硅芯片是主要由硅制成的集成电路。硅是用于开发计算机芯片的最常见物质之一。图片显示了带有多个单独硅芯片的硅晶片示例。
这似乎是一个愚蠢的问题，可以用几句话来回答：硅是元素周期表中的第 14 种元素。它是宇宙的基本成分之一，一个质子比铝重，一个质子比磷轻。然而，硅比几乎任何其他元素都更频繁地出现在像 ExtremeTech 这样的网站上——它是构成你家的建筑材料的主要组成部分，它是所有当前计算机处理器的基础，甚至是最可能成为外星非碳基生命的基础。究竟是什么让硅如此特别？
硅的显着特征中最重要的是，很简单，它有很多。仅次于氧气，它是地壳中第二丰富的元素——但不要指望能在周围找到它。硅在自然界中几乎从未以纯净状态存在，几乎总是以与其他元素的化合物形式出现。它最常见的形式是硅酸盐（SiO 4，或一个硅原子与四个氧原子结合）和二氧化硅（SiO 2，或一个硅原子与两个氧原子结合）。粗糙且高度污染的二氧化硅是沙子的主要成分。长石、花岗岩、石英等均以硅氧化合物为基础。
硅化合物具有多种有用的特性，主要是因为它们可以非常紧密地结合其他原子，并且排列复杂。各种硅酸盐，如硅酸钙，是波特兰水泥的主要成分，是混凝土、砂浆甚至灰泥中的主要粘合剂。一些富含硅酸盐的材料可以加热以生产出瓷器等硬化陶瓷，而其他材料则可以融合形成世界上最主要的玻璃形式，即钠钙玻璃。硅也可以用作其他物质的微量添加剂，例如铸铁，它同时使用碳和硅来使铁更有弹性且不易碎。
而且，是的，硅也是合成材料硅胶的主要结构成分，但不要混淆两者——如果真的是硅谷，那么科技世界将与我们今天看到的截然不同。
硅是如何形成芯片的步骤
- 使用提拉法将硅制成纯硅晶体，该法使用电弧炉将原材料（主要是石英岩）转化为冶金级硅。
- 为了帮助减少任何杂质，硅被转化为液体、蒸馏，然后重新形成棒状。
- 然后将棒或多晶硅分解成块并放入用氩气吹扫以消除任何空气的特殊烘箱中。当加热到超过 2,500 华氏度时，烤箱会熔化大块。
- 块熔化后，熔融硅在坩埚中旋转，同时将小晶种插入熔融硅中。
- 在继续旋转和冷却的同时，种子慢慢地从熔融硅中拉出，形成一个大晶体。通常重达数百磅以上。
- 然后对大硅晶体进行测试和 X 光检查以确保其纯净。
- 如果晶体是纯净的，它会被切成薄片，称为晶圆，如本页所示。
- 切割后，每个晶圆都经过缓冲，以去除切割时可能产生的任何杂质。
- 完成所有缓冲后，将晶圆插入一台机器，用电路设计蚀刻硅。这些设计是使用称为光刻的工艺蚀刻的。
- 光刻的工作原理是首先使用光敏化学物质涂覆晶圆，当暴露在紫外线下时会硬化，然后使用紫外线将晶圆暴露于芯片设计层。
- 曝光后，剩余的光敏化学物质被冲走，只留下芯片设计。化学物质被冲走后，该层可能会被煮熟、用电离等离子体喷射或浸入金属中。每个芯片设计都有多层，因此光刻步骤对每一层重复多次，直到完成。
- 最后，从晶圆上切下每个硅芯片。
在未来的许多年里，硅将不断出现在你的新闻提要中。尽管有些人将碳和其他非硅元素视为下一代计算的平台，如果我们想继续计算能力的指数历史趋势，这将是必要的，但硅仍然是许多领域的首选物质。我们会找到新的和令人兴奋的方法来控制它对电子的处理吗？也许。我们会发现它是宇宙中所有生命的基础，除了在地球上进化的生命吗？可能不会，尽管有可能。至少，我们离放弃它作为建筑材料的用途还差得很远，因为硅化合物是构成地壳绝大部分的岩石的基础。
我们有可能将硅抛在脑后——但在 20 年前这同样是可能的。很可能，它将继续成为人类对物质世界的掌握进程中最重要的物质之一。