引子：
最近两年，整个半导体行业一直处在中美对抗的风口浪尖上,和设计比起来,国产芯片更多被卡脖子的地方在于制造。具体一点，就是制造过程中一系列关键设备和材料，包括但不限于光刻机，光刻胶，薄膜沉积设备，离子注入机等等这些基本被国外大厂垄断的核心步骤.我会在以后的系列里，进行详细的讲解，让你明白芯片是怎么一步一步做出来的，顺便也会分析一下国产芯片之路上，到底还要迈过哪些坎。
首先，简单梳理一遍用沙子造芯片的基本流程：拿intel的科普短视频为例，它自己起的标题就叫“From Sand to Silicon,the making of a chip”,大厂这么说的原因，是因为目前主流芯片，仍然是硅基芯片，硅和贵金属不同，是一种烂大街的元素，在地壳中的含量，高达26.3%，仅次于氧，而硅和氧一起，就组成了自然界随处可见的沙子，主要成分为二氧化硅。
所以造芯片的第一步，就是要把二氧化硅还原成硅锭（Silicon ingot)。再经过提纯和直拉法，取出一根长长的硅棒，然后对这根硅棒进行切割研磨和抛光，片出一张张光盘一样的硅片（raw wafer)。再送往晶圆厂，通过光刻和蚀刻，雕刻出晶体管的物理结构，并通过离子注入和覆膜等手段，赋予其电特性。这样数以亿计的电子器件及其对应的逻辑电路，在这些不断重复的工序中成型，成为一张晶圆上的数百枚芯片，最后将他们切割分离，并进行封装测试，就完成了一个个芯片的制造。
今天我们就从沙子说起，看一看片中，从沙子到黑棒，这10秒的情节里，藏了多少细节，要怎样才能从一堆不起眼的沙粒中，取出一根黑长直的大棒子。首先，用来制造芯片的沙子，不是工地上那种河沙，而是硅含量更高的硅石，主要成分和沙子一样，是二氧化硅。芯片的前世，一共要经历三生三世，熔炼提拉。这前前前世，分别为硅石，到硅锭，硅锭到磨砂款硅棒（多晶硅），磨砂款到镜面款硅棒（单晶硅）。
1 冶炼硅锭
我们先说第一步，硅锭的制作，这里要用到坩埚（炼金用的），又叫矿热炉，或者电弧电炉，通常直径为12米，材质为石墨，中间还有两根三米长的石墨电极用来加热。石墨和钻石一样，是碳的一种同素异形体，熔点高达3800摄氏度，膨胀系数却很小，这就使得石墨坩埚成为了最理想的冶炼设备。在坩埚中，放入约60吨左右的硅石，再加入约25吨的煤炭和木屑，在2000摄氏度的高温作用下，二氧化硅逐渐熔化，并与碳元素产生了神奇的化学反应——还原反应，这里的主反应，是二氧化硅与碳，生成硅单质与一氧化碳。次级反应，则发生在炉内温度较低的区域，生成碳化硅。如果炉内二氧化硅的含量够高，碳化硅就可以作为中间产物，继续转化为硅和一氧化碳，冶炼出的硅液经过冷凝，就得到了相对纯洁的硅锭。
这就是纯度约为98%-99%的冶炼级工业硅。虽然仍含有少量的铁和铝等杂质，但已经是化工，冶金和建筑等行业的重要材料。
中国工业硅的产量约为全球的65%，毕竟炼金术对于工业门类齐全的中国来说，只是基本功而已，也没有复杂的技术门槛和设备要求。而且炼硅的成本有40%是电热炉消耗的电力。所以相对便宜的电价，也是中国产硅的有利条件。但对于半导体行业而言，99%的纯度，还远远不够。
2 精炼多晶硅
所以第二步，就是工业硅的提纯，这一步，业界主流的做法是借助氯化氢气体进行提纯，由于最早是西门子公司于1955年开发出来的，所以又称西门子法（Siemens-Verfahren).具体操作，是把硅锭粉碎成渣，在325度的高温下，硅渣会与氯化氢反应，生成氢气和目标产物的三氯硅烷。这一步的主要杂质，包括三氯化铁，三氯化铝以及四氯化硅等气体。利用这些气体不同的沸点，我们可以通过冷凝器和蒸馏塔，对温度的控制，分离出沸点较低的三氯硅烷气体。接下来则是要把高纯度的三氯硅烷再还原成固态硅。做法是在1100摄氏度的高温环境中，通入氢气，生成硅，氯化氢和四氯化硅。
在这个温度下，只有硅是固态，所以在反应炉中会看到，黑色的硅慢慢生长出来。大约一周的时间，能积累250公斤左右的硅棒，硅含量可以高达99.999999999%（一共11个9）。不过此时的硅棒，还是磨砂款的，表面坑坑洼洼，这是因为这一步制造出来的是多晶硅，指的是其晶体框架结构不均匀，整体是由众多不规则的小晶体构成的。这个阶段生产的多晶硅，可以用于光伏行业，比如制作太阳能组件和电池板。
2019年，中国多晶硅产能，占比高达69.2%，稳居世界第一。国内的龙头厂商，比如保利协鑫，新特能源，通威，大全都还在持续扩产。打的德国瓦克之类的海外老牌大厂丢盔弃甲。总之到多晶硅这一步，我们不仅没有被卡脖子，而且优势很大。不过芯片更多需要的是晶格均匀连续，电学性质稳定的单晶硅。
3 制造多晶硅
所以第三步，要把磨砂款的多晶硅棒，变成镜面款单晶硅。这一步，业内主流的制法，是采用柴可拉斯基法（Czochralski Process) .棒子。具体做法，是在石英材质的坩埚中，加热熔化上一步获得的高纯度多晶硅。石英的熔点约1700摄氏度，硅的熔点约1400摄氏度，这里一般温度控制在略高于硅的熔点，然后将一小条晶种，也就是一条细小的单晶硅作为种子，浸入硅熔液，再缓慢的向上，旋转提拉，被拉出的硅熔液，因为温度梯度下降，会凝固成固态硅，从视觉上看就是，细牙签进去，大棒子出来。
而拉出来大棒的粗细和质量，取决于工作温度、旋转速度和提拉速度。这里提醒大家注意一个细节，在传统工艺里，大棒顶端往往有一段直径几毫米的脖子。这是因为在晶种刚接触溶液时，会因为热冲击，使晶体发生高频次的滑移位错，导致最开始的一段，容易出现大量晶体缺陷，所以在刚开始时，先用高速提拉（6mm/min),拉出一段10厘米左右的脖子，让位错现象趋缓，直至完全消失之后，再降低速度开始拉大直径的硅棒。此时凝固的硅棒，就和晶种一样，是光滑的单晶硅。但细脖子的存在，就限制了单根硅棒的重量。如果拉一半断掉，就尴尬了。所以直径8英寸的硅棒，一般拉6米长，12英寸的大棒，一般就拉1米5.除了提拉法.
其他制作单晶硅的方法还有一些：比如浮带法（Floating-Zone process),又叫区域熔炼法。是在多晶硅棒上，套上一个环形加热器，创造一个狭窄且可以平行移动的熔融区域，相当于将硅棒分段熔融再凝固，利用固相何液相的杂质差，实现单晶硅的精炼和纯化。这种做法因为不使用坩埚，就可以避免提拉法中因为容器带去的杂质成分。不过提拉法也有自己的好处，比如可以在坩埚的熔液里直接掺杂，也就是加入硼磷等材料，生产出与纯硅电学性质不同的杂质半导体。掺杂是芯片生产中道重要的工序，以后在详细讲解。现在我们就完成了第三步，从多晶硅棒精炼成了单晶硅棒，将其切成薄片，就是制作芯片的原材料，生产晶圆的硅片。
所以这一步拉出来的硅棒，会决定晶圆的尺寸，你想做8英寸的晶圆，就得要拉得细一点；你想要12英寸的晶圆，就得拉粗一点。硅棒直径和最大提拉速度之间的关系，可以利用熔液，硅棒与辐射热量三者之间的热平衡进行估算。以12英寸的晶圆尺寸为例，1米5的硅棒，需要拉8小时左右，理论上直径当然是越粗越好，因为单个晶圆面积越大，造出的芯片就越多，分摊下来的成本就越低。但同时工艺难度和设备费用，也会直线上升。比如一座8英寸的晶圆厂，要花16亿美元，而12英寸的厂子，则需要30-40亿美元.不得不感叹，做芯片真的烧钱。
总结：
总结一下，现在我们已经完成了从沙子里取出一根硅棒，接下来要切成硅片，准备开始芯片的前端生产。当然切片本身就没那么简单，要经历滚磨，倒角，精研，背面粗糙，化学机械抛光等等一系列操作，这些步骤的技术门槛，逐渐升高，对精细加工的要求逐渐变态，也正是从这一阶段开始，我国的产能占比和自主化程度下降，芯片的国产之路，也将迎来首个被卡脖子的环节。
目前硅片市场主要控制在5家公司手中，分别是日本的信越化工和胜高集团，其次是台湾地区的环球晶圆，德国的Siltronic (世创），以及韩国的SK Siltron,他们加起来，控制了全球90%的硅片供应，具体的市场分析以及制造细节，将在下一节继续。
以上信息来自谈三圈bilibili 视频，谢谢作者的详细讲解
