近日热议天然砂是做什么的？

　　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（EGSi）。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，23步骤只是一层电路，所以整个23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。
　　芯片产业人才培育
　　2019年期间，我国集成电路产业中，设计业人才需求数量增幅趋于稳定，但高端设计人才紧缺的状况并没有得到很好的改善。制造业受产能扩张影响，芯片人才需求保持高速增长。
　　根据《中国集成电路产业人才白皮书（20192020年版）》显示，我国集成电路人才在供给总量上仍显不足，到2022年，芯片专业人才缺口预计超过20万人。随着近几年集成电路行业的不断升温，到2025年人才需求量更大，缺口预计在30万人左右。
　　目前我国半导体主权的实现迫在眉睫。而这一实现无不依赖于人才的培养，而专业的人才培养、高效的创新机制和深厚的科技文化的建立，需要从基础做起，为大众普及相关的科技知识，助力从业人员掌握前沿核心技术。基于此，机械工业出版社策划出版集成电路科学与技术丛书。
　　从沙子到芯片的全景扫描，俯瞰整个半导体制造工艺流程，凝结日本知名半导体专家佐藤淳一从业30多年经验积淀。助力我国实现自给自足，减少进口依赖的半导体行业目标，早日实现半导体行业的腾飞。