我們心愛(ai)的電(dian)腦(nao)中最(zui)重(zhong)(zhong)要組成(cheng)部分(fen)——各種(zhong)芯片的核(he)心是以硅(gui)(gui)元(yuan)素(su)為基礎晶(jing)圓(yuan)制造(zao)的，硅(gui)(gui)甚(shen)至被譽為“電(dian)之(zhi)元(yuan)素(su)”，由此可見硅(gui)(gui)對電(dian)子工業的重(zhong)(zhong)要性。硅(gui)(gui)元(yuan)素(su)是世界上儲量最(zui)豐富的元(yuan)素(su)之(zhi)一，然(ran)而它(ta)對我們來說卻是既(ji)熟悉又陌(mo)生，究(jiu)竟如何用硅(gui)(gui)制造(zao)出晶(jing)圓(yuan)來的呢？
固有特性(xing)
眾所周(zhou)知，硅（舊稱(cheng)矽，英(ying)文名稱(cheng)Silicon）是一種(zhong)非金(jin)屬元(yuan)素(su)，位(wei)于(yu)元(yuan)素(su)周(zhou)期(qi)表(biao)中(zhong)第4主(zhu)族，原子序數(shu)14，元(yuan)素(su)符號為(wei)Si，它的(de)熔點為(wei)1410°C，沸點為(wei)2355°C。地殼含(han)有的(de)各(ge)元(yuan)素(su)中(zhong)硅的(de)含(han)量高(gao)達26%，僅次于(yu)氧元(yuan)素(su)，硅常常以沙子或者(zhe)石英(ying)等形(xing)式存在于(yu)地表(biao)及巖石中(zhong)。對于(yu)芯片(pian)制造業(ye)和太陽能電(dian)池工業(ye)來(lai)說(shuo)，都需要(yao)極高(gao)純度的(de)硅，而我們能從上述各(ge)種(zhong)礦(kuang)石（主(zhu)要(yao)成分均為(wei)二氧化硅）中(zhong)提煉出幾乎完全純凈的(de)硅。硅看(kan)起來(lai)就是下圖這(zhe)個(ge)樣(yang)子：
半導體(ti)
毫無(wu)疑(yi)問(wen)，硅(gui)元素的(de)價值(zhi)在于(yu)它是一(yi)種(zhong)半(ban)導體(ti)——電(dian)導率介于(yu)導體(ti)和(he)絕緣(yuan)體(ti)之(zhi)間，并且電(dian)導率會隨著有無(wu)雜質(zhi)及溫度變化(hua)而顯著變化(hua)的(de)一(yi)種(zhong)物質(zhi)。除了(le)硅(gui)之(zhi)外，鍺、硒(xi)和(he)氧化(hua)錫等均為(wei)半(ban)導體(ti)。半(ban)導體(ti)有不同的(de)種(zhong)類，可分為(wei)空穴型半(ban)導體(ti)和(he)電(dian)子型半(ban)導體(ti)，前者通(tong)(tong)過(guo)晶體(ti)中(zhong)的(de)空穴導電(dian)，后者和(he)金屬一(yi)樣通(tong)(tong)過(guo)電(dian)子導電(dian)。
單晶硅的生產
（1）硅的主要來源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通過共價鍵連接在一起。因此需要將氧元素從二氧化硅中分離出來，換句話說就是要將硅還原出來，采用的方法是將二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在電弧爐中加熱至2100°C左右，這時碳就會將硅還原出來。化學反應方程式為：SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)（吸熱）
（2）上一步驟中得到的硅中仍有大約2%的雜質，稱為冶金級硅，其純度與半導體工業要求的相差甚遠，因此還需要進一步提純。方法則是在流化床反應器中混合冶金級硅和氯化氫氣體，最后得到沸點僅有31°C的三氯化硅。化學反應方程式為：Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)（放熱）
（3）隨后將三氯化硅和氫氣的混合物蒸餾后再和加熱到1100°C的硅棒一起通過氣相沉積反應爐中，從而除去氫氣，同時析出固態的硅，擊碎后便成為塊狀多晶硅。這樣就可以得到純度為99.9999999%的硅，換句話說，也就是平均十億個硅原子中才有一個雜質原子。
（4）進行到目前為止，半導體硅晶體對于芯片制造來說還是太小，因此需要把塊狀多晶硅放入坩堝內加熱到1440°C以再次熔化，如下圖所示：
為(wei)了防(fang)止硅在高(gao)溫下被氧化，坩堝會(hui)被抽成(cheng)真空(kong)并(bing)注入惰性氣體氬(ya)氣。之后用純度99.7%的(de)(de)鎢絲懸(xuan)掛硅晶種探入熔融硅中，晶體成(cheng)長時(shi)，以2~20轉(zhuan)/分(fen)鐘(zhong)的(de)(de)轉(zhuan)速(su)及(ji)3~10毫(hao)米(mi)/分(fen)鐘(zhong)的(de)(de)速(su)率(lv)緩慢從熔液中拉出(chu)：
這樣(yang)一(yi)段(duan)時間(jian)之后就會得到一(yi)根純(chun)度(du)極(ji)高(gao)的硅晶(jing)棒，理(li)論上最大直徑(jing)可(ke)達45厘米(mi)，最大長(chang)度(du)為3米(mi)。
以上所簡(jian)述的硅(gui)晶(jing)棒制造方(fang)法(fa)被稱為(wei)切克勞斯法(fa)（Czochralski process，也稱為(wei)柴氏長晶(jing)法(fa)），此種(zhong)方(fang)法(fa)因成本較低而被廣泛采用，除此之外，還有V-布里奇曼法(fa)（Vertikalern Bridgman process）和浮(fu)動區法(fa)（floating zone process）都可以用來制造單晶(jing)硅(gui)。
芯片成形
上面(mian)生產出的(de)(de)硅晶棒首先經過打磨(mo)，然后用金(jin)剛石鋸切成(cheng)大約1毫米厚的(de)(de)圓片，然后再經過精細打磨(mo)、去除瑕(xia)疵的(de)(de)若(ruo)干步驟就得到所謂的(de)(de)晶圓（Wafer），之后就要在晶圓上添入摻雜物以及(ji)用蝕刻法(fa)分層制造出電路(lu)，然后經過分割、打磨(mo)、測(ce)試(shi)(shi)等(deng)(deng)若(ruo)干步驟，最后將芯(xin)片用塑料、陶瓷等(deng)(deng)材(cai)料進行封裝并引出鍍金(jin)引腳，再進行測(ce)試(shi)(shi)等(deng)(deng)若(ruo)干步驟，一顆芯(xin)片就面(mian)世了。
當(dang)然，晶(jing)圓及(ji)芯片生(sheng)產(chan)具體過程中很多細節及(ji)步驟(zou)并未提(ti)及(ji)，實際生(sheng)產(chan)過程中遠比以上所(suo)說的復雜，因此硅(gui)晶(jing)圓成品率及(ji)直徑等(deng)都是(shi)衡量(liang)一(yi)個(ge)國家科(ke)技實力的標志之一(yi)。