以5G、人工智能和云计算为代表的数字技术正在快速改变社会，半导体是这场数字化技术革命的基石。半导体技术最大的应用是集成电路（IC），智能手机、笔记本电脑、信用卡到地铁，我们日常生活所依赖的各种物品都用到了半导体。其中核心零部件是芯片，而生产芯片所需的硅材料，主要来源于砂。

“沙”和“砂”有什么区别？

“沙”是自然的颗粒级配，没有含泥、污、杂物的限制要求，是个总称呼名。

“砂”则意味着能作为建筑材料、有一定的质量要求的土类。例如剧风化的花岗岩颗粒就不能叫“砂”，尽管它们非常相似，但主要因素是其没有强度质量。

什么是“天然砂”？

由自然条件作用(主要是岩石风化)而形成的，粒径在5mm以下的岩石颗粒，称为天然砂。

1、形成：砂岩又称砂粒岩，是由于地球的地壳运动，砂粒与胶结物(硅质物、碳酸钙、粘土、氧化铁、 硫酸钙等)经长期巨大压力压缩粘结而形成的一种沉积岩。

2、成分：主要成分为砂粒(二氧化硅)含量在65%以上、胶结物。 其中天然石英砂多来自石英矿床，二氧化硅含量在90%及以上。

3、性质：呈弱酸性。

4、结构：砂石的颗粒均匀，质地细腻，结构疏松，因此吸水率较高(在防 护时的造价较高)，具有隔音、吸潮、抗破损，耐风化，耐褪色，水中不溶化、无放射性等特点。

石英砂样品

天然砂的作用

天然砂广泛用于玻璃、铸造、陶瓷及耐火材料、冶炼硅铁、冶金、建筑、化工、塑料、橡胶、磨料及滤料等工业。随着我国工业化和城市化进程的不断加快，基础设施建设，铁路、公路、机场、水利、乡村基础建设等等也都离不开天然砂。

天然砂与芯片的关系极为密切。制造芯片的原材料是硅材料，然而硅的获取是用砂子来提取而获得的。将砂子加热，分离其中的一氧化碳和硅，并不断重复该过程直至获得超高纯度的电子级硅(EG-Si)。由于天然砂的二氧化硅含量在90%以上，这无疑是提取工业硅最好的原材料之一。

从沙子到芯片

第一步：沙子的提纯和处理

第一步就是把沙子中的硅提纯，要提纯到99.9999999%，9个9的纯度才能满足芯片制造。

提纯后的硅称为硅锭，这时候要把它变成硅棒，变成一根一根的原棒，再切割成一片一片的，形成硅晶圆片，再打磨光滑，那么沙子的提纯和处理就完成了，再也看不出是沙子了。

第二步：光刻和刻蚀

这一步主要用到光刻机和刻蚀机，首先把硅晶圆片放到烧炉，在表面形成一层均匀的氧化膜，然后再涂上光刻胶。用光刻机通过光罩把芯片设计电路图投射到涂了光刻胶的硅晶圆上，形成了电路图。

而后用刻蚀机把这个投射出的电路图腐蚀掉了，露出硅基底，形成了电路的样子。这时候硅晶圆上是坑坑洼洼的。

第三步：等离子注入、镀铜

接下来就是等离子注入了，把坑坑洼洼的电路图注满等离子，然后通过热处理，将这些离子稳定下来，这样就形成了构成芯片的所谓的几十上百亿的晶体管了。

而晶体管是相互连接的，这时候要进行镀铜了，在硅晶圆片上均匀镀上一层铜，然后再通过打磨、光刻、刻蚀等等步骤，把铜切割成一条一条的细线，连接好所有的晶体管，真正形成电路图。

第四步：封装、测试

因为芯片有很多层电路，2-3步骤只是一层电路，所以整个2-3的步骤会重复很多遍，多少层就重复多少遍，最后成为加工好的硅晶圆片。

加工好之后就是切割成一块一块的，再进行测试、封装，就成为了一块可安装到设备中的芯片了。

以上是将芯片制造过程进行了简单总结，在具体的制造过程中总共有6000多道工序。在这6000多道工序中，面临着重重难题，那么下面我们就来说说芯片制造所面临的难点。

芯片制造面临的难点

芯片制造主要面临的难点，可总结为以下7点。

1. 材料纯度极高

所用晶圆纯度高达“11个9”，即99.999999999%，洁净度也比手术室的要求严格100倍。

2. 复杂度极大

集成了数百亿的晶体管，复杂程度可想而知。

3. 制程尺寸极小

晶体管的尺寸已经来到5nm的水平。

4. 设备极复杂

半导体对于精度和功能的要求很高，导致简单的工艺能很难满足高精尖的需求。所以需要很多复杂的设备参与生产，比如光刻机。光刻机的光源和光学反射系统都是相当复杂的系统。

5. 投资成本极大

建造一座10nm以下，并拥有产能10万片晶圆/月的晶圆厂需要百亿美元的规模。不光是设备，相关工艺研发也是同等数量级的。

6. 工作流程极长

设备繁多，多以串行处理贯穿制造始终，工作流程的设计、实行、监控要求很高。

7. 分工极细，融合极其紧密

从设计，EDA（电子设计自动化），设备和材料的相互融合，都是各大企业以数十年的行业基础推动而成的，使得后来者很难居上甚至介入。