芯片的原材料是晶圓，而晶圓的成分是硅。嘗嘗有一種說法誤解為“沙子可用來制造芯片”，實際上并非如此。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的硅元素，硅元素質(zhì)子數(shù)比鋁元素多一個，比磷元素少一個，它不僅是現(xiàn)代電子計算器件的物質(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，我們在對硅元素進(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。切割出來的晶圓越薄，芯片制造的成本就越低，但是對芯片工藝的要求也更高。

硅變成晶圓片要經(jīng)歷三個重要步驟

具體來看，硅變成晶圓可以劃分為三個步驟：硅提煉及提純、單晶硅生長、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），從而得到冶金級硅（純度約98％）。但這種純度的硅還不足以用來制備電子元器件，因此還要對其進(jìn)一步提純。將粉碎的冶金級硅與氣態(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，就會產(chǎn)生多晶硅熔化物。當(dāng)然，在這之前會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)，同時慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。多晶硅熔化物會粘在籽晶的底端并且按籽晶晶格排列的方向不斷地生長上去，在其被拉出和冷卻后就生長成了與籽晶內(nèi)部晶格方向相同的單晶硅棒。**對單晶硅棒進(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。

為什么說硅是最適合造芯片的材料？

理論上來說，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，最早的晶體管其實是使用半導(dǎo)體材料鍺來制作的，但是因為溫度超過75℃時，導(dǎo)電率會出現(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、硅材料本身無毒無害，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、自動控制等；集成電路多用于各種計算機(jī)、通訊、廣播、自動控制、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；射線探測器多用于原子能分析、光量子檢測；太陽能電池多用于太陽能發(fā)電領(lǐng)域。

未來有沒有可以出現(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，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。

石墨烯為什么會被人看好？除了其本身擁有不遜色于硅的半導(dǎo)體屬性之外，還擁有很多硅不具備的優(yōu)點。由于硅材料的加工極限被認(rèn)為是10nm線寬，換句話說，制程小于10nm，硅產(chǎn)品也就越不穩(wěn)定，對工藝的要求就越高。要想實現(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的選擇。科學(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)時不會產(chǎn)生背散射，這說明它有很強(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身份：碳納米材料。碳納米管是由石墨烯片卷成的無縫、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)家對此領(lǐng)域的研究也有了不小的進(jìn)展，但總體來看，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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