，炉膛底部会留下单质硅，而CO变为气体排出。之后再用氧气对硅进行处理，把钙、铝等杂质去除，得到纯度为99%的单质硅。这个纯度远达不到制造芯片的标准。

为了进一步提纯单质硅，我们需要将其研磨成粉状，然后加入氯化氢，放入流化床反应器中，加热到300℃让其充分反应，生成三氯硅烷，同时去除铁、硼、磷等杂质。

三氯硅烷继续加热到1000℃，然后与氢气反应，最终形成纯度为99.999999%的单质硅，这个级别的硅就可以用来制造芯片了。但此时的单质硅只能算多晶硅，由数量众多的小晶体或者微晶构成，这些小晶体之间的连接处有晶界，晶界会导致电子信号混乱，因此必须更改硅的结构，使其变成单晶硅。


第二步单晶硅生长

多晶硅变单晶硅的过程叫做直拉单晶技术，又称长晶。它的工艺流程为：熔化一→缩颈生长一→放肩生长一→等径生长一→尾部生长。

熔化：简单来说就是将多晶硅加入石英锅内，加热到熔点以上（1420℃），整个工程不能接触空气，因此长晶炉一般都是抽成真空，然后加入氩气。

缩颈生长：将微小的晶粒放入熔化的硅熔体中，因为温度差导致接触面产生热应力，形成位错，此时快速提升，使长出的籽晶直径减小到46mm左右。

而放肩生长就是将晶体的直径放大至所需的尺寸，该过程需要注意降温、减小拉速。

等径生产，就是保持晶体直径不变，持续拉长的过程。

尾部生长与放肩生长过程相反，当直径缩小至一个点时，晶棒就会与硅熔体分离。整个长晶过程结束。多晶硅也就变成了单晶硅棒，也就是我们常说的硅锭。

目前硅锭的直径大都为150mm、300mm、450mm三种，用于制造8英寸、12英寸的晶圆。


第三步制成晶圆

硅晶棒是无法直接进行刻蚀的，它需要经过切断、滚磨、切片、倒角、抛光、激光刻等程序后，才能成为芯片制造的基本材料——“晶圆”。

晶圆的切片方法有传统的机械切割（划片）和激光切割（切片）。机械切割是直接将钻石锯片作用在晶圆表面，产生应力，使其分割。切割宽度一般为25——35μm之间，速度为8——10mm／s，切割慢，不同规格需要不同的刀具。此外，机械切割容易造成晶圆崩边、破损等现象。而旋转砂轮式切割虽然可以降低晶圆破损，但需要去离子水冷却，又导致成本较高。于是发明了新型激光切割。

激光切割不会产生机械应力，大大地保证了晶圆的质量。

此外激光的精确度更高，可以达到亚微米级别，非常适合精密加工，在强大的脉冲能量下，硅材料直接汽化产生均匀的沟道，实现切割。激光切割速度更快，且不需要冷却水，更不会出现磨损刀具的问题，可以24小时不间断作业。

激光对晶圆有更好的兼容性和通用性。切割后的晶圆再通过氧化、化学气相沉积等方法进行镀膜，使表面形成一层SiO2薄膜，并在SiO2薄膜中进行N型、P型掺杂。

是不是很多网友认为晶圆就像一张DVD光盘，其实并非如此，晶圆不是标准的圆形，一般都会切出一个边，当作类似三角形的“底”，成为“有底的圆”。


芯片制造步骤

1. 设计与验证：芯片的制造过程首先从设计开始。设计师根据产品需求和规格书来设计芯片的功能、结构和电路。随后，设计验证团队会进行验证工作，确保设计的可行性和正确性。

2. 掩膜制作：一旦设计被验证通过，下一步就是制作掩膜。掩膜是用于刻蚀芯片表面的模板，对于芯片的性能和功能起着关键作用。制作掩膜需要使用高精度光刻设备和化学物质，以将设计图案转移到芯片表面。

3. 沉积与蚀刻：在芯片制造过程中，沉积和蚀刻是不可或缺的步骤。沉积是指将不同材料层按照设计要求逐层沉积在芯片表面上，例如金属、氧化物等。而蚀刻则是利用化学物质将不需要的材料层逐层去除，以形成所需结构和电路。

4. 接触和清洗：在沉积和蚀刻完成后，芯片会经历一系列的接触和清洗步骤。接触是指利用掩膜将芯片暴露出需要的区域，以便进行后续的工艺步骤。而清洗则是为了去除沉积和蚀刻过程中产生的残留物和污染物，以保证芯片的质量和性能。

5. 结电测试：一旦芯片经过清洗，接下来就是进行结电测试。结电测试是为了验证芯片的电学特性和性能是否符合设计要求。测试过程中需要使用专业的测试设备和仪器，以获取准确的测试结果。

6. 封装与测试：一旦芯片通过结电测试，下一步就是进行封装和测试。封装是将芯片放置在封装材料中，以保护芯片并为其提供外部连接。封装过程中需要进行焊接和引线连接等操作。随后，芯片会经过各种测试，以确保其性能和质量满足需求。

7. 成品和质检：最后，芯片通过封装和测试后，会进行成品和质检。成品检查是对芯片进行外观检查和功能测试，确保其符合产品要求。质检则是对芯片进行全面的质量检查，以保证其稳定性、可靠性和耐用性。

芯片制造过程虽然复杂而繁琐，但是它是现代科技产品得以实现的关键环节。通过以上步骤，芯片得以制造，并在各个领域发挥着重要的作用。对于芯片制造厂商来说，科学、规范和严谨的制造过程是确保芯片品质和性能的基础。


地球上的硅能用多久？

这，才是我们真正需要关注的问题！实际上硅的消耗量和并非和晶体管数量相关，而是和芯片的面积相关，因为工艺不同，晶体管大小不同，消耗的硅原子数量也不同，而芯片的面积(体积)却和硅原子数量直接相关。

回答第二个问题时，上面我们已经推导出1立方nm的硅中包含的原子数量为：50 个，那么，1立方mm的硅中包含的原子数量为：50×10^18个，等同于1平方mm晶元中所包含的硅原子。像麒麟990 5G处理器这样100平方mm的芯片，一颗芯片消耗的硅原子数量为：100×50×10^18个，即5×10^21个硅原子。

以这样的芯片为例，地球上的硅总共可以生产的芯片的数量为：1.41×10^47 ÷ (5×10^21) =2.82×10^25个。

2019年，中国总共生产了2018.2亿块芯片，约占全球芯片产量的10%，可以估算全球芯片产量超过20182亿块，约为2×10^12块。

芯片的面积有大有小，我们暂且以100平方mm为其中位数，则每年需要消耗的硅原子数量为：（2×10^12）×（5×10^21）=10^34个，假定芯片年产量不变，则地球上的硅可用时间为：1.41×10^47÷10^34=1.41×10^13 年，也就是14.1万亿年。看来，我们还不用担心，地球的寿命也不见得有那么长。

但是，事实却是：每一年，芯片的需求和产量都会有所增加。

2019年全球芯片产值4376亿美元，产量约为2×10^12（20182亿）块。

这里，我们做一个假设，假设全球芯片产值不变，但芯片价格越来越便宜，用同样的美元可买到的芯片数量，每隔9-12个月翻一番。

2×10^12 × (1+2+2^2+2^3+...+2^n) = 2.82×10^25，求解得到的n则为可生产的年数。

(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

也就是说，如果同样的美元可买到的芯片数量每隔9-12个月翻一番，不到 43 年，地球上的硅原子就要用完了。这不太可能吧，一定是我们的假设有问题，这时候，耳边飘来一句话：“用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18-24个月翻两番”。

每隔18-24个月翻两番和每隔9-12个月翻一番应该是相同的意思，不过电脑的性能并不等同芯片的数量，但其中还是有一定的相关性的。

我们知道：“用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18-24个月翻两番”正是摩尔定律的内容。地球上的硅到底够用14万亿年还是43年呢？


摩尔定律还能再持续吗？

摩尔定律内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上（翻两番）。

摩尔定律里的”元器件的数目“实际就是晶体管Transistor数目。

我们就以麒麟990 5G处理器为例，内含晶体管数量约为100亿，2019芯片产量约为20000亿只。当然，很多芯片内的数量达不到这么多，但也有芯片中晶体管数量远远超过百亿，例如WSE芯片中晶体管数量达到了1.2 万亿。目前以7nm主流工艺生产的芯片，其晶体管数量差不多都在百亿量级了。

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个月翻一番，则43×1.5=64.5<65年，如果是每隔24个月翻一番，则43×2=86 年也就是说，只要65 年或者最多86 年，地球上的硅原子就要用完了！

而且，我们估算时只考虑了硅在芯片制造上的应用，即硅仅仅用来制作高纯硅半导体。

实际上是，除此之外，硅还广泛应用于耐高温材料、光导纤维通信材料、有机硅化合物、合金等，硅被广泛应用于航空航天、电子电气、运输、能源、化工、纺织、食品、轻工、医疗、农业等行业。

另外，我们还没有考虑其它的应用，例如修路、修桥、修房子... 这些大量应用石头和沙子等硅化合物的领域。