地球的科技之巅——芯片

芯片，即集成电路，通常称为IC（Integrated Circuit），是指在硅等半导体材料的单晶或芯片表面扩散或植入电子电路和电子元器件的微观阵列

它之所以被称为集成电路，是因为它的元件、电路和基础材料都是由一块硅制成的，或者说是集成在一起的，而分立电路则不同，它的元件是由不同的材料分别制成的，然后再进行组装，此外，集成电路的复杂程度从简单的逻辑模块和放大器到包含数百万个元件的完整微型计算机不等

毫无疑问，集成电路对我们生活的影响是巨大的，它已经成为几乎所有电子设备的主要部件，与之前的真空管和晶体管相比，集成电路的优势主要体现在低成本、高可靠性、低功耗和高处理速度上
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(2)

真空管和晶体管与集成电路

除了我们现在的电子消费品，集成电路还可以应用在机床、车辆操作系统等设备中的控制器，以及其他以前使用液压、气动或机械控制的应用

第一批集成电路诞生于20世纪50年代末，为了响应军方对用于导弹控制系统的小型化电子产品的需求而诞生的，当时，晶体管和印刷电路板是最先进的电子技术
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(3)

常见的印刷电路板，即PCB

虽然晶体管使许多新的电子应用成为可能，但工程师们仍然无法制造出足够小的封装，以满足复杂的控制系统和手持式可编程计算器等复杂设备所需的大量元件和电路

1959年集成电路发明后，在几年时间里，可以集成到一个芯片中的元件和电路的数量每年都会翻一番，第一批集成电路最多只包含十几个元件，产生这些早期集成电路的过程被称为小规模集成（SSI）

到20世纪60年代中期，中型集成电路（MSI）已经生产出数百个组件的集成电路，随后是大规模集成技术（LSI），该技术已经可以生产具有数千个组件的集成电路，这也使第一台微型计算机成为可能
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(4)

第一批在商业上大获成功的8位家用计算机，分别是Commodore PET 2001，Apple II和TRS-80 Model 1

1969年，英特尔公司开发出第一块微型计算机芯片，我们通常称之为微处理器（microprocessor），并于1971年投入商业生产，它就是大名鼎鼎的Intel 4004
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(5)

Intel 4004

接着，英特尔在1979年推出了他们的8088芯片，紧随其后的是英特尔80286、80386和80486，而在20世纪80年代末和90年代初，286、386和486也开始为计算机用户所熟知，因为它们反映了当时计算能力和速度的不断提高

在集成电路中，电阻、电容、二极管和晶体管等电子元件直接形成在硅晶体的表面，在了解制造集成电路的过程之前，我们先了解下这些电子元器件是如何形成的一些基础知识

集成电路一探究竟

在第一个集成电路被开发出来之前，人们就知道普通的电子元件可以用硅来制造，但问题是如何用同一块硅制造它们和连接电路？
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(6)

多晶硅

解决的办法是通过添加其他化学物质（dopants，称为掺杂剂）来改变硅晶体表面微小区域的化学成分，一些掺杂剂与硅结合，产生掺杂剂原子可以放弃一个电子的区域，这些区域称为N个区域，其他掺杂剂与硅结合，产生掺杂剂原子有空间吸收一个电子的区域，这些区域称为P区域
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(7)

当P区与N区接触时，它们之间的边界被称为PN结，这个边界只有0.0001厘米宽，但对集成电路元件的运行至关重要

在PN结内，两个区域的原子以形成第三个区域（称为耗尽区）的方式键合，其中P掺杂剂原子捕获了所有N掺杂剂多余的电子，从而使它们耗尽
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(8)

耗尽区

由此产生的现象之一是，施加在P区域的正电压可以使电流通过结流入N区域，但施加在N区域的类似正电压将导致很少或没有电流通过结流回P区域，PN结的这种根据施加电压的哪一面进行导电或绝缘的能力，可以用来形成集成电路元件，以与二极管和晶体管相同的方式引导和控制电流流动
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(9)

示意图

例如，一个二极管就是一个简单的PN结，通过改变掺杂物的数量和类型，改变P区和N区的形状和相对位置，也可以形成模拟电阻和电容器功能的集成电路元件

集成电路的材料选择

纯硅是大多数集成电路的基础，它为整个芯片提供了基底，并通过化学掺杂来提供构成集成电路元件的N和P区域，而需要的硅的纯度必须达到每100亿个原子中只有一个是杂质，这就相当于十桶沙子里只允许有一粒糖，另外二氧化硅会被用作集成电路电容器中的绝缘体和介电材料

在其他材料的使用上，典型的N型掺杂剂包括磷和砷，而硼和镓则是典型的P型掺杂物，铝通常用作各种集成电路元件之间的连接器

从集成电路芯片到其安装封装的细线引线可以是铝或金，而安装封装本身可能由陶瓷或塑料材料制成
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(10)

封装的细线引线可以是铝

生产制造时，数以百计的集成电路同时在一片薄薄的硅片上制造，然后被分割成独立的集成电路芯片，制造过程在严格控制的无尘室环境中进行，空气也是经过过滤以去除外来颗粒，接下来，大致为大家科普下芯片的制造

沙子变形记

硅晶圆的生产

晶棒的生产采用的是丘克拉斯基法，具体就是将块状的高纯度多晶硅置于石英坩埚内，加热到其熔点1420℃以上，使其完全融化，待硅熔浆的温度稳定后，将晶种慢慢插入，然后往上提升使直径缩小到一定尺寸，维持此直径并拉长100-200mm以消除晶种内的晶粒排列取向差异
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(11)

加热并融化多晶硅

颈部成长完成后，慢慢降低提升速度和温度，使颈部逐渐加大到所需尺寸（现在常用的硅晶圆尺寸是8英寸和12英寸），之后不断调整提升速度和熔炼温度，维持固定的晶棒直径，直到长度达到预定值，形成一个圆柱形的纯硅棒
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(12)

纯硅棒

接着用切片机将晶棒切割成每片约0.004至0.01厘米厚的薄片，并对其抛光，之后在晶圆的表面涂上一层二氧化硅，以形成绝缘基底，并防止硅的任何氧化而产生杂质
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(15)

金涂层硅晶片基板

二氧化硅的形成是通过在几个大气压下将晶片置于约1000°C的过热蒸汽中，使水蒸气中的氧与硅反应，而控制温度和暴露时间的长短可以控制二氧化硅层的厚度

光刻

复杂的、相互连接的电路和元件设计是在类似于制造印刷电路板的过程中准备的，然而，对于集成电路来说，其尺寸要小得多，并且有许多层相互叠加在一起

每层的设计都是在计算机上用软件完成，之后图像被制作成掩模，图像被制作成一个掩模，掩模将被光学还原并传输到晶圆表面，掩模在某些区域是不透明的，而在其他区域则是透明的，它具有要在晶圆上形成的几百个集成电路的所有图像
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(16)

光掩模图源Wikipedia

然后在硅片的中心放置光刻胶材料并快速旋转硅片，使光刻胶分布在整个表面上，接着烘烤光刻胶以除去溶剂，此时，再将涂覆好光刻胶的晶圆放置在第一层掩膜下，用光照射，由于电路和元器件之间的空间非常小，所以常使用波长非常短的紫外光来挤压掩膜上的微小透明区域，另外电子束或X射线有时也用来照射光刻胶
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(17)

图源Wikipedia

除去掩模后，部分光刻胶被溶解，如果使用正性光刻胶，那么被照射的区域将被溶解，如果使用负性光刻胶，那么被照射的区域将保持不变，然后对未覆盖的区域进行化学蚀刻，以打开一层，或者对其进行化学掺杂以形成一层P或N区域

掺杂-原子扩散

添加掺杂剂以形成P或N区域层的一种方法是原子扩散，在这种方法中，一批晶圆被放置在由石英管和加热元件组成的烤箱中，将晶圆被加热到集成电路的工作温度约816-1205°C后，在惰性气体中携带掺杂剂化学品
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(18)

当掺杂剂和气体通过晶圆时，掺杂剂会被沉积在光刻工艺留下的暴露在热表面上，这种方法对于掺杂相对较大的区域很好，但对于较小的区域则不准确，随着连续层的增加，重复使用高温也存在一些问题

掺杂离子注入

第二种添加掺杂剂的方法是离子注入，在这种方法中，掺杂气体，如磷化氢或三氯化硼，被电离以提供在晶圆特定区域发射的高能掺杂离子束，离子穿透晶圆并保持植入状态，此外可以通过改变束流能量可以控制穿透深度，通过改变束流和曝光时间可以控制掺杂量

连续分层

根据所使用的掺杂过程，对每个连续层重复光刻、蚀刻或掺杂的过程，直到所有集成电路芯片完成为止，有时一层二氧化硅被放置下来，以在层或组件之间提供绝缘体

这是通过一种称为化学气相沉积（chemical vapor deposition）的工艺来完成的，在这种工艺中，晶圆的表面被加热到约400°C，气体硅烷和氧气之间的反应沉积了一层二氧化硅，最后的二氧化硅层密封了表面，最后的蚀刻打开了接触点，并沉积了一层铝来制造接触垫，此时，再来测试单个集成电路的电气功能
沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(19)

化学气相沉积示意图

晶圆切片

薄薄的晶圆就像一块玻璃，数百个单独的芯片是通过用精细的钻石切割器划出一条交叉线，然后将晶片置于压力下，使得每个芯片分开的方式来分离的

那些没有通过电气测试的不良产品会被丢弃，同时显微镜下的检查显示，分离过程中损坏的部分也会被丢弃，最终，完成封装的集成电路被密封在防静电塑料袋中，以便储存或运给最终用户
精彩推荐：

漫画科普：芯片是如何设计出来的

芯片是这么诞生的：一颗沙子的艺术之旅

你见过都是沙子的18650电池吗？

半导体行业有几种运作模式？投资为什么这么高？
上拉电阻为什么能上拉？看完恍然大悟

为什么要设计保护电路，常用的保护器件有哪些？
菜鸟VS老鸟：硬件工程师面对同一问题的不同做法

单片机电路设计中的10个难点

沙子的逆袭：从二氧化硅到芯片插图(20)