自平凡到不凡-手機處理器上篇

說起手機處理器，耳熟能詳的莫過於高通驍龍系列，蘋果的 A 系列，三星獵戶座，MTK 系列和國芯代表海思麒麟。從性能的角度來說，它們或許各不相同，但從材料的角度來說，它們卻是同根同源，而且有點醜小鴨變成白天鵝的樣子。

這次我們不聊性能和跑分，我們來聊聊手機處理器自平凡到不凡之路。

是的，它們同樣誕生於沙子。

石英砂的主要成分是二氧化硅，還記得化學老師經常讓我們背的地殼元素含量大小：氧硅鋁鐵鈣鈉鉀鎂氫，硅是地殼中第二大含量的元素，常以硅酸鹽或者二氧化硅的形式存在，而二氧化硅就在我們常見的沙子中。

類似於「千錘萬鑿出深山，烈火焚燒若等閑」。平凡的事物變成不凡總要經歷磨難，要從不平凡的沙子變成價值昂貴的晶圓，得經歷三個步驟：一是硅提煉及提純；二是單晶硅生長；三是晶圓成型。

知識點1 ：硅提煉及提純。

首先是硅提煉，將沙石原料放入一個溫度約為2000 ℃，並且有碳源存在的電弧熔爐中，在高溫下，碳和沙石中的二氧化硅進行化學反應（碳與氧結合，剩下硅），

SiO2 + 3C → SiC + 2CO

2SiC + SiO2 → 3Si + 2CO

得到純度約為98%的純硅，又稱作冶金級硅。

這對微電子器件來說不夠純，因為半導體材料的電學特性對雜質的濃度非常敏感，最純凈的本徵硅單晶的電阻率在室溫下理論值大於200kΩ·cm。而若在單晶中摻入百萬分之一磷雜質原子，就能使單品電阻率下降到大約0.2Ω·cm，即下降了約一百萬倍。

因此需要對冶金級硅進行進一步提純：現代大量用於生產的是四氯化硅氫還原法、二氯二氫硅還原法、三氯氫硅氫還原法和甲硅烷熱分解法。這些方法的最終目的都是還原出純度高達99.999999999%的電子級硅。具體過程這裡就不一一細說了，就用三氯氫硅氫還原法作為簡單的例子講一下。

首先將硅粉與氯化氫反應得到三氯氫硅，

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2

再對三氯氫硅進行蒸餾提純，這裡畫了個簡單的示意圖。

最後用氫作為還原劑還原已被提純到高純度的三氯氫硅，

SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl

使高純硅澱積在1100～1200℃的高純硅棒熱載體上。

知識點2 單晶硅生長

提煉出了高純度硅可以說是邁出了一大步，接下來就是單晶硅生長。單晶硅生長最常用的方法叫直拉法。在網上找了張示意圖大家看一下。

高純度的多晶硅放在石英坩堝中，溫度維持在大約1400 ℃，爐中通入惰性氣體，使多晶硅熔化，同時又不會產生不需要的化學反應。坩堝帶著多晶硅熔化物在旋轉，把一顆籽晶浸入其中，並且由拉制棒帶著籽晶作反方向旋轉，同時慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出。熔化的多晶硅會粘在籽晶的底端，按籽晶晶格排列的方向不斷地生長上去。在其被拉出和冷卻後就生長成了與籽晶內部晶格方向相同的單晶硅棒。

知識點3 晶圓成型

這一步是最易理解的，將上述成型的單晶硅棒按適當的尺寸進行切割、研磨、拋光，晶圓片製造就完成了。

圖中有三種尺寸的晶圓，按照常理來說晶圓尺寸是越大越好，這樣每塊晶圓就可以切割出更多的晶元。但在晶圓生產過程中，離晶圓中心越遠就越容易出現壞點，這樣就無法隨心所欲地增大晶圓尺寸，目前量產的最大晶圓尺寸為 12 英寸。

至此，石英砂變成晶圓片，身價已是爆增。然而自平凡到不凡的路只走了一半，接下來還需要經過多次影印、刻蝕等步驟，最後封裝成為一塊可用的晶元，這部分比較複雜難懂，留在下篇中再跟大家聊。

有時候讀點技術，會比研究性能跑分更加有趣。

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