为什么芯片要用硅作为半导体材料，而不用其他的？

理论上所有半导体都可以作为芯片材料，但是硅的性质稳定、容易提纯、储存量巨大等等性质，是所有半导体材料中，最适合做芯片的。

在晶体管（二极管、三极管等等）未发明之前，初期电子计算机使用的是电子管，但是电子管体积巨大、功耗高、寿命短；人类第一台电子计算机使用18000个电子管，重30吨，占地150平方米，耗电功率高达150千瓦，但是其运算能力远远赶不上如今的一台掌上计算机。

后来科学家发明了晶体管，晶体管功耗低、体积小且寿命长，最早的晶体管是使用半导体材料锗来制作的，从此微电子出现在人们视野当中。

晶体管可以简单地理解为一种微型的开关，根据不同的组合设计，具有整流、放大、开关、稳压等等功能；制作晶体管的关键就是半导体材料，因为半导体材料一般具有特殊性质，比如硅掺入磷元素可以形成N型半导体，掺入硼元素可以形成P型半导体。

我们把N型半导体和P型半导体进行组合，可以形成PN结，这是电子芯片当中的重要结构，我们把各种结构进行组合，就可以完成特定的逻辑运算（比如与门、或门、非门等等）。

理论上，所有的半导体材料都可以作为芯片材料，但是芯片对材料的要求极高，所以真正适合做芯片的半导体材料并不多，比如硅、锗、碳化硅、氮化镓等等。

其中硅因为拥有众多优良特性，使得硅成为芯片的主要材料：

（1）硅元素的含量巨大，地球元素中仅次于氧元素（地球元素含量排行：氧>硅>铝>铁>钙>钠>钾……）。

（2）硅元素提纯技术成熟，制作成本低，最初晶体管使用锗作为芯片材料，是因为当初硅元素的提纯技术不成熟，如今硅的提纯可以达到99.999999999%。

（3）硅元素的性质稳定，包括化学性质和物质性质，比如锗做成晶体管，当温度达到75℃以上时，其导电率有较大变化，而且做成PN结后锗的反向漏电流比硅大，这对芯片的稳定性非常不利。

（4）硅本身是无毒无害的物质，我们常见的很多石头都含有二氧化硅（SiO2）。

1、半导体芯片：在半导体片材上进行浸蚀，布线，制成的能实现某种功能的半导体器件。不只是硅芯片，常见的还包括砷化镓（砷化镓有毒，所以一些劣质电路板不要好奇分解它），锗等半导体材料。半导体也像汽车有潮流。二十世纪七十年代，因特尔等美国企业在动态随机存取内存(D-RAM)市场占上风。但由于大型计算机的出现，需要高性能D-RAM的二十世纪八十年代，日本企业名列前茅。

2、半导体芯片的制造材料：为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的品质都必须严格要求。常见的品质问题包括晶格的位错（dislocation）、孪晶面（twins）或是堆垛层错（stacking fault）都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体器件而言，材料晶格的缺陷（晶体缺陷）通常是影响元件性能的主因。目前用来成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为柴可拉斯基法（钢铁场常见工法）。这种工艺将一个单晶的晶种（seed）放入溶解的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。

3、应用：半导体芯片的发明是二十世纪的一项创举，它开创了信息时代的先河。大家都知道“因特网”和“计算机”是当今最流行的名词。计算机已经成为我们日常生活中的必备工具，那请问一句“你的计算机CPU用的是什么芯片呢？”是“Intel”，还是“AMD”呢？其实无论是“Intel”还是“AMD”，它们在本质上一样，都属于半导体芯片。

说造芯片比原子d其实更多的是说客观性的，芯片是一个完整的产业链，需要多方面合作，那么，芯片生产过程是怎样的？下面我就带来介绍。

为什么说造芯片比造原子d难多了

虽然都是高科技下的产物，但芯片相对于原子d来说，还需要国际合作及产业链，并不是独立工程。

造一颗普通原子d大概需要15公斤的浓缩铀，提取一公斤的武器级的浓缩铀大概需要200吨的油矿，也就是需要三千吨的油矿

芯片完全不一样，它是一个产业链，涉及到很多行业，比如机械、电子、冶金、化工、材料等等半导体芯片制造环节用到的一台设备光刻机，全球目前只有荷兰一家公司能做，但是需要两千多家厂商给它提供零部件

芯片没有办法建立完全本地化的产业链，它是一个国际合作的产物。

芯片生产过程是怎样的

将单晶硅切片打磨形成晶圆，在晶圆上，采用一定的工艺将电路中所需要的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线刻画在晶圆上，就形成了集成电路(integrated circuit，IC)，通过对集成电路封装测试便形成了芯片。

一、IC设计

半导体行业发展到现阶段，已经形成了IC设计和IC制造分离的模式，主要原因是建设IC制造厂需要花费高达数亿甚至数十亿美元的巨额投资，并且生产工艺日趋复杂，所以当前半导体行业便形成了IC设计和IC制造的专业化分工模式。

从事IC设计的公司一般被称为“Fabless”(Fabrication(制造)和less(无、没有)的组合)，其只负责设计与销售，不负责制造，手机厂商中的华为、苹果、小米以及高通和联发科，都属于Fabless。

IC制造的过程就如同盖房子一样，Fabless负责房子的设计部分。

IC设计可分成几个步骤，依序为：规格制定→逻辑设计→电路布局→布局后模拟→光罩制作。

规格制定

需求端与IC设计工程师对接，并开出需要的IC的规格，以确定IC的功能、IC封装及管脚定义等，而后IC设计工程师开始设计。

逻辑设计

通过EDA软件的帮助，工程师完成逻辑设计图。

电路布局

将逻辑设计图转化为电路图。

布局后模拟

经由软件测试，试验电路是否符合要求。

光罩制作

电路图完成测试后，将电路制作成一片片光罩，完成后的光罩送往IC制造公司。

二、IC制造

IC的线路布局由Fabless设计好之后，就交由Foundry来对晶圆进行加工，将光罩上的电路加工到晶圆上。

我们常说的台积电就是最为典型的Foundry，他们专注芯片制造，发展相关的工艺和制程，Foundry厂商其实就是Fabless厂商的代工方，俗称“代工厂”。

加工晶圆时，可以简单分成几个步骤，依序为：金属溅镀→涂布光阻→蚀刻技术→光阻去除。虽然在实际制造时，制造步骤会复杂的多，使用的材料也有所不同，但是大体上皆采用类似的原理。

金属溅镀

将金属材料均匀洒在晶圆片上，形成薄膜。

涂布光阻

先将光阻材料放在晶圆片上，透过光罩将光束打在不要的部分上，破坏光阻材料结构，再以化学药剂将被破坏的材料洗去。

蚀刻技术

将没有受光阻保护的硅晶圆，以离子束蚀刻。

光阻去除

使用去光阻液将剩下的光阻溶解掉，如此便完成一次流程。

最后便会在一整片晶圆上完成很多IC，接下来只要将完成的方形IC剪下，便可送到封装厂做封装测试。

三、封装测试

经过漫长的流程，从设计到制造，终于获得一颗IC。然而现在的IC相当小且薄，如果不施加保护，会被轻易的刮伤损坏。此外，因为芯片的尺寸微小，如果不用一个较大尺寸的外壳，将不易于安置在电路板上。因此需要对IC进行封装。

目前常见的封装方式有两种，一种是电动玩具内常见的，黑色长得像蜈蚣的DIP封装，另一种为购买盒装CPU时常见的BGA封装。

完成封装后，便要进入测试的阶段，在这个阶段便要确认封装完成的芯片是否能正常的工作，正确无误之后便可出货给组装厂，做成电子产品。至此，芯片便完成了整个生产的任务。

　

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