小小晶片, 上千萬個電晶體是怎麼裝上去怎麼工作的? 人類真牛啊

晶片

確實是人類一個偉大的發明，只有用晶片才能把CPU的體積做得很小，海量的CPU整合在一起，才能夠製造出超級平行計算機。

因為晶片的製造過程比較複雜，在閱讀正文前，先用比喻把這個大概的原理告訴大家。

晶片的製造過程，就相當於用完全相同的材料，建設一個城市的過程。

比如我們要建造一個10平方公里的城市，那麼在這10平方公里的土地上，澆築一層10米厚的

混凝土

。然後在這個混凝土板上印上城市的地圖，把街道部分留白。然後把鹽酸倒到這塊混凝土板上，留白的部分就被腐蝕出了街道，被油墨覆蓋的部分就形成了建築。然後把這些建築物啟用，城市就建成了。

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現在就讓我們看一下，晶片到底是怎麼製造的。

》晶片的技術實際上是由1個理論，2項技術作為鋪墊的。

第1個技術就是電晶體的技術，第2個技術是光刻技術。

光刻的技術就是照相製版技術的進化。因為世界上第1個大規模生產晶片的工廠是美國的仙童公司，它的老闆是賣照相器材的。

晶片上要使用相同的材料製造不同功能的電子元件，這就需要電晶體。

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電晶體又可以被稱為固態的二極體或者是三極體。固態的意思就是說它裡面沒有空間，在材料上是密實的。

最開始發明的二極體和三極體都是像一個燈泡那樣的，是空心的。

因為它需要實現單向導電的功能，真空二極體裡面有電加熱絲，加熱陰極以後，在電場的作用下，向陽極發射電子才能夠實現導電。

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真空二極體的材料來說就有玻璃、電熱絲，陰極和陽極靶板，而且還要抽真空。但是

電晶體實現同樣的功能只有兩種材料，一種是P型材料，一種是N型材料，兩個疊加在一起就可以單向導電。

科學家發現用這種方式可以實現二極體功能，是因為有一個量子力學的理論：能量和能量空穴的理論，這個理論又被稱為迪拉克海理論。

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這個理論可以用來解釋物體的導電性，所以才會區分出絕緣體、半導體和導體。

而且，P材料和N材料，也可以用同一種材料來做，這種材料就是矽。

純淨的矽是不導電的，如果在純淨的矽裡面摻入不同的雜質，就會製造出P材料和N材料。

這就是積體電路能夠實現的物理基礎：矽經過適當的加工，可以製造出任何電子元件。

晶片從原料開始，一直到製造出成品的過程，可以分成4步。

》第1步，製備高純度的單晶矽片。

把二氧化矽（沙子、水晶）加熱融化和焦炭混合在一起，這個時候碳就會和二氧化矽中的氧結合變成二氧化碳，二氧化碳是氣體，就揮發了，剩下來的就是粗矽。

然後用化學方法把粗矽進行提純，就得到了高純度的多晶矽。

把多晶矽加熱融化，用一個棒子慢慢的把它拉出來，就成了一個晶圓棒。

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晶圓棒製備好了以後，用機器切成薄片，然後再拋光過，就形成了製造晶片的最重要材料，晶圓片。

因為晶片是方的，所以晶圓片的直徑越大，邊邊角角的利用率越高。

2019年廣州已經可以生產出12英寸的晶圓片，這是我國能夠成熟生產的最大直徑的晶圓片。

》第2步，光刻。

這一部分需要在晶片上刻出電子元件的形狀。

雕刻形狀之前要塗一層薄薄的

光刻膠

，這個光刻膠實際上是一種光敏樹脂。

然後把設計好的積體電路的影象，透過光投影到這個光刻膠上。

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因為光刻膠是光敏的，所以光照射到的地方光刻膠就起了化學反應，變成了容易被溶解掉的物質，然後用溶液清洗掉產生了化學變化的光刻膠。

積體電路的圖案就從照相底片上轉移到了晶片上。

然後把晶片放到腐蝕劑裡進行腐蝕，沒有被光刻膠覆蓋的地方就被腐蝕出了凹痕。於是在晶片上就出現了各種各樣的圖案，這些圖案就是各種各樣的電晶體。

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但是這個時候電晶體還沒有辦法工作，因為還沒有被啟用。

》第3步，離子注入。

因為每一個二極體都是一個P型材料和一個N型材料組成的。

要知道矽它的原子結構跟碳類似的，它外面有4個自由電子。

在高純度矽裡面摻進去外面含有5個自由電子的材料，比如說磷，就變成了 N型材料。

如果摻進去的是3個自由電子的材料，比如是硼，就變成了P型材料。

把磷和硼注入晶片中的工藝，就叫做離子注入。

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這個過程完成了以後，晶片上所有的電子元件都製備好了。

然後還要用電線把它們連線起來，形成一種邏輯結構的電路。

這個過程需要在晶片上按照電路的連線方式沉澱金屬銅。

等沉澱好銅以後，這個晶片就是由金屬導線連線成的各種電路元件，這個時候一個晶片就做好了。

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在這個過程中需要多次曝光，這取決於晶片中的電子元器件的種類、結構複雜程度。

而且每次曝光和離子注入的時候都要對準確。

因此每一步都要做到非常精確，才能做出一個成品的晶片。

製造光刻機的難度非常高，就是因為裡面的細節太多，每一步都不能錯。

》第4步，為了保護晶片，需要封裝。

封裝的過程也是檢測晶片的過程。

因為晶片製造的過程很複雜，而且每一個電晶體的尺寸又很微小，所以很容易產生缺陷。

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這些有缺陷的晶片怎麼辦呢？難道我們把它扔掉嗎？當然不能這麼做，這些缺陷是在晶片電路設計的時候都已經考慮到了。

晶片製程越小，就越容易產生缺陷，冗餘部分的數量就要越多。

手機的晶片製程較小，它上面的積體電路雖然有100多個億，但是它執行的功能還不如電腦晶片上面十幾個億的電晶體的功能。

封裝測試廠在晶片上面加上一個保護性的外殼，同時檢測出晶片內部缺陷的情況，然後把它按照品質分成級別。

挑選出來的晶片上印上型號，打上廠家的標誌，缺陷少的賣高價，缺陷多的賣低價。

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比如說執行90%以上功能的晶片，我們給它一個型號，這個就是最牛逼的型號，也就是賣的最貴的型號。

執行80%~60%功能的賣一箇中等價格，60%以下的賣一個平民大眾價格。

電腦CPU晶片，同一個批次的可以看到很多型號，它們實際上都是同一種晶片，裡面的電路完全相同！

賣的價格卻不一樣，是因為裡面的缺陷不一樣。

所以有些人買了那種低價的晶片，然後就超頻用，就是把一些被封閉的功能重新釋放出來。