芯片那些事

市场行情

这两天的市场情绪高涨，主要是大科技板块带动起来，特别是制作芯片所需要的半导体 、光刻胶等板块。在2018年4月份，美国商务部 宣布对中心通讯的制裁令开始，中国“芯”面临一场生死竞速，芯片技术，现代工业和信息社会的基石，是不容被“卡脖子”的关键技术，是国家安全的重大战略问题。接下来聊聊芯片到底是什么。
首先什么是半导体

通常把导电性能差的材料比如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体，把导电性能好的金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。半导体，顾名思义，导电性能介于绝缘体与导体之间的材料，比如硅、锗、砷化镓等，其中硅是应用最为广泛的半导体材料。
芯片首先的基础原材料是半导体材料，其中主流芯片的主要材料是硅。
其次，芯片的制作流程一般包括从原材料到单晶，单晶到晶圆，晶圆光刻，晶体管的制作，晶圆切割，封装芯片，这个过程不包括前期的芯片电路设计。

一、原材料到单晶
主流芯片的原材料是硅，日常中随处可见的沙子是富含二氧化硅的硅元素，首先对自然界的硅原材料进行多次提纯，通常的使用方法是，高温下整形，多步净化，然后采用旋转拉伸的方式得到晶柱体的单晶硅。

二、单晶硅到晶圆

单晶硅横向切割，就产生了许多个圆柱形的单个硅片，也就是我们说的晶圆。这些晶圆经过抛光，表面如镜子般平整洁净。晶圆是芯片的基础。我们把制作芯片比作建造房子，晶圆是芯片房子的地基。目前，主流的晶圆的直径为12英寸，一般晶圆的直径越大，制作难度越大

三、晶圆光刻
把设计好的芯片电路永久性地蚀刻在晶圆上，就需要光刻。光刻过程中需要使用光刻胶，是一种在光照后能具有抗腐蚀能力的高分子化合物。主流的光刻技术的基本原来与胶片曝光类似，利用光刻胶感光后形成的耐腐蚀性，光刻流程中，光刻胶层透过掩膜被曝光在紫外线之下，曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，使用化学物质溶解暴露出来的晶圆，剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。晶圆光刻过程中需要使用光刻机。

四、晶体管的制作

现在让我们进入纳米级别的微观世界，聚焦单个晶体管其他部件的制作过程。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。今天的晶体管非常小，一个针尖上就能放下大约数千万到上亿个。

1. 首先刻蚀
为了创建三门的晶体管，掩膜材料（深蓝色部分）被应用在光刻过程中，曝光后，大部分黏质的光刻胶使用溶解液溶解掉了。这时，掩膜留下的光刻胶图案就显现出来了（绿色长方体）

2. 然后形成临时电路门
使用光刻步骤，晶体管的部分被光刻胶覆盖，并且通过将晶圆插入充氧的管式炉中生产二氧化硅层薄片（红色），这就形成了临时的栅级电解质。再次使用光刻步骤，在表面创建了临时多晶硅层（黄色部分），这就是临时的栅点击。接着通过氧化步骤在整个晶片上形成二氧化层（红色透明层）以使该晶体管与其他元件绝缘。

3. 接着形成金属门电路
使用掩膜的方法将临时栅电极和栅极电解质被刻蚀掉，使用“原子层沉积”的方法将各个分子层（黄色部分）施加到晶片的表面。使用光刻步骤，将高K材料从不需要的区域刻蚀掉。在晶片上形成金属栅电极（蓝色部分），并使用光刻步骤去除栅电极以外的区域的材料。与传统的二氧化硅/多晶硅栅极相比，这种与高K材料（薄黄色层）的结合使晶体管性能很高，电流泄露更少。

4. 金属沉积
晶体管上方的绝缘层（红色）刻蚀了三个孔，这三个孔将填充铜或其他材料，之后这一晶体管将通过这些材料与其他晶体管链接。晶圆被放入硫酸铜溶液中，通过电镀将铜离子沉积到晶体管上。铜离子会沉积在晶圆的表面，形成薄薄的铜层。

5. 最后形成金属电路层
打磨掉多余的材料，至此，单个晶体管就已经基本完成。接着创建多层金属层，将多个晶体管连起来。具体的链接方式因不同的处理器而异。计算机 处理器表面看起来异常平滑。但实际则包含了20多层复杂的电路。在放大镜下才能看到错综复杂的电路和晶体管电路，就像是迷你的多层高速公路系统。

五、芯片切割

对最终得到的晶圆进行测试后，将晶圆切割成片，每一块就是处理器的内核

六、封装芯片

将衬底、晶片、散热片整合在一起，就形成了一个完整的处理器。封装的形式有多种，例如SOC封装技术，将原本不同功能的集成电路都整合在一块芯片中，不但缩小体积，还可以缩小不同电路之间的距离，提升芯片的计算速度。

附：芯片标准生产线的几大要素

芯片制造需要世界上最干净的房间，这也是芯片生产线投资巨大的原因之一。芯片制造必需的一些要素

1. 净化间。
由于芯片制造是及其精密的技术，即使是很小的污染源也有可能使产品制造失败，因此对于没中污染源都要进行特殊的控制以满足净化室的要求。工作人员在进入净化室前必须经过一系列的处理以提高清洁程度。
2. 超纯水。
超纯水可充当与杂志产生化学反应的介质。达到溶除污染物的目的。在微电子行业中，各种情绪多用的有机溶剂和酸等都不是最纯的，含有各种杂质，而超纯水的纯度最高，因此最后的一道清洗工序要用超纯水来完成。
3. 高纯气体。
从制备多晶硅到最终的退货工艺，集成电路的制造过程需要用到的气体有30多种，随着集成电路规模的扩大，气体中微量杂质造成的影响更加明显，往往会使成品率显著下降，因此非常有必要使用高纯气体
4. 超净高纯试剂
主要用于硅单晶片的清洗、光刻、腐蚀工序中，其纯度和洁净度对集成电路的成品率、电性能、可靠性都有着重要的影响。

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