#芯片#
大家都知道芯片的制造，离不开硅，至于有小伙伴会问为啥用硅来制备芯片，不妨看看这篇文章:
为什么用硅来制备半导体芯片？是什么奠定了硅的统治地位？
而硅的来源就是我们日常所见的砂子，几乎是随处可见。那么砂子是如何完成这样的华丽的转身的呢？一起看看期间奇妙的过程吧。
硅晶圆的制备
虽然硅在地壳中，它是第二丰富的元素，构成地壳总质量的26.4%，仅次于第一位的氧（49.4%），但是，极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。所以石英砂到硅晶圆的过程，其实就是硅的不断提纯的过程，最后硅的纯度得达到99.%。也就是说亿个硅原子中只允许有一个是不符合要求的。
第一步：石英砂（Si02）的提纯成为工业硅。工业硅又称准金属硅，是本世纪六十年代中期出现的一个商品名称。金属硅是由硅石和碳质还原剂在矿热炉内冶炼成的产品，主成分硅元素的含量在98%左右（近年来，含Si量99.99%的也列在金属硅内），其余杂质为铁、铝、钙等。
工业硅第二步：工业硅提纯为多晶硅。多晶硅，是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。
这里的多晶硅可分成两种：高纯度(99.%，11N)与低纯度(99.%，7N)两种。高纯度是用来制作IC等精密电路IC，俗称半导体等级多晶硅；低纯度则是用来太阳能电池的，俗称太阳能等级多晶硅。
工业硅多晶硅
主要的制备方法有两种：多晶硅的生产技术主要为改良西门子法和硅烷法。
第三步：多晶硅提纯为单晶硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的硅就是单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加；有显著的半导电性。
晶柱第四步：单晶硅切片成为晶圆。硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。晶圆的主要加工方式为片加工和批加工，即同时加工1片或多片晶圆。
切割好的晶圆IC（集成电路）的设计
硅晶圆的制备，只是完成了芯片的载体而已，如果现在将芯片比作是一个精美的雕刻品的话（一个不太恰当的比喻），那么硅晶圆的制备，只是说明解决了原料的问题了。而是，IC的设计，就是在思考，如何在晶圆上作画，当IC设计好了，就是可以在晶圆上进行刻画了。
IC的设计过程可分为两个部分，分别为：前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理设计），这两个部分并没有统一严格的界限，凡涉及到与工艺有关的设计可称为后端设计。
第一步规格制定：芯片规格，也就像功能列表一样，是客户向芯片设计公司（称为Fabless，无晶圆设计公司）提出的设计要求，包括芯片需要达到的具体功能和性能方面的要求。
第二步详细设计：根据客户提出的规格要求，拿出设计解决方案和具体实现架构，划分模块功能。
第三步编码，仿真，验证：编码就是：将模块功能以代码来描述实现。仿真就是：检验编码设计的正确性，检验的标准就是第一步制定的规格。看设计是否精确地满足了规格中的所有要求。规格是设计正确与否的黄金标准，一切违反，不符合规格要求的，就需要重新修改设计和编码。验证就是：将代码翻译成门级网表，不断去验证它的正确性。
第四步布局规划：在总体上确定各种功能电路的摆放位置，布局规划能直接影响芯片最终的面积。
第五步布线：这里的布线就是普通信号布线了，包括各种标准单元（基本逻辑门电路）之间的走线。
第六步物理版图验证：就是对于布线之后的版图，逻辑上的门级电路图对比验证。
上面只是IC设计上的主要的几个步骤，还有很多细节方面就不再赘述。物理版图验证完成也就是整个芯片设计阶段完成，下面的就是芯片制造了。
芯片制造
芯片，叫大规模的集成电路。芯片的制造就是做一件事情，将芯片设计电路图，转移到之前制备好的硅晶圆上。芯片的制造的过程和传统的相机有些像，之前冲洗照片的时候，是将底片，复制到了相纸上，而芯片制造是将IC电路图印刷到晶圆上。
第一步复刻IC电路图。也是最重要的步骤。它是用光透过光罩，投影到一层光敏物质上，再经过处理把曝光或是未曝光的地方洗掉，这样就可以把光罩的图案缩小数倍之后印在了晶片上。这个光罩的图案就是之前设计好的芯片电路图。
光罩目前，最好的技术是EUV（极紫外光刻），而能提供EUV商业化光刻技术的只有荷兰的ASML一家公司。
第二步气相沉积和等离子刻蚀。前者主要是在硅片上制造薄膜，以及填坑。诸如可以用二氧化硅来填入沟渠中作为一道绝缘体，杜绝沟两边的电子单元相互之间的联系。后者主要是在硅片上挖坑，这步骤决定了元器件的大小，布线的宽窄。现在一个只有指尖大小的芯片往往集成了成千上万个电路。掩模作为芯片的模板，在它上面，一个图案的尺寸大约只有几纳米大小，没啥概念的话，举个例子，那就是像我们的一根头发丝的千分之一那么小。
第三步离子注入。就是用离子轰击暴露地区的硅片，用离子撞击植入硅片的方式来改变这些地区硅的导电性（比如硼，磷），有助形成PN结，离子需要非常高速的撞击到晶圆表面上，通过电场加速后的离子速度可以达到每小时30万公里。
第四步化学电镀。工艺主要是用于铜导线制造。其基本原理就是利用电镀技术把铜填入各种结构里作为导体。最初使用的是铝线，之后相对于铝来说，铜的电阻值小了40%，相当于提高了15%的微处理器的速度，同时可以减小能量在传输过程中的损耗，另外一方面，铜也比铝导线更耐久更容易加工成更小的尺寸。
以上就是IC制造中的最主要的部分，但是实际上并没有这么的简单。
芯片封装
IC在晶圆上制造好之后，需要进行测试，挑选出不合格的芯片。之后，对晶圆进行切割，切下来的每一个小块，就是一个芯片。
刻蚀好的晶圆
最后，将针脚和芯片封装在一起，就看到我们日常见到的样子。
封装总结：
砂子到芯片的华丽转身，需要经过，晶圆准备，芯片设计，在晶圆上刻蚀和芯片的封装四步骤。