半导体的制造工艺中的关键是什么？

（1）

硅的主要来源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通过共价键连接在一起。因此需要将氧元素从二氧化硅中分离出来，换句话说就是要将硅还原出来，采用的方法是将二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在电弧炉中加热至2100°C左右，这时碳就会将硅还原出来。化学反应方程式为：SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)（吸热）

（2）

上一步骤中得到的硅中仍有大约2%的杂质，称为冶金级硅，其纯度与半导体工业要求的相差甚远，因此还需要进一步提纯。方法则是在流化床反应器中混合冶金级硅和氯化氢气体，最后得到沸点仅有31°C的三氯化硅。化学反应方程式为：Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)（放热）

(3）

随后将三氯化硅和氢气的混合物蒸馏后再和加热到1100°C的硅棒一起通过气相沉积反应炉中，从而除去氢气，同时析出固态的硅，击碎后便成为块状多晶硅。这样就可以得到纯度为99.9999999%的硅，换句话说，也就是平均十亿个硅原子中才有一个杂质原子。

（4）

进行到目前为止，半导体硅晶体对于芯片制造来说还是太小，因此需要把块状多晶硅放入坩埚内加热到1440°C以再次熔化 。为了防止硅在高温下被氧化，坩埚会被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度99.7%的钨丝悬挂硅晶种探入熔融硅中，晶体成长时，以2~20转/分钟的转速及3~10毫米/分钟的速率缓慢从熔液中拉出：

探入晶体“种子”

长出了所谓的“肩部”

长出了所谓的“身体”

这样一段时间之后就会得到一根纯度极高的硅晶棒，理论上最大直径可达45厘米，最大长度为3米。

以上所简述的硅晶棒制造方法被称为切克劳斯法（Czochralski process，也称为柴氏长晶法），此种方法因成本较低而被广泛采用，除此之外，还有V-布里奇曼法（Vertikalern Bridgman process）和浮动区法（floating zone process）都可以用来制造单晶硅。

锗、硅、硒、砷化镓及许多金属氧化物和金属硫化物等物体，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，叫做半导体。

半导体具有一些特殊性质。如利用半导体的电阻率与温度的关系可制成自动控制用的热敏元件（热敏电阻）；利用它的光敏特性可制成自动控制用的光敏元件，像光电池、光电管和光敏电阻等。

半导体还有一个最重要的性质，如果在纯净的半导体物质中适当地掺入微量杂质测其导电能力将会成百万倍地增加。利用这一特性可制造各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管等。

把一块半导体的一边制成P型区，另一边制成N型区，则在交界处附近形成一个具有特殊性能的薄层，一般称此薄层为PN结。图中上部分为P型半导体和N型半导体界面两边载流子的扩散作用（用黑色箭头表示）。中间部分为PN结的形成过程，示意载流子的扩散作用大于漂移作用（用蓝色箭头表示，红色箭头表示内建电场的方向）。下边部分为PN结的形成。表示扩散作用和漂移作用的动态平衡。

别看芯片的体积小，但制造难度非常大，我们一般看到的芯片是小小的一枚，但是在显微镜下，如同街道星罗棋布，整齐有序，其中无数的细节令人惊叹不已。

沙子是我们生活中非常常见的一种物质，它的主要组成成分是石英，也就是二氧化硅（SiO2），沙子中二氧化硅含量高，因此，对于半导体产业来说，沙子是再合适不过的原料了。制作半导体材料所需要的原料是单晶硅，因此，需要先将沙子中的氧去除，从而得到单质硅。所以说原材料是足够的，但是生产过程却异常杂，简要说明一下步骤。

1、对沙子进行脱氧，提取沙子中的硅元素，这也是半导体制造产业的基础元素。

2、硅熔炼 ，通过多脱氧，熔炼，净化得到大晶体，就是大大的一坨，学名叫作硅锭。

3、硅锭切割，把硅锭横向切割成圆形的单个硅片，也就是大家所说的晶圆，晶圆会进行抛光打磨，打磨甚至可以拿出来当镜子用的光滑度。

4、涂胶，在旋转过程中向晶圆上均匀的涂上一层薄薄的胶。

5、光刻、通过光刻机把一个已经设计好芯片电路的芯板上所有的电路图都刻在晶圆上，此时形成了芯片的核心电路图案。

6、掺杂、在真空中向硅中添加其它的元素，以改变这些区域的导电性，这是为了下一步半导体晶体管制造奠定基础。

7、MOS管制造，MOS管是构成芯片门电路的核心，一个芯片有几十亿个这样的晶体管来组成，这一步主要的工艺就是制造MOS晶体管，形成MOS管包括元极，漏极，门极，沟区等在内的原件，然后盖上一层黄色的氧化层，再在最外层再覆盖上一层铜，以便能与晶体管进行电路的连接。最后一道工序就是把它们磨平

8、按照同样的工序制造几十亿个这样的晶体管，晶体管之间通过这些错综复杂的电路相连接，形成一个大型的集成电路。

9、检测、丢弃有瑕疵的内核，这些晶体都是在纳米级别的测试过程中，发现有瑕疵的内核将被抛弃。

10、切割、这样一个晶圆上一次会产生多个芯片内核，现在把它切割成每一个单独的芯片内核，切割后的芯片内核安装在芯片的基座上，这就是一个芯片的成品了。

11、等级测试以及评定、对芯片的最高频率，功耗，发热等进行评价，按照测试结果，评定以不同的型号进行出厂销售。

现在的芯片无处不在，从手机到人工智能再到航空航天，每一项技术都离不开芯片的支撑。虽然看起来这这十一个步骤很简单，但是其中包含的技术和工序等等十分复杂和精细。

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