本文将簡單分享，芯片在制造環節的過程。以後還會出一期講解芯片是如何設計的，各類型芯片的區别的分享，敬請留意。

本文講解的芯片指的是：矽基芯片。

大概的流程：矽石/二氧化矽（SiO₂）→矽錠（Silicon，工業冶煉級 ）→矽棒（ Slicon rod 多晶矽棒（光伏級）→芯片級單晶矽棒）→矽片→晶圓（Wafer）（ Silicon wafer）→芯片

更詳細的工藝參考如圖

備注：未切割的單晶矽材料是一種薄型圓片叫晶圓片，是半導體行業的原材料，割後叫矽片，通過對矽片進行光刻、離子注入等手段，可以制成各種半導體器件

第一步：找品質比較好的矽石（二氧化矽含量比較多的一種礦）

矽石礦

建築用的沙子，主要含量也是二氧化矽，但是矽石的含量要更高。

第二步：在矽石中提煉相對高純度的冶煉級工業矽錠（Silicon）

在石墨礦熱爐（石墨電弧電爐）裡面，按比例放上矽石、木屑、煤炭等材料，加熱至2000度左右，通過還原反應，提取濃度為98%-99%的冶煉級工業矽。

備注：石墨的熔點為3850±50℃,沸點為4250℃，即使經超高電弧灼燒,重量的損失很小,熱膨脹系數也很小，是目前最理想的冶煉矽石的設備；

石墨礦熱爐提取矽

碳化矽（SiC）是未來第三代半導體中功率元器件的主要材料，未來可期

純度98-99%的矽錠

第三步：在冶煉級工業矽錠中一步一步提純變成芯片級矽棒

西門子法

使用西門子法（1955年發明），把工業矽錠變成多晶矽矽棒

1、把工業級矽錠粉碎成矽粉

2、在325℃高溫下，注入氯化氫（HCl），325℃下，矽粉中的矽和氯化氫發生化學反應：Si 3HCI→H₂ SiHCl3，另外矽粉中可能摻雜的鋁、鐵，這些也會和氯化氫發生化學反應，最終裝置裡面會有沸點不同的氣體：32℃的SiHCl3、315℃的FeCI3、180℃的AlCl3、57℃的SiI4等氣體

3、利用裝置中的冷凝器和蒸餾塔，把SiHCl3提取出來

4、在1100℃溫度下，往SiHCl3，注入氫氣，讓其發生化學反應

2H₂ 4SiHCl3→3Si 8HCI 4SiCl4

這個溫度狀态下，矽會呈現黑色的固态，會給人有慢慢“生長”的過程視覺

多晶矽矽棒

此刻的“矽棒”，含矽量在99.9999%，6個9适合光伏産業（太陽能闆等）

使用“柴可拉斯基法”，又叫直拉法/提拉法,英文名：Czochralski process，波蘭科學家，于1916年研究金屬的結晶速率時，發明了這種方法。把多晶矽棒，提取成質地均勻、性能穩定的單矽晶矽棒。

柴可拉斯基法

在石英工業坩埚（石英的熔點為1750℃）裡面，放入多晶矽，将溫度加熱到稍微大于矽的熔點（1410℃），形成液體矽。先用一根細長單晶矽作為引點，進入液體矽，按照一定的旋轉速度、提拉速度等進行提拉，矽被拉出來後逐步冷凝後形成單晶矽矽棒（12英寸拉1.5米，兩頭呈錐形，重一般在270公斤-300公斤左右，8英寸一般在6米）

12英寸國産單晶矽棒

畫黑闆：單晶矽矽棒直徑越大，切出來的矽片包括後面的晶圓最大，單片上生産的芯片越多，單個芯片的成本越低

第四步：芯片級單晶矽棒切成薄片→芯片級矽片→芯片級晶圓（純度為：99.999999999%，也就是11個9，芯片級晶圓是我國芯片制造中卡脖子的開始）

從毛坯房到精裝房：矽片→晶圓，晶圓是精加工後的矽片

過程需要經曆：滾磨→激光标識→切片→倒角→磨片→腐蝕→背損傷→邊緣鏡面抛光→預熱清洗→抵抗穩定，退火→背封→粘片→抛光→檢查前清洗→外觀檢查→金屬清洗→擦片→激光檢查→包裝（裡面充滿氮氣）

全球芯片級單晶矽片主要被以下五個公司壟斷（90% ）：以2020年為例子。2020年，全球前五大矽片廠商分别為：日本信越化學，市占27.53%；日本勝高，市占21.51%；環球晶圓，市占14.8%；德國世創，市占11.46%；韓國鮮京矽特隆，市占11.31%。值得一提的是，在環球晶圓完成對世創的收購後，一躍成為僅次于信越化學的全球第二大半導體矽片廠商。目前全球芯片級矽片産業大概是120億美金的市場（2020年），屬于高投入，高技術，相對低利潤率的産業，國内的廠家主要是：中環股份、杭州立昂微、上海矽産業集團。

芯片級矽片産業鍊的設備目前基本為日本企業的精密制造的企業和少數歐美的企業壟斷，比如單晶爐、切割機、倒角機……

請注意：這裡說的矽片指的是是芯片級的矽片

矽片

晶圓領域：

從6英寸到8英寸隻花了大約6年時間，而從8英寸到12英寸則用去了近10年時間，18英寸晶圓一直仍在路上；8英寸≈200mm；12英寸≈300mm

8英寸，主要運用于90nm以上制程的芯片，如部分汽車芯片，宇航級芯片，軍用芯片；12英寸則主要運用于45nm及以上的先進制程的芯片：智能終端為主。

第五步：晶圓→芯片

首先要準備：制作光刻掩膜版（Mask Reticle）光刻掩膜版：（又稱光罩，簡稱掩膜版），是微納加工技術常用的光刻工藝所使用的圖形母版。由不透明的遮光薄膜在透明基闆上形成掩膜圖形結構，再通過曝光過程将圖形信息轉移到産品基片上。

作用：芯片設計師将CPU的功能、結構設計圖繪制完畢之後，就可将這張包含了CPU功能模塊、電路系統等物理結構的“地圖”繪制在“印刷母闆”上，供批量生産了。這一步驟就是制作光刻掩膜版。

然後開始對晶圓進入光刻階段了（卡脖子主要是在光刻機、光刻膠）

1、準備晶圓覆膜（氧化）：将準備好的晶圓扔進光刻機光刻之前，一般通過高溫加熱方式使其表面産生氧化膜，如使用二氧化矽（覆化）作為光導纖維，便于後續的光刻流程：

2、往晶圓上塗上光刻膠

“光刻膠(英語:photoresist),亦稱為光阻或光阻劑,是指通過紫外光、深紫外光、電子束、離子束、X射線等光照或輻射,其溶解度發生變化的耐蝕刻薄膜材料,是光刻工藝中的關鍵材料,主要應用于集成電路和半導體分立器件的細微圖形加工。”

3、光刻機光刻

光刻機将紫外（或極紫外）光通過鏡片，照在前面準備好的集成電路掩膜版上，将設計師繪制好的“電路圖”曝光（光刻）在晶圓上

芯片光刻

4、先溶解光刻膠，光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除後留下的圖案和掩模上的一緻再進行蝕刻

5、蝕刻

照射到的光阻需要用顯影液祛除

光刻機照射到部分的光阻（光刻膠）會發生相應變化，一般使用顯影液将曝光部分祛除

被光阻（光刻膠）覆蓋部分以外的氧化膜，則需要通過與氣體反應祛除

6、離子注入：在真空中，用經過加速的原子、離子照射（注入）固體材料，使被注入的區域形成特殊的注入層，改變區域的矽的導電性

7、電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，将銅離子沉澱到晶體管上。銅離子會從正極(陽極)走向負極(陰極)。

8、抛光：将多餘的銅抛光掉，也就是磨光晶圓表面

9、在完成一層光刻流程之後，把這一階段制作好的晶圓用絕緣膜覆蓋，然後重新塗上光阻（光刻膠），繼續開始新一層的光刻……越是先進制程的芯片，層數越多，有的超過30層。

最後制造出布滿芯片的晶圓

10、晶圓測試，内核級别，使用參考電路圖案和每一塊芯片進行對比

11、晶圓切片，丢棄瑕疵芯片。

12、封裝及再次測試

13、包裝，發貨

芯片制造流程參考圖

小結和補充

1、我們在芯片制造領域存在着多個被“卡脖子”的細分賽道，比如“芯片級矽片”的制造、光刻（光刻機、光刻膠、塗膠顯影機、抛光機），從要保證基本需求的角度來看，材料技術最缺，其次是設備。

2、高端技術是買不來的，安全也是買不來的，還是得自己腳踏實地撸起袖子加油幹。

3、不要好高骛遠，不要過度追求7nm、5nm,芯片制造是複雜的産業鍊，需要把更多精力先放在完善産業鍊，補短闆上，短期内能把28nm芯片的制造産業鍊全部自主，目前來看就能大部分滿足國家安全和民生需求了。

感恩我們生活在這個激動人心的時代，有機會見證中國芯片産業的崛起和反超。