沙子如何变成“数字黄金”？揭秘芯片的诞生之旅

图文简介： 本内容系统解析半导体芯片的完整制造流程，涵盖五大核心工艺环节,将普通沙料转化为支撑数字时代的核心器件，展现了人类对物质世界的极致掌控能力。（出品：科普中国创作培育计划）

将普通的沙子变成被誉为“数字黄金”的芯片，堪称是一段跨越地质学、化学、物理学和精密工程的史诗级旅程。

它不仅体现了现代工业的高度发达，更是人类对物质世界认知与改造能力的最佳证明。那么，这个转变过程究竟经历了怎样的奥秘？让我们一起走进实验室和工厂，揭开“数字黄金”的神秘面纱。

硅元素（本图片由图虫创意提供，仅供于科普中国平台使用）

第一步：变沙为硅

沙子的主要成分是二氧化硅（SiO₂），但芯片需要的是纯度极高的单晶硅。所以要将二氧化硅与碳在高达2000℃的电弧炉中进行碳热还原反应，得到冶金级硅，但其纯度大约只有98%。

接下来将冶金级硅粉碎后进行“沸腾氯化”，得到三氯硅烷，再经过分馏和化学气相沉积，即可得到杂质浓度低于十亿分之一的电子级多晶硅，纯度高达99.9999999%～99.999999999%（也就是9个9至11个9之间）。

碳热还原反应

第二步：拉晶成棒

这一步将“多晶硅”拉成原子排列完全一致的“单晶硅”。先加热至1500℃将多晶硅熔化，再将一根直径0.5厘米、长约10厘米的籽晶浸入熔融的硅中，接触到籽晶的熔融态的硅冷却结晶，随着籽晶缓慢地向上提拉，熔融的硅会以籽晶的晶体结构为模板冷却结晶，仿佛像是一根不断生长的“圆柱形单晶硅棒”。

单晶炉

拉单晶工艺

目前硅棒的主流尺寸为8英寸和12英寸，对应直径为200mm和300mm。

第三步：切片得晶圆

将硅棒整形后，将其切割成厚度不足1毫米的晶圆，再经过抛光，将其表面打磨得像镜面一样光滑。

内圆切割机

抛光

第四步：按图巧施工

根据不同的功能需求，工程师设计出复杂的集成电路版图，在单晶硅晶圆上，按照图纸进行“纳米级”的超精密加工，通过氧化、沉积、光刻、刻蚀、离子注入、镀铜等工艺过程的数百次循环使用，层层堆叠，构建出复杂的三维结构，在1平方毫米（也就是比芝麻粒还小的范围内）集成几亿个晶体管。

热氧化设备（卧式炉）

光刻

第五步：封装成芯片

每片晶圆可以容纳几百个芯片，工程师要用精密探头测试每个芯片的电学特性，用钻石锯将合格的芯片裸片切割下来，用极细的金线或铜线将芯片上的触点连接到基板的引脚上，最后用环氧树脂或陶瓷外壳将其密封保护起来，我们就得到了一颗颗的芯片。

封装芯片

从一粒沙子到一颗芯片的蜕变之旅，不仅展现了自然界材料的无限潜力，更彰显了人类智慧与技术进步的伟大成就。在这条复杂的制造链条中，每一个步骤都凝聚着科学家、工程师的辛勤汗水和不懈努力。今天，这些凝结着人类心血的“数字黄金”已经渗透到我们生活的方方面面，推动着社会的进步与发展。而未来，随着科技的不断突破，芯片的功能与性能将继续提升，为人类创造更多的奇迹。这颗小小的芯片，正是人类智慧与自然力量碰撞出的璀璨明珠。

主讲人 万冬

北京信息职业技术学院集成电路/电子信息学院副院长

来源: 科普中国