半导体芯片
从沙子到单晶硅再到晶圆沙子的组成沙子是我们生活中非常常见的一种物质，它的紧张组成身分是石英，也便是二氧化硅（SiO2）,沙子中二氧化硅含量高，因此，对付半导体家当来说，沙子是再得当不过的质料了。制作半导体材料所须要的质料是单晶硅，因此，须要先将沙子中的氧去除，从而得到单质硅。
沙子
要将沙子中的二氧化硅变为单质硅，须要将沙子中的二氧化硅进行还原。一样平常是在电弧炉中，将石英含量较高的沙子和焦炭按适当的比例加入，在2000℃的高温中反应并天生硅单质。
电弧炉
二氧化硅还原
然而，通过上面反应之后得到的硅杂质含量很高，硅的纯度一样平常只有95%~99%，这种硅称为冶金级硅。只有极少数的高纯度冶金级硅(纯度≥98%)才能用于进一步提纯为高纯度的电子级多晶硅，而这些能达到哀求的仅占冶金级硅的1%。
超大规模集成电路的硅材料，纯度须要达到10~11个9，也便是均匀几百亿个原子中仅含有一个杂质原子，这个纯度是非常高的，因此，须要将上面得到的硅进一步提纯。
一样平常先将粗硅与氯化氢（HCl）气体在高温下反应，天生三氯化氢硅（SiHCl3），同时也会天生SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl、AlCl3、FeCl3等物质，再利用这些物质沸点的不同在蒸馏塔中掌握温度进行多次精馏分离。
得到的高纯SiHCl3再与H2通入还原炉中，利用高纯硅细棒作为发热体，加热到1100℃旁边，SiHCl3会与H2在炉内反应，天生Si和HCl，新天生的硅会沉淀在硅棒上，使硅棒逐渐变粗，得到高纯度的硅单质。
粗硅进一步提纯工艺
从非晶硅到单晶硅棒制备芯片所须要的硅必须是要单晶硅，所谓的单晶，便是物质内部的原子排列整洁有序的，而上述得到的反应得到的单质硅内部构造并非有序构造，一样平常为非晶构造或多晶构造，非晶即为原子排列完备没有规则，凌乱无章，而多晶则为部分构造有序，而长程无序，微不雅观的区域内为晶体构造，很多的晶体构造之间存在着晶界。因此须要进一步重新熔化结晶得到单晶硅。
单晶硅构造和非晶硅构造
目前制备单晶硅一样平常利用直拉法，将熔融的单质硅掌握到熔点温度，在熔点温度下用一块小的单晶硅（晶籽）引出，液态的硅会在晶籽的表面一层一层逐渐成长，形成单晶构造。
熔融的硅原子不断地在晶棒下端有序成长
在成长的过程中，单晶硅棒须要一直的旋转，而下面的坩埚反方向旋转，单晶硅棒一边旋转一边缓慢提起。之以是要旋转是由于熔体内溶液温度存在温差会形整天然对流，并且晶体在提升的过程中也会引起对流，因此，旋转的过程可以使温度更为均匀，并且也利于杂质的均匀分布。
在实际操作的过程中，迁徙改变速率须要通过对热流以及熔体性子进行剖析并准确的打算，这样拉出来的单晶棒才能成长均匀，构造完全。
从单晶硅棒到单晶硅片
拉出来的单晶硅棒制成之后，须要进行切片，切割的过程一样平常利用钢线切割，钢线的长度一样平常为数百千米，并且切割速率达到600~800m/min，钢线的表面一样平常镀有碳化硅颗粒，这类物质硬度极大，切割速率也非常快。
线切割事理
切割之后一个硅锭就可以得到很多的单晶硅片，这便是我们常听的晶圆。由于切割过程中表面并不平整，因此，还须要进行洗濯，抛光等过程。
芯片的制作过程极其繁芜，上面这一系列过程只是处于上游的制作过程，芯片的制作可以说在这里才真正开始。
芯片实际上是由几十亿个晶体管组成，制作芯片，便是相称于要在晶圆上刻蚀出无数眇小的晶体管，并将它们通过极其眇小的电路连接起来。在理解芯片的事情事理以及制备工艺之前，我们先要理解什么是晶体管以及它有什么浸染。
晶体管及芯片事情事理常用的晶体管一样平常为二极管和三极管，晶体管中最主要的部分便是P-N结，P-N结有一个分外的性子，那便是单引导电性。
P-N结P-N结便是将一块P型半导体于N型半导体相打仗，那么，在它们相打仗的地方就形成了一个P-N结。
P型半导体
P型半导体指掺入少量硼（B）原子的硅晶体，硅元素处于第四周期元素，原子核最外层具有四个电子，而硅在该电子层电子数为8个的时候会形成稳定构造，因此单晶体中一个硅原子会与四个硅原子形成四对共价键，下面便是单晶硅的电子构造。
而硼原子最外层只有三个电子，因此，硼原子在与硅原子形成共价键时，会形成7个电子的构造，比较硅单质少了一个电子，相称于空了一个位置，我们把这个空的位置称为“空穴”。
“空穴”可以在这个构造中随意流动，因此，这类半导体就具有了导电性。
N型半导体
N型半导体指掺入少量磷（P）原子的硅晶体，磷原子最外层有5个电子，因此在与四个硅原子形成共价键时，就会多出一个电子，这个电子也是可以自由移动的。
P型和N型半导体结合形成P-N结，由于N型半导体存在多余电子，电子浓度较大，而P型半导体中存在很多电子空位，于是N型半导体中的电子会自发流向P型半导体。由于扩散浸染导致电荷不平衡，于是会形成内建电场。
当外加一个电压形成的电场与内建电场相反时，便可以抵消内电场，同时可以在负极注入更多的电子，这个时候便形成了通路。当加入一个反向电压时，外电场方向与内电场方向相同，电场加强，电子便无法通过，这便是P-N结单引导电的实质缘故原由。
上面这个是一个P-N结形成的二极管，当多个N型半导体与P型半导体相结合时，就能够形成三极管，三极管相称于是一个继电器，利用小电流掌握大电流。
我们以一个NPN三极管为例，进行剖析
一个三极管会存在两个P-N结，方向相反，每种类型的半导体都会有一个引脚，当我们在集电极与发射极两端接上电压时，无论电压是哪个方向，总会有一个PN结所形成的内电场与外电源的电场相同，因此ec两端始终无法形成通路。那么如果在be端其余加上一个电压就不一样了。其余加上的这个电压可以抵消一个P-N结的浸染，电子可以顺利的从下面的N极流入P极，由于中间的P极非常窄，流入的多余电子会被c处的电极所吸引，于是ec之间形成了通路。ec之间的电流会比be之间的电流大几百倍，这就形成了一个电流放大的浸染。
三极管电路图
三极管电流的放大浸染演示
mos管晶体管中还有一种mos管，它的浸染和三极管非常类似，三极管是通过小电流来掌握大电流，而mos管不是通过电流来掌握，而是通过电压。
我们以上图左边的N沟道场效应管类型为例进行剖析，当在栅极加入一个正电压时，两端源极与漏极（N区）中的电子会被吸引到中间的P区，由于栅极与P区之间存在一层氧化物薄膜，电子无法通过，于是电子会聚拢在P区，但是无法流入栅极，这个时候在源极与漏极之间加入电压的话就会形成一个通路，于是会有电流流过。
这便是晶体管的事情事理
通过上面的先容，我们知道了晶体管的事理，如果用一句大略的话来总结晶体管的话，那么这些晶体管的浸染就相称于是一个开关，当中间电极供应电流或者电压时，两端则会形成通路，相称于用手按下了开关，而没有电流或者电压时，则电流无法通过，相称于断开了开关。理解了这个事理，那么，晶体管在CPU中是如何发挥浸染的呢？
CPU中晶体管的浸染CPU可以说是一个打算机的大脑，它通过快速的运算来为我们做事。在打算的过程，全靠这些晶体管。我们知道，打算机存储数据的事理是利用0和1来进行储存，打算机之以是利用二进制，是由于对付电子机器来说，统统事物无非只存在两种状态：有或者没有。这个有或者没有对应着电路的断路或者通路。前面讲过晶体管就相称于开关，将这些开关通过不同的组合就能够得到各种门电路，输入不同的数据0、1就对应着这些开关的断开、闭合，通过门电路，我们就知道输出端是否有电流，这个输出端是否有电流对应着输出0或者1，通过这些大量的开关进行各种组合，我们就可以得到一个超强打算能力的处理器，实上CPU打算的过程，便是这些开关不断闭合、断开的过程。而单个晶体管开关的速率可以达到每秒1000万次以上，因此晶体管数量越多，开关速率越快，CPU的运算速率就越快。
逻辑电路
当然这只是简要的描述了CPU的部分功能，CPU实在不仅仅有打算功能，同时还拥有其它的模块，这里就不详细先容，我们知道个中的紧张事理就可以了。
从晶圆到芯片知道了CPU中晶体管的浸染，那么我们就能明白芯片为什么要进行下面这些制作工艺了。CPU中的紧张部件便是上面所提到的这些晶体管的组合（紧张是mos管），以目前的工艺技能，在一块拇指大的单晶硅片上就能制成几十亿个晶体管，并且将所有的晶体管连接起来，组成集成电路，因此工艺非常繁芜。
下面便是关于在晶圆上制作出晶体管的工艺流程。
光刻蚀光刻蚀的目的便是将设计好的电路“雕刻”在硅片上，晶圆在光刻蚀之前，会对晶圆进行热处理，使表面形成一层氧化层（SiO2），然后再涂上一层薄薄的光刻胶，光刻胶有一个分外的性子，便是被紫外线照射之后，会从不溶于水变为可溶于水。首先工程师会将电路设计成一个模板，再利用紫外线照射照射模板，通过模板的紫外线光搜集在特定的位置，照射的区域便是电路的轨迹，再用水进行洗濯，被照射部分的光刻胶就被清理掉了。
涂上光刻胶
光刻过程——紫外线照射
被照射部分光刻胶被洗濯掉
光刻机
掺杂被洗濯掉的光刻胶之后，下面的二氧化硅层便暴露出来了，接下来会用溶液对二氧化硅层进行堕落，使下面的硅层暴露出来，暴露出来的硅层将会进行掺杂，根据不同的晶体管类型，选择掺杂什么样的杂质，形成P型或者N型半导体。
掺杂办法：离子注入法
离子注入法是将n型或p型掺杂剂的离子束在静电场中加速，注入p型或n型半导体表面区域，在表面形成与基体型号相反的半导体，从而形成P-N结。这些离子在电场中加速后得到的能量可以达到几十万电子伏特。之后经由离子注入之后的晶圆再进行处理，将剩下的光刻胶打磨打消掉。
离子注入
而经由强电场注入的杂质原子在硅中的构造并不规则，因此须要将注入离子的晶圆在一定条件下进行热处理，使杂质原子移动至硅原子的晶格上，霸占一个硅原子的位置，从而形成规则的P型构造或N型构造。
经由刻蚀之后的晶圆表面凹凸不平，反射的光芒经由干涉之后呈现五彩斑斓的颜色
掺杂的操作须要进行很多次，每次掺杂都须要经由涂上光刻胶、光刻、洗濯、堕落、离子注入、热处理这些过程。末了在晶圆表面利用气相沉积法沉积一层二氧化硅薄膜进行绝缘处理，之后再涂上光刻胶、光刻、洗濯、堕落，在绝缘层表面进行得到一个开孔，用于引出电极导线。
绝缘层上堕落开孔
电镀铜，制作电路上面这些过程基本已经形成了晶体管构造，接下来就要将这些成型的晶体管利用线路连接起来，而连接的线路便是铜。利用硫酸铜溶液电解在直流电下进行电解，从而在表面沉积形成一层铜。
由于全体表面都会被铜所覆盖，因此须要再打磨去掉多余的铜，从而在晶体管的三个电极上引出铜接口。
接下来就须要利用铜线将所有的晶体管进行连接，构建完全的电路，而电路的构建并不是一层构培养能够知足的，须要在晶体上方一层一层连接，构建每一层的电路都须要进行涂胶、光刻、镀铜、打磨这些工序，而芯片中这些线路的连接层数多达几十层。
构建电路
在显微镜下将芯片电路放大
晶圆切片、装片、封装经由上面的步骤，每个单独的芯片就制作好了，一块晶圆中就有几百个芯片单元，接下来须要对每一小块芯片进行测试，并将晶圆进行切割，分离各个芯片，将合格的芯片进行装片，并加上外壳进行封装。
芯片检测
晶圆切割
芯片封装
经由上面这些过程，一个完全的芯片就出身了。一个芯片从晶圆到封装，都须要经由上千道工艺，芯片的制造一定程度上反应了人类科技的最高水准，乃至有些人认为芯片就像是一个外来的产物，人类居然能够拥有如此高超的技能制造出这么繁芜的东西。那些曾经让芯片从无到有的科学家，他们的智力以及想象力令人折服。
总结上面对芯片进行了大幅度完全的先容，如果大略总结一下上面所先容的芯片制作工艺便是：
硅提纯、切割、制作晶圆→光刻、堕落、离子注入、构建电路→芯片测试、晶圆切割、装片封装→芯片出身。一颗沙子经由这样一个流程，摇身一变，代价乃至超过了黄金。但不得不说，一块芯片的研发，不仅花费的是高昂的本钱，更是无数科研职员心血。
现在的芯片无处不在，从手机到人工智能再到航空航天，每一项技能都离不开芯片的支撑，而制作芯片的光刻机更是节制着芯片家当的命脉，芯片正在改变着这个天下，在未来，我国在芯片技能上也一定能够有所打破。
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