1.前言
元宇宙(Metaverse)，一个充满想象力却又不算新鲜的概念，在那个充斥着数据的世界里，我们可以上学、工作、科研、交易，做着任何我们想做的事情。
构想中的元宇宙世界然而建造这样一个世界，需要一个强大的东西来支持数据的处理工作，它就是芯片，毫不夸张的说，芯片就是“元宇宙之基石”。#你理解的元宇宙#
用于构建元宇宙世界的GPU2.什么是芯片？
通俗点来说，芯片就是把一个电路所需的晶体管和其他器件制作在一块半导体上。通常情况下半导体所应用到的材料就是单晶硅(MonocrystallineSilicon)，如果要制造用于处理元宇宙数据的高性能芯片，那么单晶硅的纯度需要达到99.%以上。如图所示，芯片最初的材料便是这一块一块的单晶硅硅锭了。
生产芯片的原料——单晶硅硅锭我们不可能在这么大的硅锭上制作芯片，于是晶圆厂将硅锭按照要求裁切成一个一个的圆片，图中那个大大的圆片便是我们说的晶圆(Wafer),而放大的部分里面包含着复杂的线路图，这些独立的结构单元称为chips，在某些场合下，芯片也指代chips。
晶圆以及圆上的chips3.芯片的制造工艺
在半导体界有这么一种说法，“如果将制造核弹的难度设定为1，那么制造芯片的难度可能是，制造高性能芯片的难度可能是00。”为什么这么说呢？我们首先来看一张制造芯片的流程简图：
芯片制造流程是不是已经被吓到了？注意，这还是一张简图，实际上芯片制造分为前道工艺和后道工艺，每一段工艺又分为几十甚至上百道工序，中间只要一个环节走不通，那都是半途而废。最后，为了让大家能看得清楚一些，笔者将上述的图再简化如下所示：
芯片制造简图通过上述的图片，我们已经初步了解了制造一枚芯片的流程，芯片制造的困难不仅仅包括设备，同时也包括材料方面的问题。接下来，笔者分别介绍芯片制造中所用到的重要材料。
4.单晶硅，制备芯片结构的衬底
没有高纯度的单晶硅，就不要提芯片，更不用说构建一个元宇宙的虚拟世界了。作为地球上第二丰度的元素，硅广泛地存在于自然界当中。它成本低廉，温度稳定性好，穿透电流低，如此优异的性能使它代替锗，成为了半导体的主流材料。
单质硅主要有单晶、多晶以及非晶硅三类形态，后两种形态缺陷太多，若用于芯片制造，在加工过程中会引起基材的电学以及力学性能变差，因此只能用高纯的单晶硅作为芯片的基元材料。
硅单质的三种形态然而自然界中别说单晶硅，就连硅单质也是不存在的，硅元素主要以硅酸盐以及硅的氧化物形式存在，想从原料中获取单晶硅并不是一个简单的过程，要经过西门子法提纯以及CZ法制备单晶硅两大步骤，这两大步骤具体包括：二氧化硅原料→金属硅→HCl提纯→氢气还原→多晶硅→熔融→拉制单晶硅→切片。
首先，利用焦炭，在℃的条件下，将二氧化硅原料还原成金属硅，此时的金属硅纯度仅仅为97%，具有杂质；随后，利用氯化氢(HCl)在℃的低温下将金属硅变为三氯硅烷，而氯化氢也会将金属硅中的杂质溶解，由于杂质和三氯硅烷蒸汽压较大的差异，此时，杂质的氯化物会受热蒸发，硅的纯度得到进一步提高。
接下来，利用高纯度氢气将高纯度的三氯硅烷通入炉中，在1℃的高温下，炉子内部的硅芯棒上会逐渐长出多晶硅晶体，此时多晶硅的纯度可达99.%。
西门子法制备高纯多晶硅最后一步便是利用多晶硅制备单晶硅，首先将多晶硅加热熔化，随后加入单晶硅的籽晶(Seed)，触碰多晶硅的熔体，此时界面处的硅便会沿着同一个晶面方向生长，通过调控合适的工艺参数，便可得到硅单晶棒。
CZ法制备单晶硅流程单晶硅硅棒经过打磨，抛光，外延，切片等工艺，就形成晶圆了。不过别急，这只是做芯片的第一步。
5.光刻胶，转印芯片电路的媒介
当制备好的晶圆经过氧化处理后，便进入了芯片前道工艺的光刻工序，大家应该都知道光刻机，如果将光刻机比作芯片行业的引擎，那么光刻胶就是助推引擎的燃料。
光刻流程简图光刻胶就是图中橙色的部分，也有人将其称为光阻剂。光刻胶分为正胶和负胶，正胶经过曝光后会溶解于显影液，负胶则是相反的。
按照曝光光源的波长分类，光刻胶分为g线，i线，KrF，ArF以及EUV光刻胶，由左到右，光刻胶对应的曝光波长逐渐变短，先进的EUV光刻胶对应曝光波长只有13.5nm，可用于10nm以下的芯片制程，但目前EUV光刻机只有荷兰ASML能制造。
光刻胶分类光刻胶的组分一直是国外厂商的机密，很难通过逆向解析的手段还原。一般而言，光刻胶的组分包括光引发剂，树脂基体，单体以及助剂。当光刻胶经过紫外光照射后，发生一系列的物理化学变化，电路图形就从掩膜版上转移到光刻胶上面，经过刻蚀后，晶圆片上就形成了对应的图案。
光刻胶反应机理简图我国目前28nm工艺制程使用的光刻胶为KrF型号，目前正在积极开发ArF型光刻胶，而更为高端的产品已经被美国与日本所垄断。
6.成膜，分隔芯片结构的骨架
经过刻蚀，我们已经得到了芯片的基本平面形貌，为了防止各个器件之间的干扰，同时赋予芯片三维结构，我们就需要薄膜（＜1μm）沉积工艺。
芯片薄膜沉积工艺薄膜沉积工艺分为化学气相沉积（CVD）以及物理气相沉积（PVD）两种方式。
典型的CVD工艺是将晶圆（基底）暴露在一种或多种不同的前驱物下，在基底表面发生化学反应或化学分解来产生所需的沉积薄膜。CVD的基本流程如图所示：
CVD基本流程上述的流程包括反应物传输，先驱体反应，气体扩散，衬底吸附，CVD主要用在芯片的氮化层成膜。
而PVD的方式包括蒸镀与溅射，主要用于芯片的金属层，目前多用离子溅射的方式成膜。离子溅射的基本原理是通过气体等离子轰击靶材，将靶材原子“打”出来，并使它沉积在衬底上成膜。
PVD基本流程7.封装，连接芯片电路的外衣
封装属于后道工艺，但也是至关重要的一步。芯片封装是半导体开发的最后一个阶段，不仅仅是为了保护芯片的内部结构和提高芯片的性能，更是为芯片内部结构与外部电路建立了一道沟通的桥梁。
2.5D芯片封装工艺芯片的封装材料主要包括封装基板、引线框架、键合丝、塑封料等四类材料。这四类材料的市场份额在芯片封装材料里占70%以上。
封装材料市场占有率封装基板是芯片的内外承载和保护结构。对于高端芯片，会选择环氧树脂，聚苯醚树脂，聚酰亚胺树脂作为基板材料，相比于金属基板和陶瓷基板，有机基板具有密度小，生产成本低以及加工简单的优势。
而引线框架则是连接内外电路的媒介，它需要较高的导电导热性能，一定的机械强度，良好的热匹配性能，同时环境稳定性要好。一般采用铜基引线框架材料。
键合丝是芯片内部与引线框架的内引线，对于高端产品而言，要求化学稳定性和导电率更高，因此高端芯片一般采用键合金丝作为键合材料，但是缺点是成本过高，因此在一些较为低端的产品，一般用键合银丝以及键合铜丝。
塑封料则是对芯片和引线架构起保护作用。塑封料有金属，陶瓷，高分子塑封料三种方式。相比于前两者，高分子环氧塑封具有低成本，小体积，低密度等优点，目前绝大多数的集成电路都采用高分子环氧塑封。
封装材料示意图8.展望
在经过封装测试之后的其它工艺，一枚小小的芯片就这么诞生了。强大的算力是支持元宇宙运行的基础，根据半导体的摩尔定律：
集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。换言之，处理器的性能大约每两年翻一倍，同时价格下降为之前的一半。
但是随着芯片制成的不断缩小，甚至到现在网传的1.4nm，摩尔定律的适用性在面临挑战。那么，我们不禁要问，能否在原材料上有所突破呢？答案是肯定的，科学家们曾经说石墨烯是下一代芯片材料，但是石墨烯的量产与提纯又是一大问题。近期，科学家们发现二维二硫化钼这种新型半导体：
二硫化钼结构图相比于单晶硅，它具有的优势：
没有单晶硅表面的“悬挂键”，性能比单晶硅更稳定；
很薄，单层的二硫化钼只有6.5埃的厚度，比现在的3nm制程小了5倍，芯片的制程可以进一步缩小，获得更高的算力；
若能批产，可以减少芯片的制作流程。
但是，需要说明的是，作为一种二维材料，它与石墨烯一样很难稳定批产，这就需要材料学家进一步去探索新的制备工艺和新的合成方法了，希望那一天能够早日到来。