世界上第一个造芯片的人是谁，他怎么知道沙子可以造芯片？

世界上第一块芯片是 杰克·基尔（Jack Kilby）比发明的。

杰克·基尔（Jack Kilby）

至于你提问的“他是怎么知道沙子可以造芯片”下边介绍里有粗体字注解

杰克·基尔比（Jack Kilby，1923年11月8日－2005年6月20日）是集成电路的两位发明者之一。1947年，基尔比获得伊利诺伊大学的电子工程学学士学位，1950年获得威斯康星大学电子工程硕士学位。1958年，成功研制出世界上第一块集成电路。2000年，基尔比因集成电路的发明被授予诺贝尔物理学奖。

沙子最一般的组成成份为二氧化硅，通常为石英的形式，因其化学性质稳定和质地坚硬

当然，要使大街货的沙子变成充满科技感的CPU其中必然会经历一系列复杂的过程。首先，就要对沙子进行提纯，在亿万颗砂砾中选择出最纯净的单质硅原料，这个过程也存在较大的难度。需要将天然沙子放在专门的高温处理仪器上进行高温熔化，而后冶炼出精度高达99.99%的单质硅晶体，这才算是走完了“万里长城第一步”，接下来还有重重关卡在等候。

基尔比的父亲是位电气工程师，并担任过堪萨斯电力公司的总裁，在世人们看来，基尔比的确是个典型的理工男。基尔比身高一米八九，有着一张和善的脸和一头地中海式的卷发，与人说话时的语速慢得出奇。然而，基尔比的动手能力却可谓为一流。而且，基尔比始从始至终乐意被人们当作一名工程师来对待，且对自己的动手能力向来颇有自信。

1958年，基尔比34岁，正式加入德州仪器中工作。当时美苏冷战进入第一次高潮期。1957年，世界上第一颗人造卫星被苏联航天机构成功地送上了预定轨道，美国内舆论一片哗然，美国当局以及美国军方部门对此倍感压力。当时美国军方本已与德州仪器建立起合作关系，美国军方要求德州仪器研制出小型化的计算机设备。可是，基尔比倒是觉得，与其按德州仪器计划的那样把所有的成品元件整合到一起，倒不如一开始就把这些元件集成到一块芯片上。如此便可避免各元件间连接显得很是复杂。他利用德州仪器其他员工们外出度假之机，独自呆在半导体实验室中就此展开研究。

杰克·基尔（Jack Kilby）

基尔比通过两个多月的努力，到1958年9月12日，基尔比发明出了全球第一块集成电路样品，这件东西有半英寸长，由做在一块锗片上的两个电路组成。随后，基尔比向他的同事们展示了这个样品。当他紧张地检查好连接，推上开关，一条浅绿色的模型线横穿示波器的屏幕，画出一条完美的正弦波形，实验成功了！基尔比的成功很大程度上仰仗着他堪比外科医生的过人手艺，手工将元件用细金属线与芯片连接起来，但距离能在工厂流水线上进行实用化生产还有相当的距离。”

全球第一块集成电路

前面说了基尔比和他发明了全球第一块集成电路，后面自然还要说到诺伊斯。诺伊斯从小在美国中西部一个普普通通的乡村成长，没有显赫的家庭背景，完全凭借着自己的勤奋与聪慧，在世界半导体行业中创出了一番大事业。世界IT业界中流行着这样一种说法：“集成电路芯片的发明专利是由两个人共同持有的，一个是基尔比，另外一个人就是在IT界中名气响当当的诺伊斯。”

诺伊斯与摩尔等人于1957年创立仙童半导体后不久，仙童半导体跟德州仪器一样，亦试图找出让计算机设备小型化的方法。于是，诺伊斯为首的研究团队便不得不攻克大量的难题。其中最为关键的一个技术难点在于，“电路中电线越多，电子脉冲就绕得越远，而人们无法使脉冲快过光速，那么人们制造快速计算机的最佳方案是通过缩小电路板的方式以减少脉冲穿行距离”，诺伊斯的团队为解决这一世界性的技术难题用了两年多的时间。1959年7月，诺伊斯研发出一种二氧化硅（沙子的主要成分就是二氧化硅）的扩散技术和PN结的隔离技术，并创造性地在氧化膜上制出铝条连线，让元件与导线合为一体，开发出了半导体芯片的平面制作工艺，为工业化量产奠定了坚实的基础。由于硅的商业前景远胜于锗，所以诺伊斯一直把自己的目光锁定在硅芯片上。

后来，仙童半导体最终走向分崩离析，主要原因之一是研发团队与投资方之间的矛盾不断激化。仙童半导体的八个创始人只好各奔前程，而其中，诺伊斯、摩尔与格鲁夫于1968年联合创立了英特尔。先前，英特尔的主要业务集中于存储器。1969年4月，来自日本的计算机厂商Busicom与英特尔开展业务合作，由英特尔为Busicom的五款计算器开发相应的专用处理器。

从沙子到芯片，看看CPU是如何制造出来的

1、沙子 / 硅锭

硅是地壳中含量位居第二的元素。

常识：沙子含硅量很高。

硅 --- 计算机芯片的原料 --- 是一种半导体材料，也就是说通过掺杂，硅可以转变成导电性良好的导体或绝缘体。

[注：半导体是导电性介于导体和绝缘体之间的一种材料。掺杂是一种手段，通常加入少量其它某种元素改变导电性。]

熔融的硅 --- 尺寸：晶圆级 (~300毫米 / 12英寸)

为了能用于制造计算机芯片，硅必须被提纯到很高的纯度(10亿个原子中至多有一个其它原子，也就是99.9999999%以上) 硅在熔融状态被抽取出来后凝固，该固体是一种由单个连续无间断的晶格点阵排列的圆柱，也就是硅锭。

单晶硅锭 --- 尺寸：晶圆级(大约300毫米/12英寸) 硅锭的直径大约300毫米，重约100千克。

单晶硅就是说整块硅就一个晶体，我们日长生活中见到的金属和非金属单质或化合物多数以多晶体形态存在。

2、硅锭 / 晶圆

切割 --- 尺寸：晶圆级(大约300毫米/12英寸)

硅锭被切割成单个的硅片，称之为晶圆。每个晶圆的直径为300毫米，厚度大约1毫米。

晶圆 – 尺寸：晶圆级(大约300毫米/12英寸)

晶圆抛光，直到无瑕，能当镜子照。Intel从供货商那里购买晶圆。目前晶圆的供货尺寸比以往有所上长，而平均下来每个芯片的制造成本有所下降。目前供货商提供的晶圆直径300毫米，工业用晶圆有长到450毫米的趋势。

在一片晶圆上制造芯片需要几百个精确控制的工序，不同的材料上一层覆一层。

下面简要介绍芯片的复杂制造过程中几个比较重要的工序。

3、光刻

光刻胶的使用 --- 尺寸：晶圆级(大约300毫米/12英寸)

光刻是用一种特殊的方法把某种图像印到晶圆上的过程。开始时使用一种称为光刻胶的液体，把它均匀的浇注到旋转的晶圆上。光刻胶这个名字的来源于是这样的，人们发现有一种物质对特定频率的光敏感，它能够抵御某种特殊化学物质的腐蚀，蚀刻中涂覆刻它可起到保护作用，蚀掉不想要的材质。

曝光 --- 尺寸：晶圆级(大约300毫米/12英寸)

光刻胶硬化后，用一定频率的紫外线照射后变得可溶。曝光过程需要用到膜片，膜片起到印模的作用，如此一来，只有曝光部分的光刻胶可溶。膜片的图像(电路)印到了晶圆上。电路图像要经过透镜缩小，曝光设备在晶圆上来回移动多次，也就是说曝光多次后电路图才能彻底印上去。

[注：跟古老的照相机底片的原理类似]

溶解光刻胶 --- 尺寸：晶圆级(大约300毫米/12英寸)

通过化学过程溶解曝光的光刻胶，被膜片盖住的光刻胶保留下来。

4、离子注入 

离子注入 --- 尺寸：晶圆级(大约300毫米/12英寸)

覆盖着光刻胶的晶圆经过离子束(带正电荷或负电荷的原子)轰击后，未被光刻胶覆盖的部分嵌入了杂质(高速离子冲进未被光刻胶覆盖的硅的表面)，该过程称为掺杂。由于硅里进入了杂质，这会改变某些区域硅的导电性(导电或绝缘，这依赖于使用的离子)。这里展示一下空洞(well)的制作，这些区域将会形成晶体管。

[注：据说这种用于注入的带电粒子被电场加速后可达30万千米/小时] 

去除光刻胶--- 尺寸：晶圆级(大约300毫米/12英寸)

离子注入后，光刻胶被清除，在掺杂区形成晶体管。 

晶体管形成初期 --- 尺寸：晶体管级(大约50～200纳米) 

图中是放大晶圆的一个点，此处有一个晶体管。绿色区域代表掺杂硅。现在的晶圆会有几千亿个这样的区域来容纳晶体管。

5、刻蚀 

刻蚀 --- 尺寸：晶体管级(大约50～200纳米)

为了给三门晶体管制造一个鳍片(fin)，上述光刻过程中，使用一种称为硬膜片(蓝色)的图像材料。

然后用一种化学物质刻蚀掉不想要的硅，留下覆盖着硬膜片的鳍片。

6、临时门的形成 

二氧化硅门电介质 --- 尺寸：晶体管级(大约50～200纳米)

在光刻阶段，部分晶体管用光刻胶覆盖，把晶圆插入到充满氧的管状熔炉中，产生一薄层二氧化硅(红色)，这就造就了一个临时门电介质。 

多晶硅门电极 --- 尺寸：晶体管级(大约50～200纳米)

在光刻阶段，制造一层多晶硅(黄色)，这就造就了一个临时门电极。

绝缘 --- 尺寸：晶体管级(大约50～200纳米)

在氧化阶段，整个晶圆的二氧化硅层(红色透明)用于跟其它部分绝缘。 

英特尔使用”最后门” (也称为 “替代金属门”)技术制作晶体管金属门。这种做法的目的是确保晶体管不出现稳定性问题，否则高温的工序会导致晶体管不稳定。

7、“最后门” 高K/金属门的形成 

[注：介电常数K为高还是低是相对的，但英特尔的标准跟业界不同，业界普遍采用IBM的标准，用低K介质能减少漏电流，但是加工困难，目前大规模数字电路多用高K介质。]

牺牲门的去除 --- 尺寸：晶体管级(大约50～200纳米)

用膜片工序里的做法，临时(牺牲)门电极和门电介质被刻蚀掉。真实门现在就会形成了，因为第一门被去掉了，该工序称为“最后门”。

高K电介质的使用 --- 尺寸：晶体管级 (大约50～200纳米)

在称为”原子层”沉积的过程中，晶圆表面覆了一层分子。图中黄色层代表这些层中的两层。使用光刻技术，在不想要的区域(例如透明二氧化硅的上面)里，高K材质被刻蚀掉。 

金属门 --- 尺寸：晶体管级 (大约50～200纳米)

晶圆上形成金属电极 (蓝色)，不想要的区域用光刻的办法刻蚀掉。 跟高K材料配合(薄薄的黄色层)起来使用，可以改善晶体管性能，减少漏电流的产生，这是使用传统的二氧化硅 / 多晶硅门不能企及的。

8、金属沉积 

晶体管就绪 --- 尺寸：晶体管级 (大约50～200纳米)

晶体管的建造快竣工了。

晶体管上方的绝缘层刻蚀出3个小洞，这3个洞里被填充上铜或其它材质，以便跟别的晶体管导通。 

[注：晶体管也就是通俗意义上的三极管，需要3个引线脚，所以一个晶体管的绝缘层上得刻蚀出3个小洞]

电镀 --- 尺寸：晶体管级 (大约50～200纳米)

在该阶段，晶圆浸在硫酸铜溶液里，作为阴极，铜离子从阳极出发到达阴极，最后铜离子会沉积在晶体管表面。

电镀后序 --- 尺寸：晶体管级 (大约50～200纳米) 

经过电镀，铜离子在晶圆表面沉积下来形成薄薄的一层铜 。

9、金属层 

抛光 --- 尺寸：晶体管级 (大约50～200纳米) 

多余的材质会被机械抛光，直到露出光亮的铜为止。

金属层 --- 尺寸：晶体管级(6个晶体管组合起来大约500纳米) 

构造多重金属层以一种特殊的结构来导通(请考虑宏观世界中的“导线”)晶体管，这些“导线”怎么连接，要由某个型号处理器(例如第2代英特尔Core I5处理器)的架构师和设计团队来决定。

尽管计算机芯片看上去十分平整，其实可能会超过30层，是一个十分复杂的电路。 一个放大的芯片看上去是由电线和晶体管组成的错综复杂的网络，该网络看上去像将来某天地面上建造成的多层高速公路系统。

当所有的内层连通以后，每个die上都会被附上阵列焊盘，这些焊盘是芯片跟外面世界的电气连接通道(图中未画出焊盘)。

[注：我们常说的22纳米工艺就是指上述铜“导线”宽度，焊盘将来用于激光焊接CPU针脚或触点。Die一直没有对应的中文，但很多人都知道它是CPU的内部电路。]

晶圆分类 / 分离 

晶圆分类 --- 尺寸 die级 (大约10毫米 / 大约0.5英寸) 

接触晶圆上一些特别的点，逐个测试晶圆上的die的电气参数，跟正确结果吻合的die算是通过。 

尺寸：晶圆级(大约300毫米/12英寸)

晶圆被切割成很多小块 (称为die)上述的晶圆包含了处理器。

10、包装

单个Die --- 尺寸：die级 (大约10毫米/大约0.5英寸)

单个的die经过前面的工序后被切割成单件。这里显示的是英特尔22纳米微处理的代号Ivy Bridge的die。

打包 --- 尺寸：包装级 (大约20毫米 / 大约1英寸)

打包基板，die(电路部分)和导热盖粘在一起形成一个完整的处理器。绿色的基板具有电子和机械接口跟PC系统的其它部分通信。银色的导热盖可以跟散热器接触散发CPU产生的热量。 

处理器 --- 尺寸：包装级 (大约20毫米 / 大约1英寸)

完整的微处理器 (Ivy Bridge) 被称为人类制造出的最复杂的产品。实际上，处理器需要几百个工序来完成---上述仅仅介绍了最重要的工序--- 是在世界上最洁净的环境 下(微处理器工厂里) 完成的。

[注，粉尘会导致电路短路，制造精密的电路必须在无尘的环境下进行。例如，目前计算机主板要求的无尘环境是1万等级，也就是说平均1万立方米空气中不得多于1粒粉尘。CPU电路更加精细，对无尘环境要求会更高]

11、级别测试 / 完整的处理器 

级别测试 --- 尺寸：包装级 (大约20毫米 / 大约1英寸)

在这个最后的测试阶段，处理器要经过全面的测试，包括功能，性能，功耗。 

筛选 --- 尺寸：包装级 (大约20毫米 / 大约1英寸)

根据测试结果筛选，性能相同的处理器放一起，一个托盘一个托盘的存放，然后发给客户。 

零售包装 --- 尺寸：包装级 (大约20毫米 / 大约1英寸) 

生产和测试好的处理器供给系统制造商或以盒包的形式进入零售市场。 

[注：从这一步容易了解到，盒包与散片质量无任何差别，在Intel看来，同一系列同一主频的U体制差别很小。]

天然砂和芯片的关系

天然砂和芯片的关系，天然砂作为重要的砂石骨料之一被广泛应用于房屋建设、道路桥梁工程施工、水利水电设施建设等项目，天然砂和芯片是有直接关系的，下面就来看看天然砂和芯片的关系。

天然砂和芯片的关系1

“砂”意味着能作为建筑材料、有一定的质量要求的土类。

天然砂多来自石英矿床，其特性包括SiO2含量高（二氧化硅含量在90%及以上）、含泥量低、粒度组成均匀合理、颗粒圆整、表面光洁、流动性好。

因此被广泛用于玻璃、铸造、陶瓷及耐火材料、冶炼硅铁、冶金、建筑等工业。

而芯片的制作流程，包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节，晶片是重中之重。

晶片制作中有种不可或缺的成分——硅片。

硅片的原料，正是天然砂。

1、芯片产业的终极原材料属于天然砂，也就是俗称的沙子。

2、天然砂分了很多种，包括河沙、海沙、石英砂。

3、真正用来制造芯片的原料是石英砂。

4、石英砂分为不同的等级，纯度较低的普通石英砂只能制造玻璃。

5、高纯度石英砂（四个9以上纯度）适合用来生产晶体硅，最终做成高科技的芯片。（据科学公园）

6、目前汽车行业缺芯片。国内很多企业拥有芯片设计能力，但芯片生产却要外包给台积电。

天然砂和芯片的关系2

一、天然砂哪些国家有？

天然砂在中国、澳大利亚、印尼、马来西亚、越南、柬埔寨等国家有，只是量多量少的问题而已。其中在我国主要有河砂、湖砂、海砂、山砂等，且每一种天然砂分布的区域不同，各种天然砂分布情况如下：

1.河砂主要分布区域：

河砂在我国各地均有，但从河流分布的情况来看，主要是以外流河为主，主要分布在东部季风区，比如我国长江、黄河干流就是河砂的主要产地。

2.湖砂主要分布区域：

湖砂根据我国的湖泊分布情况来看，主要是分布在东部平原湖区和青藏高原湖区，具体有鄱阳湖、洞庭湖，其中洪泽湖、骆马湖、南四湖、中运河、韩庄运河这几个湖区，我国是全面禁采砂石的。

3.山砂主要分布区域：

山砂主要分布在四川、贵州当地，其中在贵州地区，曾在1996年就编制实行了《山砂混凝土技术规程》地方标准。

4.海砂主要分布区域：

海砂主要分布在山东、辽宁、福建、广东、广西、海南、浙江、台湾浅滩、珠江口等地，其中宁波、舟山合法的海砂开采很少，珠江口水域目前仅有深圳留存一处合法海砂开采区。

二、天然砂和芯片有关系吗？

天然砂和芯片有关系。因为芯片的原材料主要是高纯度的石英砂，其虽然也能归类到天然砂的范畴里，但实际上纯度超过98%的工业硅，其主要来源一般为各种含硅的矿石而非河砂等天然砂，同时高纯度的硅多属于多晶硅或无定形硅，是无法直接应用于精密半导体器件的生产，只有通过直拉法或区熔法，将多晶硅或无定形硅转换成单晶硅，再硅锭后才能用以生产芯片

因此对台禁售天然砂，与打击其芯片产业其实没有太多关联，因为天然砂主要是用于建筑业、玻璃工业、清洁金属、铸造、冶金、热处理、钢结构、架结构、修造、桥梁、矿山等领域的清砂、除锈、强化、成形、消除应力及各种型材的表面清理和涂装等，尤其是河砂，其主要应用还是对砂质要求较高的建筑等行业，而此次对台湾地区的天然砂禁运，将直接影响的是台湾的土木建筑行业。

天然砂和芯片的关系3

啥是天然砂？

天然砂是指依靠自然风化、水流搬运和分选、堆积等自然条件形成的粒径在5mm以下表面有一定光滑性、杂质含量多的非金属矿石其主要分为河砂、湖砂、海砂和山砂

而天然砂作为重要的砂石骨料之一被广泛应用于房屋建设、道路桥梁工程施工、水利水电设施建设等项目 在建筑所用的.混凝土中砂子能同水泥分子相结合增加水泥分子的扩散面积形成水泥浆增强水泥的水化作用根据相关行业经验平均每消耗1吨水泥约匹配6吨砂石骨料砂石骨料在混凝土中所占的比例超过70%其成本占比约为20%-30%可以说是基建的基石

台湾用处也一样 凤凰网《财经连环话》发现目前中国每年建筑用砂量约为26亿吨但由于河砂的供应受资源和环境条件的限制海砂正逐渐成为建筑用砂的主要原料日本及中国香港、台湾地区都在大规模开发海砂来满足其工程建设需要 但由于海砂混有贝壳碎片等杂质且海砂中的盐分含有过量氯离子会腐蚀钢筋混凝土当中的钢筋影响缩短建筑物的安全使用寿命因此台湾地区十分依仗来自大陆的进口天然河砂

早在2017年台媒就曾报道台湾北部建筑市场进口砂石占约四成一旦大陆停供就会极大冲击岛内砂石市场但缺"砂"的不仅是台湾 实际上全球早已陷入“缺砂”局面即使是其最大砂石进口来源地的大陆近年来也陷入了砂石供应持续紧张的状况

供不应求的砂石骨料

2014年联合国环境规划署曾发布《砂子，比你想象的更稀缺》报告称全球砂子和砾石每年开采量超过400亿吨全球砂子用量已比20年前增加了200%同时随着全球人口增加及城市化的发展砂子资源的需求量将提升至500亿吨 而中国是全球最大的砂石骨料消费市场凤凰网《财经连环话》根据公开数据整理2008年至2019年中国砂石骨料总消费量从100亿吨增长至213亿吨

同时自2018年下半年开始砂子、石子等建筑砂价格开始急剧上涨部分地区砂石价格涨幅近100% 其中砂石进口大省福建据相关部门测算2019至2021年全省年均建设用砂预测约1.1亿立方米缺口达75% 2021年海南本地天然砂供应商海南河道也发布停售通知海南本地天然砂供应或将持续短缺 广东、福建、浙江、江苏、海南等沿海地区不得不开始“进口河砂”

据海关数据2021年上半年国内三大天然砂进口省份占进口总量的92.85%而以往出口给台湾地区的天然砂几乎都来自于这些供应短缺的省份 其中福建曾是砂石出口的最大货源地之一在砂石出口总量中拥有超过半数的比重对台湾出口占到全省天然砂出口的六成以上

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