1.2 看芯片行业“点沙成金”

能够制造芯片的硅，先要进行高度的纯化，也就是将其中的氧原子等杂质原子都挑出去，提取出芯片级别的纯净硅。

芯片级别的纯净硅，又叫半导体硅，大概要纯净到什么程度呢？不少朋友都买过黄金制品吧？现在市面上有一种被称为“四个九”的黄金制品，其被公认为纯金。所谓四个九，就是黄金含量要达到99.99%。

相比之下，半导体硅的纯净度需要达到九个九，也就是99.9999999%。按照这个纯净度标准，平均每十亿个硅原子中只能有一个杂质原子。

这只是入门级别芯片的要求，如果需要制造更高端的芯片，纯净度还要大幅提升，需要达到十一个九，也就是99.999999999%。换算过来就是，一千亿个硅原子中只能有一个杂质原子。

当然，纯净度越高需要的设备成本、环境成本、工艺成本也就越高，相关内容就不在这里展开介绍了，后面还会继续介绍。

那么工业上是如何做到如此高纯净度的呢？想要制备出如此高纯净度的硅，一步到位是很难做到的，需要经过多个步骤。在制造业中，把这些步骤称为工步或工序。

从二氧化硅中提取纯硅，一般是往二氧化硅中加入碳之后加热，让二氧化硅中的氧原子在高温下与碳形成还原反应，从而生成硅和一氧化碳。这相当于先把硅原子和氧原子进行分离，再经过冷凝之后，就能得到纯净度达到98%～99%的硅。不过这距离半导体硅的要求还相差很远，因为里面还含有铝、铁等杂质。

然后要加入氯化氢气体，还是通过加热等方法，使硅锭被液化，同时促进其中的铁等杂质产生化学反应，生成不同的氯化物气体。这等于将杂质带了出去。经过这样多次反复提纯，就能初步形成制造半导体的纯硅。

为什么说是初步形成呢？因为这时候纯硅叫多晶硅，意思是它虽然已经是比较纯净的硅了，但是它内部的硅原子排列得散乱且不整齐。如果用这样的硅制作芯片，会让芯片的电子性能较差。

多晶硅的样子如下图所示。

这比较像我们日常见到的铺设高速公路，每一层材料都要通过振动设备将它们尽量铺设均匀，否则等最后铺上沥青时，底层的铺路材料中就会产生杂乱的空隙，后续高速公路通车后，车辆很容易将路面压出各种坑坑洼洼。

半导体同样如此，为了保证芯片的工作稳定，最终用于制造芯片的硅必须是单晶硅，也就是它内部的硅原子要排列得整整齐齐。

单晶硅的样子如下图所示。

这时就进入了芯片制造过程第一个比较神奇的环节：生长出单晶硅硅棒。

有人可能觉得奇怪，工业品也能像农作物一样通过生长制造出来吗？当然可以，而且生长法在工业中并不罕见。比如，制造芯片的基础材料晶圆，用的就是提拉法。提拉法又被称为直拉法，简称CZ法。它是一种直接从多晶硅溶液中拉制出晶体的生长技术。

提拉法的大致做法如下。先将多晶硅在晶圆炉中加热，一直到多晶硅融化成液体。这时需要的温度大于1420℃。

等炉内多晶硅液体的温度变得均匀之后，会有一个单晶硅的晶种被悬吊着慢慢接触溶液的表面。然后晶圆炉会精准地调节晶种周围的温度，使得多晶硅液体开始围绕晶种凝固。此时凝固而成的晶体就是单晶硅硅棒。

说到这里，可能有读者会感到好奇，这个单晶硅的晶种又是怎么制造出来的呢？它是由专门的晶种生产厂制造的，比如用化学气相法就能够得到高纯净度的单晶硅晶种。只不过这种方法的成本非常高，不能用于大规模工业化生产，只能用于制造晶种。是不是很有意思？在工业中，也会像养殖业那样，存在专门的“育种厂”。单晶硅晶种的样子如下图所示。

悬吊着晶种的设备，会与晶圆炉内的温度控制系统相互配合，以合适的速度向上提拉。而硅棒也就随着晶种的提拉，不断地从熔化的多晶硅液体中生长出来。

随着单晶硅不断凝固，硅棒不断生长，原先多晶硅中的杂质会被再一次分离出来，使得最终硅棒的纯净度再一次得到提升。

晶圆生长炉如下图所示。

但这个过程非常考验设备的高科技水平。因为晶种提拉的速度越慢，生长出来的硅棒越粗、直径越大。一次性能生长出的单晶硅硅棒直径越大，自然生产效率就会越高，同时成本也会越低。

但这里又会遇到问题，那就是随着硅棒直径的增大，内部的热量传导到外部的速度就会变慢。这样很容易造成硅棒内部冷热不均，硅棒在成长过程中很容易产生裂缝等。

因此必须让晶种的提拉速度与炉内的温度控制实现完美的配合。这样才能让硅棒的直径更大，同时保证最终产品的良品率。

随着不断地实践和优化，晶圆的直径从最初的2英寸逐渐发展到6英寸、8英寸。到了现在，市面上常用的晶圆直径是12英寸。

值得高兴的是，我国现在的晶圆制造企业能够制造的晶圆直径已经达到12英寸。当然我国的工业人仍在不断地努力，或许等您看到这本书的时候，我们生产的晶圆直径能达到18英寸或者更大。

成型的硅棒会被切割，切成薄薄的一片，此时它的名字变成晶圆。它是制造芯片的关键材料。一片晶圆可以同时制造出多个芯片。同样，直径越大的晶圆能同时制造的芯片数量也就越多，生产效率越高，成本越低。

根据各家企业制造的硅棒长短不同，一般能够切割出3000～3500片晶圆。而每片晶圆的厚度也会根据直径的大小不同而不同。晶圆直径越大，也会越厚。比如，直径8英寸的晶圆的厚度为725微米左右，而直径12英寸的晶圆的厚度为775微米左右。

各种芯片就是在如下图所示的晶圆上被制造出来的。