造芯片需“专用砂”，中国90年代已达标，如今却依赖美国进口

最近，“天然砂”成为了热门话题，网络上一时间出现了很多让人看不懂的言论，那么，造芯片用的硅片是怎么制成的，又需要什么样的沙子，中国又有这样的沙子吗？

今天咱们来聊聊造硅锭这件事情，硅锭的成本是纯度高达11个9的圆柱体单晶硅，制造硅锭的最常用方法是直拉法，将单晶硅放进石英坩埚中熔化，然后在液态的硅中放入一个棒状的种晶，在大概1420℃环境下，液态硅会缓慢的在种晶周围结晶，如果把已经形成的结晶体稍微向上拉，下面的液态硅就会在结晶体上继续结晶，循环这个过程，就会逐渐形成一根巨大的硅锭。

一根用于8英寸硅晶圆的硅锭，一般长度是1.5米，通常需要拉70个小时，同时直拉车间对环境要求非常苛刻。放光刻机的无尘室需要架空防止缓冲减震装置，拉制硅棒的车间也同样需要，只要在70个小时内，地面发生一点震动，或者车间的出现1秒钟的供电电压波动，就会导致拉制过程失败。

当年汶川地震的时候，远在北京的单晶硅工厂就出现了液面抖动，最终只能导致上半截能用。至于电力问题，国内的半导体级单晶硅工厂基本都配备专用的变电站。

硅锭制造完成后，经过切片、倒角、研磨、清洗、贴片、抛光等很多道工序之后，就能做成硅片，卖给晶圆厂了。

什么样的沙子能造芯片呢？

首先，无论是河砂、海砂还是天然砂，都不能造芯片，问题还是在于这些沙子的杂质太多，硅含量太低。尤其是海砂，盐含量高达20%，由于会腐蚀钢筋，当作建筑材料时都需要用淡水清洗，耗时耗力增加成本。真正用于半导体行业的“沙子”是高纯度石英砂，纯度小数点后5个9，这种石英砂在自然界中并不存在，而是需要从石英矿中开采提纯后才能用于半导体制造。

这种“沙子”的价格也非常惊人，一吨大概在1.2万到1.5万美元左右。而制备高纯度石英砂的最理想选择便是高纯度石英矿原料，石英哪里都有，但是高纯度石英矿，尤其是具备经济开采价值的高纯度石英矿却又少之又少。

但是同时，高纯石英砂的用途非常广，航空航天用的玻璃，高级照明设备和光伏设备都需大量应用，所以中国已经把高纯石英砂列为了战略物资，同时高纯度石英原料矿也是稀有矿脉。

中国有这样的“沙子”吗？

上个世纪90年代，中国就已经能生产符合国际标准的高纯度石英砂，但是事到如今，高纯度石英砂的生产却越来越难。

这是因为当年的生产原料十分奢侈，是天然水晶。天然水晶同时也是重要的工艺品原料，在高强度开采下，早在10多年前，我国江苏东海较大规模的水晶矿已经基本枯竭，现在已经很难再找到大规模的水晶矿。

世界上手握芯片专利最多的国家是美国，拥有世界上最优质石英矿的国家还是美国，美国有一处名为斯普鲁斯派恩的矿脉，这里最著名的是各种宝石，除此之外，就是高纯度石英砂。

这座矿非常奇特，是全世界唯一一处受到阿乐汉尼·绿片岩运动影响的矿脉，这片矿区开采出的石英晶体的体积大，有害杂质还很少，是生产高纯度石英砂非常非常理想的原料。

美国尤尼明公司则是在这里开采石英砂的主要公司，这家公司曾经的市场份额高达90%，可以说，尤尼明公司能够长成世界巨头，斯普鲁斯派恩矿占大部分原因。

在江苏、湖北也有大型石英矿，中国早就实现了中低端石英砂的生产和出口，但是因为有害杂质太多，高端石英砂还是需要找美国公司进口。

中国国内的矿产特点就决定了，中国企业能走的路比较艰难，用低品位原料提出制备高纯度产品，无法像美国一样，能够享受大自然的赏赐。

同时还要注意，尤尼明公司虽然说是运气好，但是技术实力也很强，有点像漫威中的瓦坎达，靠着一处矿点出了世界顶尖的科技树。这家公司的生产标准在行业内就被视为国际标准，并且质量管理和产品一致性也比竞争对手高很多。

举个例子，前面说到拉硅锭用的石英坩埚，这是一个消耗品，其内壁必须使用尤尼明石英砂制造，如果用印度石英砂，寿命只有200小时，按照70小时拉一个硅锭计算，只能拉两个硅锭，寿命剩下60个小时，只能报废。而用尤尼明石英砂就可以达到400个小时，同样的坩埚，可以拉出5个硅锭，稍高的价格却能带来寿命和产能的成倍增长。

尤尼明公司同样也不是善茬，早早就进行了技术垄断，封锁了生产工艺信息和参数。

不过同时也有很多好消息，石英砂就算是再高级再难，也就是难在矿物勘探，质量管理、提纯工艺，这三个困难未来都可以被克服。

目前中国新疆阿尔泰地区，发现了超大型石英矿床，和美国斯普鲁斯派恩矿有异曲同工之妙，很有开采前景。

中国也有很多企业用小数点后两个9的矿石提纯出了小数点后5个0纯度的石英砂，随着中国芯片多个项目上马，光伏产业发展，对高纯度石英砂的需求会越来越大，中国有朝一日也必将实现自给自足。

芯片的原材料居然是沙子，那么沙子是如何变成芯片的呢？

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

芯片制造是最复杂的工艺，仅仅简单地走一遍流程就需要20多道，而真正的要制造一款手机芯片，需要几百道，甚至是几千道工序。

这里只讲一讲主要的工序。

芯片制造的主要流程为：清洗、预烘、涂胶、前烘、对准、曝光、显影、竖膜、刻蚀、去胶。

1、清洗

清洗的目的就是去除金属离子，确保晶圆无污染、无针孔、无缺陷。具体步骤如下：

1、使用强氧化剂清洗液，使晶圆表面的金属离子溶解在清洗液中；

2、用H+去除残留在晶圆表面的金属离子；

3、用去离子水清洗晶圆，彻底排除清洗液。

2、预烘

晶圆清洗完毕后，要进行烘干，确保无残留的清洗液，更有利于底胶的涂覆，并把晶圆温度保持在80℃左右。

3、涂底胶

为了增强光刻胶与晶圆的粘附性，需要涂一层底胶，底胶涂覆的时候需要环境温度保持在100℃左右。

4、光刻胶涂覆

光刻胶是感光树脂、增感剂和溶剂组成的混合液体，被紫外光、电子束、X射线照射后，溶解度会发生变化。

方法：晶圆在1000℃的高温中进行氧化，然后用涂胶机将光刻胶均匀地涂在晶圆表面。

5、前烘

前烘的目的是将光刻胶的溶剂蒸发掉，使光刻胶均匀地粘附在晶圆表面，而且烘干后的光刻胶涂层更薄。

6、对准

对准操作时，对精度要求极高，这绝对是对技术和设备的重大考验。

要求对准精度为最细的线宽1/10左右，同时精度随着芯片的制程变化。例如：5nm工艺的芯片对准精度就达到了1nm。

7、曝光

曝光就类似于照相机按快门，当紫外光对涂有光刻胶的晶圆照射时，光刻胶就发生了化学反应。

正胶曝光部分在显影液中被溶解，没有曝光的胶层留下；负胶的曝光部分在显影液中不溶解，而没有曝光的胶层却被溶解掉。

8、显影

被曝光后的晶圆放入显影液中，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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