芯片的原材料是晶圓，而晶圓的成分是硅。嘗嘗有一種說(shuō)法誤解為“沙子可用來(lái)制造芯片”，實(shí)際上并非如此。沙子的主要化學(xué)成分是二氧化硅，玻璃和晶圓的主要化學(xué)成分也是二氧化硅。但不同之處在于，玻璃是多晶硅，高溫加熱沙子可以得到多晶硅。而晶圓是單晶硅，如果用沙子做還需要進(jìn)一步將多晶硅變?yōu)閱尉Ч琛?/p>

硅材料到底是什么，又為什么能被用來(lái)制造芯片呢，在本文中我們將逐一為大家揭曉。

首先我們要明白的是，硅材料并不是直接就能跳到芯片這一步，硅是由石英沙所精練出來(lái)的硅元素，硅元素質(zhì)子數(shù)比鋁元素多一個(gè)，比磷元素少一個(gè)，它不僅是現(xiàn)代電子計(jì)算器件的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人們尋找外星生命的基本可能元素之一。通常，我們?cè)趯?duì)硅元素進(jìn)行提純煉化（99．999％）后，就可以將其制造成為硅晶棒，再將硅晶棒進(jìn)行切片，得到的就是晶圓了。切割出來(lái)的晶圓越薄，芯片制造的成本就越低，但是對(duì)芯片工藝的要求也更高。

硅變成晶圓片要經(jīng)歷三個(gè)重要步驟

具體來(lái)看，硅變成晶圓可以劃分為三個(gè)步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型。

在自然界中，硅一般是以硅酸鹽或二氧化硅的形式存在砂石中，將沙石原料放入2000℃高溫且有碳源存在的電弧熔爐中，利用高溫讓二氧化硅與碳反應(yīng)（SiO2＋2C＝Si＋2CO），從而得到冶金級(jí)硅（純度約98％）。但這種純度的硅還不足以用來(lái)制備電子元器件，因此還要對(duì)其進(jìn)一步提純。將粉碎的冶金級(jí)硅與氣態(tài)氯化氫進(jìn)行氯化反應(yīng)，生成液態(tài)的硅烷，然后通過(guò)蒸餾和化學(xué)還原工藝，得到了高純度的多晶硅，其純度高達(dá)99．999999999％，成為電子級(jí)硅。

那么如何從多晶硅中得到單晶硅呢？最常用的是直拉法，將多晶硅放在石英坩堝中，用1400℃的溫度在外圍保持加熱，就會(huì)產(chǎn)生多晶硅熔化物。當(dāng)然，在這之前會(huì)把一顆籽晶浸入其中，并且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。多晶硅熔化物會(huì)粘在籽晶的底端并且按籽晶晶格排列的方向不斷地生長(zhǎng)上去，在其被拉出和冷卻后就生長(zhǎng)成了與籽晶內(nèi)部晶格方向相同的單晶硅棒。**對(duì)單晶硅棒進(jìn)行滾磨、切割、研磨、倒角、拋光等工藝，就得到了最重要的晶圓片了。

按照切割尺寸的不同，硅晶圓主要可劃分為6英寸、 8英寸、 12英寸及18英寸等。硅晶圓片尺寸越大，每塊晶圓上就能切割出更多的芯片，單位芯片的成本也就更低。

為什么說(shuō)硅是最適合造芯片的材料？

理論上來(lái)說(shuō)，所有半導(dǎo)體都可以作為芯片材料，但是硅材料為什么最適合做芯片，主要原因有下：

1、按地球元素含量排行，依次為：氧＞硅＞鋁＞鐵＞鈣＞鈉＞鉀……可以看到硅排在了第二位，含量巨大，這也讓芯片有了幾乎取之不盡用之不竭的原材料；

2、硅元素化學(xué)性質(zhì)和物質(zhì)性質(zhì)都**穩(wěn)定，最早的晶體管其實(shí)是使用半導(dǎo)體材料鍺來(lái)制作的，但是因?yàn)闇囟瘸^(guò)75℃時(shí)，導(dǎo)電率會(huì)出現(xiàn)較大變化，做成PN結(jié)后鍺的反向漏電流比硅大，因此選取硅元素作為芯片材料更加合適；

3、硅元素提純技術(shù)成熟，成本低，如今硅的提純可以達(dá)到99．999999999％；

4、硅材料本身無(wú)毒無(wú)害，這也是其被選于用作芯片的制造材料的重要原因之一。

硅材料制成品主要用途

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，硅材料多被用于制造二極管／晶體管、集成電路、整流器、晶閘管等等，具體來(lái)看，硅材料制成的二極管／晶體管多用于通訊、雷達(dá)、廣播、電視、自動(dòng)控制等；集成電路多用于各種計(jì)算機(jī)、通訊、廣播、自動(dòng)控制、電子秒表、儀器儀表等；整流器多用于整流；晶閘管多用于整流、直流輸配電、電氣機(jī)車、設(shè)備自控、高頻振蕩器等；射線探測(cè)器多用于原子能分析、光量子檢測(cè)；太陽(yáng)能電池多用于太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域。

未來(lái)有沒(méi)有可以出現(xiàn)替代硅的芯片材料？

硅是如今應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，但被譽(yù)為“新材料**”的石墨烯的出現(xiàn)，讓很多專家預(yù)測(cè)，石墨烯很可能成為替代硅的**選擇，但主要還是取決于它的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展情況。

石墨烯為什么會(huì)被人看好？除了其本身?yè)碛胁贿d色于硅的半導(dǎo)體屬性之外，還擁有很多硅不具備的優(yōu)點(diǎn)。由于硅材料的加工極限被認(rèn)為是10nm線寬，換句話說(shuō)，制程小于10nm，硅產(chǎn)品也就越不穩(wěn)定，對(duì)工藝的要求就越高。要想實(shí)現(xiàn)更高的集成度和性能，就必須采用新的半導(dǎo)體材料進(jìn)行加工，石墨烯正好是一種不錯(cuò)的選擇?？茖W(xué)家曾在常溫下觀察石墨烯的量子霍爾效應(yīng)，這種材料碰到雜質(zhì)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生背散射，這說(shuō)明它有很強(qiáng)的導(dǎo)電性。此外，石墨烯看上去近乎透明，其光學(xué)特性不僅**優(yōu)異，還能隨石墨烯厚度的改變而改變。因此人們判斷，這種特性很適合應(yīng)用于光電子領(lǐng)域。

之所以看好石墨烯，或許還取決于它另外一個(gè)身份：碳納米材料。碳納米管是由石墨烯片卷成的無(wú)縫、中空的管體，導(dǎo)電性能**，而且管壁很薄。理論而言，同樣的集成度下碳納米管芯片比硅芯片更??；此外，碳納米管本身產(chǎn)熱很少，加上有良好的導(dǎo)熱性，能夠減少能耗；從獲取碳元素的成本考量，碳的分布廣泛，在地球中的含量同樣巨大，因此獲取碳材料并不難。

當(dāng)然，石墨烯目前已經(jīng)被應(yīng)用在屏幕、電池、可穿戴設(shè)備上，科學(xué)家對(duì)此領(lǐng)域的研究也有了不小的進(jìn)展，但總體來(lái)看，想要石墨烯真正替代硅，成為芯片的主流材料，還需要在制造工藝以及配套器件的技術(shù)上付出更多努力。

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