芯片制造和設(shè)計比起來國產(chǎn)芯片更多被卡脖子的地方在于制造，具體一點(diǎn)就是制造過程中的一系列關(guān)鍵設(shè)備和材料，包括但不限于光刻機(jī)、光刻膠、薄膜沉積設(shè)備、離子注入機(jī)等等，這些基本被國外大廠壟斷的核心步驟，我會在以后的系列視頻里進(jìn)行詳細(xì)的講解，讓你明白芯片是怎么一步一步做出來的，順便也會分析一下國產(chǎn)芯片之路上到底還要邁過哪些坎。首先帶大家簡單梳理一遍，用沙子造芯片的基本流程，這里真的不是我標(biāo)題黨，拿英特爾的科普短視頻為例，目前主流芯片仍然是硅基芯片，硅和貴金屬不同是一種爛大街的元素，字面意義的爛大街在地殼中的含量高達(dá)26.3%，僅次于氧，而硅和氧一起就組成了自然界隨處可見的沙子，主要成分為二氧化硅。所以造芯片的第一步就是要把二氧化硅還原成硅錠，再經(jīng)過提純和直拉法取出一根長長的硅棒，然后對這根硅棒進(jìn)行切割研磨和拋光，片出一張張光盤一樣的硅片再送往晶圓廠，通過光刻和蝕刻雕刻出晶體管的物理結(jié)構(gòu)，并通過離子注入和覆膜等手段賦予其電特性，這樣數(shù)以億計的電子器件及其對應(yīng)的邏輯電路在這些不斷重復(fù)的工序中成型，成為一張晶圓上的數(shù)百枚芯片，之后將它們切割分離并進(jìn)行封裝測試，就完成了一個個芯片的制造。同時需要有真空貼膜機(jī)輔助生產(chǎn)。

首先用來制造芯片的沙子，不是工地上的那種河沙，而是硅含量更高的硅石，主要成分和沙子一樣是二氧化硅。芯片的前世一共要經(jīng)歷三生三世熔煉提拉，前前前世分別為硅石到規(guī)定規(guī)定的磨砂款硅棒，磨砂款到鏡面款硅棒。我們先說第一步規(guī)定的制作，這里要用到干鍋，也不是做牛蛙的那種干鍋，而是煉金用的干鍋又叫礦熱爐或者電弧電爐，通常直徑為12米，材質(zhì)為石墨，中間還有兩根三米長的石墨電極用來加熱石墨和鉆石一樣是碳的一種同素異形體，熔點(diǎn)高達(dá)3800攝氏度，膨脹系數(shù)卻很小，這就使得石墨坩堝成為了理想的烹飪不冶煉設(shè)備，在干鍋中放入約60噸左右的硅石，再加入約25噸的煤炭和木屑，在2000攝氏度的高溫作用下，二氧化硅逐漸融化，并與碳元素產(chǎn)生了神奇的化學(xué)反應(yīng)，還原反應(yīng)，這里的主反應(yīng)是二氧化硅與碳生成硅單質(zhì)與一氧化碳，刺激反應(yīng)則發(fā)生在爐內(nèi)，溫度較低的區(qū)域生成碳化硅，我會重復(fù)重復(fù)又重復(fù)的提起碳化硅，不過目前在主流硅基芯片的生產(chǎn)流程里，它就是個沒人要的渣渣硅，如果爐內(nèi)二氧化硅的含量過高，碳化硅就可以作為中間產(chǎn)物繼續(xù)轉(zhuǎn)化成硅和一氧化碳。冶煉出的硅液經(jīng)過冷凝就得到了相對純潔的規(guī)定，這就是純度約為98~99%的冶煉級工業(yè)硅，雖然仍含有少量的鐵和鋁等雜質(zhì)，它已經(jīng)是化工冶金和建筑等行業(yè)的重要材料，煉硅的成本有40%是電熱爐消耗的電力，所以相對便宜的電價也是我國產(chǎn)硅的有利條件。但對于半導(dǎo)體行業(yè)而言，99%的純度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以第二步就是工業(yè)硅的提純。

這一步業(yè)界主流的做法是借助氯化氫氣體進(jìn)行提純，具體操作是把硅錠粉碎成渣，在325度的高溫下，硅渣會有氯化氫反應(yīng)，生成氫氣和目標(biāo)產(chǎn)物的三氯硅烷。

這一步的主要雜質(zhì)包括三氯化鐵、三氯化鋁以及四氯化硅等氣體。利用這些氣體不同的沸點(diǎn)，我們可以通過冷凝器和蒸餾塔對溫度的控制，分離出沸點(diǎn)較低的三氯硅烷氣體，接下來則是要把高純度的三氯硅烷再還原成固態(tài)硅，做法是在1100攝氏度的高溫環(huán)境中通入氫氣，生成硅氯化氫和四氯化硅，在這個溫度下只有硅是固態(tài)，所以在反應(yīng)爐中會看到黑色的硅慢慢生長出來，大約一周的時間能積累250公斤左右的硅棒，硅含量可以高達(dá)99.9%，別數(shù)了一共11個9。不過此時的硅棒還是磨砂款的表面坑坑洼洼，就是因為這一步制造出來的是多晶硅，指的是其晶體框架結(jié)構(gòu)不均勻，整體是由眾多不規(guī)則的小晶體構(gòu)成的。這個階段生產(chǎn)的多晶硅可以用于光伏行業(yè)，比如制作太陽能組件和電池板，我國2019年我國多晶硅產(chǎn)能占比高達(dá)69.2%，總之到多晶硅這一步，我們不僅沒有被卡脖子，而且又優(yōu)勢很大。不過芯片更多需要的是晶格均勻連續(xù)電學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的單晶硅，所以第三步要把磨砂款的多晶硅棒變成鏡面款單晶硅。這一步業(yè)內(nèi)主流的制法是采用柴可拉斯基法，因為1918年誕生于波蘭化學(xué)家楊柴可拉斯基之手而得名，又稱直拉法或者提拉法，顧名思義就是在溶液中拉出一根棒子，具體做法是在石英材質(zhì)的坩堝中加熱，融化上一步獲得的高純度多晶硅，石英的熔點(diǎn)約1700攝氏度，硅的熔點(diǎn)約1400攝氏度，這里一般溫度控制在略高于硅的熔點(diǎn)，然后將一小條晶種也就是一條細(xì)小的單晶硅作為種子進(jìn)入硅溶液，再緩慢的向上旋轉(zhuǎn)提拉被拉出的硅溶液，因為溫度梯度下降會凝固成固態(tài)硅，從視覺上看就是細(xì)牙簽進(jìn)去大棒子出來，而拉出來大棒的粗細(xì)和質(zhì)量取決于工作溫度、旋轉(zhuǎn)速度和提拉速度。這里提醒大家注意一個細(xì)節(jié)，在傳統(tǒng)工藝?yán)锎蟀繇敹送幸欢沃睆綆缀撩椎牟弊印?/span>

就是因為在晶種剛接觸溶液時會因為熱沖擊使晶體發(fā)生高頻次的滑移位錯，導(dǎo)致開始的一段容易出現(xiàn)大量晶體缺陷，所以在剛開始時先用高速提拉拉出一段10厘米左右的脖子，讓萎縮現(xiàn)象趨緩，直至完全消失之后再降低速度，開始拉大直徑的硅棒，此時凝固的硅棒就和晶種一樣是光滑的單晶硅。

但錫箔子的存在就限制了單根硅棒的重量，如果拉一半斷掉就尷尬了。所以直徑8英寸的硅棒一般拉6米長12英寸的大棒一般就拉1米5，除了提拉法其他制作單晶硅的方法，還有一些比如福袋法又叫區(qū)域熔煉法，是在多晶硅棒上套上一個環(huán)形加熱器，創(chuàng)造一個狹窄且可以平行移動的熔融區(qū)域，相當(dāng)于將硅棒分段熔融再凝固，利用固相和液相的雜質(zhì)差，實現(xiàn)單晶硅的精煉和純化。這種做法因為不使用干鍋，就可以避免提拉法中因為容器帶去的雜質(zhì)成分，不過提拉法也有自己的好處，比如可以在干鍋的溶液里直接摻雜，也就是加入硼磷等材料，生產(chǎn)出與純硅電學(xué)性質(zhì)不同的雜質(zhì)，半導(dǎo)體摻雜是芯片生產(chǎn)中一道重要的工序，以后我會詳細(xì)講解?，F(xiàn)在我們就完成了第三步，從多晶硅棒精煉成了單晶硅棒，將其切成薄片，就是制作芯片的原材料，生產(chǎn)晶圓的硅片，所以這一步拉出來的硅棒會決定晶圓的尺寸，你想做8英寸的晶圓就得拉得細(xì)一點(diǎn)，你想要12英寸的晶圓就得拉粗一點(diǎn)硅棒，直徑和提拉速度之間的關(guān)系，可以利用溶液硅棒與輻射熱量三者之間的熱平衡進(jìn)行估算。以12英寸的晶圓尺寸為例，1米5的硅棒需要拉8小時左右，理論上直徑當(dāng)然是越粗越好，因為單個晶圓面積越大，造出的芯片就越多，分?jǐn)傁聛淼某杀揪驮降?，但同時工藝難度和設(shè)備費(fèi)用也會直線上升，比如1座8英寸的晶圓廠要花16億美元，而12英寸的廠子則需要30~40億美元，不得不感嘆做芯片是真的燒錢?？偨Y(jié)一下，現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了從沙子里取出一根硅棒，接下來要切成硅片，準(zhǔn)備開始芯片的前端生產(chǎn)。當(dāng)然切片本身就沒那么簡單，要經(jīng)歷滾磨、倒角精研、背面粗糙、化學(xué)機(jī)械拋光等等一系列操作，這些步驟的技術(shù)門檻逐漸升高，對精細(xì)加工的要求逐漸變態(tài)，也正是從這一階段開始，我國的產(chǎn)能占比和自主化程度下降，芯片的國產(chǎn)之路也將迎來被卡脖子的環(huán)節(jié)。

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