地球的科技之巔——晶片
晶片，即集成電路，通常稱為IC（Integrated Circuit），是指在矽等半導體材料的單晶或晶片表面擴散或植入電子電路和電子元器件的微觀陣列
它之所以被稱為集成電路，是因為它的元件、電路和基礎材料都是由一塊矽製成的，或者說是集成在一起的，而分立電路則不同，它的元件是由不同的材料分別製成的，然後再進行組裝，此外，集成電路的複雜程度從簡單的邏輯模塊和放大器到包含數百萬個元件的完整微型計算機不等
毫無疑問，集成電路對我們生活的影響是巨大的，它已經成為幾乎所有電子設備的主要部件，與之前的真空管和電晶體相比，集成電路的優勢主要體現在低成本、高可靠性、低功耗和高處理速度上
真空管和電晶體與集成電路
除了我們現在的電子消費品，集成電路還可以應用在工具機、車輛作業系統等設備中的控制器，以及其他以前使用液壓、氣動或機械控制的應用
第一批集成電路誕生於20世紀50年代末，為了響應軍方對用於飛彈控制系統的小型化電子產品的需求而誕生的，當時，電晶體和印刷電路板是最先進的電子技術
常見的印刷電路板，即PCB
雖然電晶體使許多新的電子應用成為可能，但工程師們仍然無法製造出足夠小的封裝，以滿足複雜的控制系統和手持式可編程計算器等複雜設備所需的大量元件和電路
1959年集成電路發明後，在幾年時間裡，可以集成到一個晶片中的元件和電路的數量每年都會翻一番，第一批集成電路最多只包含十幾個元件，產生這些早期集成電路的過程被稱為小規模集成（SSI）
到20世紀60年代中期，中型集成電路（MSI）已經生產出數百個組件的集成電路，隨後是大規模集成技術（LSI），該技術已經可以生產具有數千個組件的集成電路，這也使第一臺微型計算機成為可能
第一批在商業上大獲成功的8位家用計算機，分別是Commodore PET 2001，Apple II和TRS-80 Model 1
1969年，英特爾公司開發出第一塊微型計算機晶片，我們通常稱之為微處理器（microprocessor），並於1971年投入商業生產，它就是大名鼎鼎的Intel 4004
Intel 4004
接著，英特爾在1979年推出了他們的8088晶片，緊隨其後的是英特爾80286、80386和80486，而在20世紀80年代末和90年代初，286、386和486也開始為計算機用戶所熟知，因為它們反映了當時計算能力和速度的不斷提高
在集成電路中，電阻、電容、二極體和電晶體等電子元件直接形成在矽晶體的表面，在了解製造集成電路的過程之前，我們先了解下這些電子元器件是如何形成的一些基礎知識
集成電路一探究竟
在第一個集成電路被開發出來之前，人們就知道普通的電子元件可以用矽來製造，但問題是如何用同一塊矽製造它們和連接電路？
多晶矽
解決的辦法是通過添加其他化學物質（dopants，稱為摻雜劑）來改變矽晶體表面微小區域的化學成分，一些摻雜劑與矽結合，產生摻雜劑原子可以放棄一個電子的區域，這些區域稱為N個區域，其他摻雜劑與矽結合，產生摻雜劑原子有空間吸收一個電子的區域，這些區域稱為P區域
當P區與N區接觸時，它們之間的邊界被稱為PN結，這個邊界只有0.0001釐米寬，但對集成電路元件的運行至關重要
在PN結內，兩個區域的原子以形成第三個區域（稱為耗盡區）的方式鍵合，其中P摻雜劑原子捕獲了所有N摻雜劑多餘的電子，從而使它們耗盡
耗盡區
由此產生的現象之一是，施加在P區域的正電壓可以使電流通過結流入N區域，但施加在N區域的類似正電壓將導致很少或沒有電流通過結流回P區域，PN結的這種根據施加電壓的哪一面進行導電或絕緣的能力，可以用來形成集成電路元件，以與二極體和電晶體相同的方式引導和控制電流流動
示意圖
例如，一個二極體就是一個簡單的PN結，通過改變摻雜物的數量和類型，改變P區和N區的形狀和相對位置，也可以形成模擬電阻和電容器功能的集成電路元件
集成電路的材料選擇
純矽是大多數集成電路的基礎，它為整個晶片提供了基底，並通過化學摻雜來提供構成集成電路元件的N和P區域，而需要的矽的純度必須達到每100億個原子中只有一個是雜質，這就相當於十桶沙子裡只允許有一粒糖，另外二氧化矽會被用作集成電路電容器中的絕緣體和介電材料
在其他材料的使用上，典型的N型摻雜劑包括磷和砷，而硼和鎵則是典型的P型摻雜物，鋁通常用作各種集成電路元件之間的連接器
從集成電路晶片到其安裝封裝的細線引線可以是鋁或金，而安裝封裝本身可能由陶瓷或塑料材料製成
封裝的細線引線可以是鋁
生產製造時，數以百計的集成電路同時在一片薄薄的矽片上製造，然後被分割成獨立的集成電路晶片，製造過程在嚴格控制的無塵室環境中進行，空氣也是經過過濾以去除外來顆粒，接下來，大致為大家科普下晶片的製造
沙子變形記
矽晶圓的生產
晶棒的生產採用的是丘克拉斯基法，具體就是將塊狀的高純度多晶矽置於石英坩堝內，加熱到其熔點1420℃以上，使其完全融化，待矽熔漿的溫度穩定後，將晶種慢慢插入，然後往上提升使直徑縮小到一定尺寸，維持此直徑並拉長100-200mm以消除晶種內的晶粒排列取向差異
加熱並融化多晶矽
頸部成長完成後，慢慢降低提升速度和溫度，使頸部逐漸加大到所需尺寸（現在常用的矽晶圓尺寸是8英寸和12英寸），之後不斷調整提升速度和熔煉溫度，維持固定的晶棒直徑，直到長度達到預定值，形成一個圓柱形的純矽棒
純矽棒
接著用切片機將晶棒切割成每片約0.004至0.01釐米厚的薄片，並對其拋光，之後在晶圓的表面塗上一層二氧化矽，以形成絕緣基底，並防止矽的任何氧化而產生雜質
金塗層矽晶片基板
二氧化矽的形成是通過在幾個大氣壓下將晶片置於約1000°C的過熱蒸汽中，使水蒸氣中的氧與矽反應，而控制溫度和暴露時間的長短可以控制二氧化矽層的厚度
光刻
複雜的、相互連接的電路和元件設計是在類似於製造印刷電路板的過程中準備的，然而，對於集成電路來說，其尺寸要小得多，並且有許多層相互疊加在一起
每層的設計都是在計算機上用軟體完成，之後圖像被製作成掩模，圖像被製作成一個掩模，掩模將被光學還原並傳輸到晶圓表面，掩模在某些區域是不透明的，而在其他區域則是透明的，它具有要在晶圓上形成的幾百個集成電路的所有圖像
光掩模 圖源Wikipedia
然後在矽片的中心放置光刻膠材料並快速旋轉矽片，使光刻膠分布在整個表面上，接著烘烤光刻膠以除去溶劑，此時，再將塗覆好光刻膠的晶圓放置在第一層掩膜下，用光照射，由於電路和元器件之間的空間非常小，所以常使用波長非常短的紫外光來擠壓掩膜上的微小透明區域，另外電子束或X射線有時也用來照射光刻膠
圖源Wikipedia
除去掩模後，部分光刻膠被溶解，如果使用正性光刻膠，那麼被照射的區域將被溶解，如果使用負性光刻膠，那麼被照射的區域將保持不變，然後對未覆蓋的區域進行化學蝕刻，以打開一層，或者對其進行化學摻雜以形成一層P或N區域
摻雜-原子擴散
添加摻雜劑以形成P或N區域層的一種方法是原子擴散，在這種方法中，一批晶圓被放置在由石英管和加熱元件組成的烤箱中，將晶圓被加熱到集成電路的工作溫度約816-1205°C後，在惰性氣體中攜帶摻雜劑化學品
當摻雜劑和氣體通過晶圓時，摻雜劑會被沉積在光刻工藝留下的暴露在熱表面上，這種方法對於摻雜相對較大的區域很好，但對於較小的區域則不準確，隨著連續層的增加，重複使用高溫也存在一些問題
摻雜離子注入
第二種添加摻雜劑的方法是離子注入，在這種方法中，摻雜氣體，如磷化氫或三氯化硼，被電離以提供在晶圓特定區域發射的高能摻雜離子束，離子穿透晶圓並保持植入狀態，此外可以通過改變束流能量可以控制穿透深度，通過改變束流和曝光時間可以控制摻雜量
連續分層
根據所使用的摻雜過程，對每個連續層重複光刻、蝕刻或摻雜的過程，直到所有集成電路晶片完成為止，有時一層二氧化矽被放置下來，以在層或組件之間提供絕緣體
這是通過一種稱為化學氣相沉積（chemical vapor deposition）的工藝來完成的，在這種工藝中，晶圓的表面被加熱到約400°C，氣體矽烷和氧氣之間的反應沉積了一層二氧化矽，最後的二氧化矽層密封了表面，最後的蝕刻打開了接觸點，並沉積了一層鋁來製造接觸墊，此時，再來測試單個集成電路的電氣功能
化學氣相沉積示意圖
晶圓切片
薄薄的晶圓就像一塊玻璃，數百個單獨的晶片是通過用精細的鑽石切割器劃出一條交叉線，然後將晶片置於壓力下，使得每個晶片分開的方式來分離的
那些沒有通過電氣測試的不良產品會被丟棄，同時顯微鏡下的檢查顯示，分離過程中損壞的部分也會被丟棄，最終，完成封裝的集成電路被密封在防靜電塑膠袋中，以便儲存或運給最終用戶