芯片在我們生活中有多重要呢？小到無線耳機、智能手機，大到汽車火車、飛機輪船，再到冰箱、電視、洗衣機等等都離不開芯片。
可以說，芯片已經是我們生活中不可或缺的電子元器件了。但是你能想想這么一款精密器件，它居然是由沙子制成的嗎？
芯片是由單質硅制成的，但自然界中并沒有天然的單質硅，大都以硅的氧化物（二氧化硅、SiO2）形態存在，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們日常在海灘、河道、建筑工地等所見的那種，因為這種沙子含有紅色、黃色、橙色的雜質，提純難度更大。
芯片使用的沙子叫硅砂，這種沙子幾乎沒有其他的雜質，就是純凈的二氧化硅。那么如何把二氧化硅變成單質硅呢？
工業上經常用碳在高溫下還原二氧化硅，然后制得含有少量雜質的粗貴。
化學式：SiO2+2C==高溫==Si+2CO↑
我們將二氧化硅和碳充分混合，然后放入電弧爐中，加熱到2000℃以上，在高溫下，碳會與二氧化硅發生反應，爐膛底部會留下單質硅，而CO變為氣體排出。
之后再用氧氣對硅進行處理，把鈣、鋁等雜質去除，得到純度為99%的單質硅。這個純度遠達不到制造芯片的標準。
為了進一步提純單質硅，我們需要將其研磨成粉狀，然后加入氯化氫，放入流化床反應器中，加熱到300℃讓其充分反應，生成三氯硅烷，同時去除鐵、硼、磷等雜質。
三氯硅烷繼續加熱到1000℃，然后與氫氣反應，最終形成純度為99.999999%的單質硅，這個級別的硅就可以用來制造芯片了。
但此時的單質硅只能算多晶硅，由數量眾多的小晶體或者微晶構成，這些小晶體之間的連接處有晶界，晶界會導致電子信號混亂，因此必須更改硅的結構，使其變成單晶硅。
多晶硅變單晶硅的過程叫做直拉單晶技術，又稱長晶。它的工藝流程為：熔化一→縮頸生長一→放肩生長一→等徑生長一→尾部生長。
熔化：簡單來說就是將多晶硅加入石英鍋內，加熱到熔點以上（1420℃），整個工程不能接觸空氣，因此長晶爐一般都是抽成真空，然后加入氬氣。
縮頸生長：將微小的晶粒放入熔化的硅熔體中，因為溫度差導致接觸面產生熱應力，形成位錯，此時快速提升，使長出的籽晶直徑減小到46mm左右。
而放肩生長就是將晶體的直徑放大至所需的尺寸，該過程需要注意降溫、減小拉速。
等徑生產，就是保持晶體直徑不變，持續拉長的過程。
尾部生長與放肩生長過程相反，當直徑縮小至一個點時，晶棒就會與硅熔體分離。整個長晶過程結束。多晶硅也就變成了單晶硅棒，也就是我們常說的硅錠。
目前硅錠的直徑大都為150mm、300mm、450mm三種，用于制造8英寸、12英寸的晶圓。
硅晶棒是無法直接進行刻蝕的，它需要經過切斷、滾磨、切片、倒角、拋光、激光刻等程序后，才能成為芯片制造的基本材料——“晶圓”。
晶圓的切片方法有傳統的機械切割（劃片）和激光切割（切片）。
機械切割是直接將鉆石鋸片作用在晶圓表面，產生應力，使其分割。切割寬度一般為25－35μm之間，速度為8－10mm／s，切割慢，不同規格需要不同的刀具。
此外，機械切割容易造成晶圓崩邊、破損等現象。
而旋轉砂輪式切割雖然可以降低晶圓破損，但需要去離子水冷卻，又導致成本較高。于是發明了新型激光切割。
激光切割不會產生機械應力，大大地保證了晶圓的質量。
此外激光的精確度更高，可以達到亞微米級別，非常適合精密加工，在強大的脈沖能量下，硅材料直接汽化產生均勻的溝道，實現切割。
激光切割速度更快，且不需要冷卻水，更不會出現磨損刀具的問題，可以24小時不間斷作業。
激光對晶圓有更好的兼容性和通用性。
切割后的晶圓再通過氧化、化學氣相沉積等方法進行鍍膜，使表面形成一層SiO2薄膜，并在SiO2薄膜中進行N型、P型摻雜。
是不是很多網友認為晶圓就像一張DVD光盤，其實并非如此，晶圓不是標準的圓形，一般都會切出一個邊，當作類似三角形的“底”，成為“有底的圓”。
芯片制造是最復雜的工藝，僅僅簡單地走一遍流程就需要20多道，而真正的要制造一款手機芯片，需要幾百道，甚至是幾千道工序。
這里只講一講主要的工序。
芯片制造的主要流程為：清洗、預烘、涂膠、前烘、對準、曝光、顯影、豎膜、刻蝕、去膠。
1、清洗
清洗的目的就是去除金屬離子，確保晶圓無污染、無針孔、無缺陷。具體步驟如下：
1、使用強氧化劑清洗液，使晶圓表面的金屬離子溶解在清洗液中；
2、用H+去除殘留在晶圓表面的金屬離子；
3、用去離子水清洗晶圓，徹底排除清洗液。
2、預烘
晶圓清洗完畢后，要進行烘干，確保無殘留的清洗液，更有利于底膠的涂覆，并把晶圓溫度保持在80℃左右。
3、涂底膠
為了增強光刻膠與晶圓的粘附性，需要涂一層底膠，底膠涂覆的時候需要環境溫度保持在100℃左右。
4、光刻膠涂覆
光刻膠是感光樹脂、增感劑和溶劑組成的混合液體，被紫外光、電子束、X射線照射后，溶解度會發生變化。
方法：晶圓在1000℃的高溫中進行氧化，然后用涂膠機將光刻膠均勻地涂在晶圓表面。
5、前烘
前烘的目的是將光刻膠的溶劑蒸發掉，使光刻膠均勻地粘附在晶圓表面，而且烘干后的光刻膠涂層更薄。
6、對準
對準操作時，對精度要求極高，這絕對是對技術和設備的重大考驗。
要求對準精度為最細的線寬1/10左右，同時精度隨著芯片的制程變化。例如：5nm工藝的芯片對準精度就達到了1nm。
7、曝光
曝光就類似于照相機按快門，當紫外光對涂有光刻膠的晶圓照射時，光刻膠就發生了化學反應。
正膠曝光部分在顯影液中被溶解，沒有曝光的膠層留下；負膠的曝光部分在顯影液中不溶解，而沒有曝光的膠層卻被溶解掉。
8、顯影
被曝光后的晶圓放入顯影液中，感光區的光刻膠就會溶解，這一步完成后，晶圓上的電路圖就顯現出來了。
9、豎模
顯影工序后，形成了無光刻膠的顯性圖形和有光刻膠的隱性圖形，這個圖形組合可以作為下一步的模版。
10、刻蝕
刻蝕可以選擇性地移除晶圓上的特定部分，并對邊緣輪廓修整或表面清潔等。刻蝕工藝主要有兩大類：濕法刻蝕和干法刻蝕。
刻蝕對于器件的電學性能十分重要。如果刻蝕過程中出現失誤，將造成難以恢復的硅片報廢。
11、去膠
以上工藝全部結束后，要把光刻膠去除，采用等離子、特殊溶劑、等方法。
這僅僅是一次操作，實際上制造芯片時，需要不斷地重復以上操作。每加入一個層級就要進行一次光刻，最終形成一個多層的立體結構型的芯片。
為了防止芯片的刮損，同時更方面的與其它元器件連接，還要對芯片進行封裝。
手機芯片制造完成后，只有指甲蓋大小，并且非常薄，稍有不慎就會刮傷損壞，導致前面做的一系列工作化為烏有。
而芯片封裝就是給芯片安裝一個外殼，可以有效地固定、保護、密封、連接芯片。
芯片封裝后的金屬接腳簡直就是與外界溝通的橋梁，這些橋梁將芯片與電路板有效的連接起來，讓芯片更安全、高效的發揮作用。
封裝流程主要有：劃片、裝片、鍵合、塑封、去飛邊、電鍍、打印、切筋成型。
常見的封裝方式有兩種： DIP 封裝、 BGA 封裝
DIP 封裝：
DIP封裝即雙排直立式封裝，采用此封裝的 IC 芯片在雙排腳下，看起來會像條黑色蜈蚣，讓人印象深刻，此封裝法為最早采用的 IC 封裝技術。
優點：成本低廉、適合小型且不需要接太多線的芯片。
缺點：散熱效果較差，無法滿足現行高速芯片的要求。
BGA 封裝：
以金線將芯片接到金屬接腳，
優點：體積小、容納更多的接腳；
缺點：工藝復雜、成本較高。
封裝完成后，再進行功能、電氣、安全、環境、機械等方面的測試，就大功告成了。
沙子變為高端芯片是一個極其復雜而精密的過程，目前沒有任何一個國家可以單獨完成這項任務。
這項過程不僅需要大量的專業技術，也需要很多精密的設備，和性能不同的化學試劑。這對每個國家都是考驗。
我國在該領域起步晚，底子薄，但發展速度非常快，相信假以時日，在科研人員的努力下定能獨立打造出高端芯片。
我是科技銘程，歡迎共同討論！
