从芯片废品到钻石，芯片厂掌握的另类财富密码 #芯片

最近看到一句话：报废的手机、电脑等电子器件先别扔，把里面的芯片拆下来打磨打磨就能得到一个钻石了。以上的言论可能会存在夸张的成分，但是芯片里面含有钻石是真的。

芯片的基底也就是晶圆衬底，通常由碳化硅制成的。相比传统的硅基材料，碳化硅具有更高的禁带宽度、导热性、击穿电压和电子饱和漂移速率。近几年在半导体、电网、电动车等领域被广泛使用。不过它在珠宝界有一个更响亮的名字：莫桑钻。

莫桑钻的莫氏硬度高达9.5，仅次于钻石。因为切割后的光泽与成色和天然钻石几乎一样，价格又是传统钻石的十分之一。最近几年深受大家的喜爱，不少芯片厂就把自己生产的碳化硅晶体卖给珠宝商赚钱。

就比如我国碳化硅龙头企业天岳先进，2018年到2020年间，公司前五大客户里珠宝商就占了三个。另一家企业天科合达，2020年申请科创板上市时，还因为钻石业务的营收和毛利率占比太高，超过了主营业务碳化硅晶体，被质疑科创属性，最后撤回了IPO申请。

此外，国内的中电科二所甚至成立了自己的珠宝品牌，成为钻石的专业户。不过这些企业其实并不是有意想卖珠宝的，他们卖给珠宝商加工当莫桑钻的碳化硅晶体大多是不合格的芯片废料。说白了还是主要因为和传统硅基半导体相比，碳化硅的生产技术不成熟，良品率不高，才整出了这一门卖珠宝的生意。

碳化硅晶圆衬底的制造主要分为晶体生长和加工两大环节。

·首先将高纯硅粉与碳粉混合，在2300°C高温下气化并沉积在籽晶上，形成一定大小和尺寸的单晶晶锭。

·然后对晶锭进行切片、打磨、抛光，就能得到完整的碳化硅衬底了。

·之后芯片厂商只要在衬底上进行外延生长，就可以制造芯片了。

虽说硅晶圆的制造只有两个环节，但其中的技术难度极高。

·首先碳化硅有250多种同分异构体，其中只有少数的几种才能作为半导体材料。所以在晶锭培育过程中要精确控制温度，压力和生长速度，防止它长歪，而且这个过程是不可见的。从放入晶体炉的那刻起，能做的就只有等。培育出晶锭后，还要用金刚石线或者激光切割，并把它们打磨成0.5毫米厚的大晶圆。每一个环节稍有不慎，碳化硅晶体就只能当珠宝卖了。

近年来，我国在碳化硅晶体制造方面进步很大，不仅满足了国内日益增长的需求，还成功打入了国际市场。比如前面提到了天岳先进，天科和达就与英飞凌、博世等汽车电子巨头建立了供应关系。相信随着进一步技术的发展，国产碳化硅晶体产业会在国际市场上扮演更加关键的角色。这样这些厂商也就不用靠卖珠宝来维生了。

只有指甲盖大小的芯片，是如何制造出来的？一组图文直观看懂！

知道吗？你手里拿的手机、办公用的电脑、看的电视，核心装置就是芯片。一颗芯片只有指甲盖大小，上面却有数公里的导线和几千万根晶体管,可谓世界上最精密的雕刻术。而如此精密的元件，主要原料竟然是我们司空见惯的沙子。

下面我们通过漫画了解下，从沙子到芯片的全过程。

（点击图片可放大）

漫画叙述比较简洁，接下来咱们以intel芯片为例，详述的描述整个过程：

第一阶段

沙子： 硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。▼

硅熔炼： 12英寸/300毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用于半导体知道质量的硅，学名电子级硅（EGS），平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭（ingot）▼

单晶硅锭： 整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度 99.9999％。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第一阶段）：

第二阶段

硅锭切割： 横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆 (Wafer)。顺便说，这下知道为什么晶圆都是圆形的了吧？▼

晶圆： 切割出的是晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。事实上，intel自己并不生产这种晶圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成品，然后利用直接的生产线进一步加工，比如现在主流的45nm HKMG（高K金属柵极）。值得一提的是，intel公司创立之初使用的晶圆尺寸只有2英寸/50毫米▼

下图是这个阶段的一个总结图（第二阶段）：

第三阶段

光刻胶(Photo Resist)： 图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。▼

光刻： 光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预 先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。▼

光刻： 由此进入纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第三阶段）：

第四阶段

溶解光刻胶： 光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致▼

蚀刻： 使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。▼

清除光刻胶： 蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第四阶段）：

第五阶段

刻胶： 再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。▼

离子注入（ion implantation）： 在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的院子的离子照射（注入）固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。

清除光刻胶： 离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第五阶段）：

第六阶段

晶体管就绪： 至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。▼

电镀： 在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。▼

铜层： 电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第六阶段）：

第七阶段

抛光： 将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。▼

金属层： 晶体管级别，留个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第七阶段）：

第八阶段

晶圆测试： 内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。▼

晶圆切片(Slicing)： 晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)。▼

丢弃瑕疵内核 ：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。▼

下图是这个阶段的一个总结图（第八阶段）：

第九阶段

单个内核 ：内核级别。从晶圆上切割下来的单个内核，这里展示的是Core i7的核心。

封装： 封装级别，20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。

处理器： 至此就得到完整的处理器了(这里是一颗Core i7)。这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的产品实际上是经过数百个步骤得来的，这里只是展示了其中的一些关键步骤。

下图是这个阶段的一个总结图（第九阶段）：

第十阶段

等级测试： 最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级。

装箱 ：根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。▼

零售包装 ：制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商，要么放在包装盒里进入零售市场。

下图是这个阶段的一个总结图（第十阶段）：

内容来源：中国电子网、财看见-腾讯新闻，责任编辑：鲁班七号

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