当今市场上几乎所有的电子商品，或多或少都会用几片集成电路（IC）来控制各种功能，复杂的如电脑中的CPU，GPU （图形处理器） ，简单的如电池中防止过度充电的控制电路。不论多复杂，绝大多数集成电路说穿了就是在单晶硅（Si）上做出成千上万的晶体管，电容，导线，绝缘体等等微小的元件，这些元件连接在一起就可以快速地处理执行各种各样的任务。

一、为什么选择硅？

1、硅具有良好的半导体特性，而且高温下极其稳定 （锗就是因为高温性能差而无法广泛应用，虽然是同族元素而且电子的移动速度还更快）。常温下硅的导电性能并不好，因为每个硅原子外层都有四个电子，而每个硅原子都与四个硅原子形成稳定的化学键（每个化学键需要两个电子），这样就没有额外的电子来用于导电。但是如果往硅单晶里掺入一点点杂质，比如硼（B）或是磷（P），那么其导电性便会成几何级数倍地提高。磷原子外层有五个电子，当一个磷原子取代一个硅原子的位置后，那么就多出了一个可以自由移动的电子，这样导电性能就大大提升了。硼原子外层只有三个电子，当一个硼原子代替一个硅原子的位置之后，则多出了一个带正电荷的空穴，导电性同样也提高了。杂质浓度越高，导电性越好。
2、做IC的半导体材料需要极高的纯度，不能有别的杂质（除了特意添加的B、P等等之外），而硅这种东西相对容易得到，其起始原料来源就是我们常见的沙（成分是二氧化硅），而且也比较容易提纯。
3、硅的氧化产物二氧化硅是一种绝佳的绝缘体，而且耐高温，这个特性让硅成为半导体材料的最佳选择，因为在集成电路中，除了需要容易导电的的介质，也需要容易加工制造的绝缘层，这样才不容易出现漏电现象。
4、当然，到了5纳米技术点（5nm node)，开始出现了把锗（Ge）加入到硅（Si）中，以SiGe形式作为导电通道（channel）的技术，这样是为了加快电子的移动速度和取得更高的电流（drive current).

二、晶体管(transistor)的工作方式

这里说的晶体管不是我们小时候熟悉的那种收音机里用的晶体三级管，而是一种叫场效应晶体管（MOSFET – metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor），如图示。它的基本工作原理是这样的：电荷从硅本底（B）的上层流过，上面隔着一层绝缘层（图中的白紫色，通常是二氧化硅），绝缘层上面则有一个叫门（gate）的部份，在这部份上加上或不加上电压就可以决定底下硅上层这股电流通过或不通过，也就是“1” 和“0” 两种状态，这就组成了一个最基本的逻辑单元。譬如，当gate上加了+5伏特的电压时，硅本底里的电子就会被吸引而往上聚集，这样一来如果在图中S（source)和D(drain)两端加上电压，电流就会在此之间（channel）产生，这样的状态就是“1”。相反的，如果当gate上加了-5伏特的电压时，channel 那里的电子就会被排斥而流向硅本底，这样S和D之间就不会有电流通过，因为它缺少导电介质-电子，这样的状态就是“0”。为了提高电荷的浓度和流动速度，这一层的硅以及接触的两点（Source and Drain)还需要植入一些可以增加导电介质（电子或是空穴）的杂质，如B， P， As等等。

五、制造工艺与设备

那我们怎样制造这些晶体管，电容，导线，绝缘体呢？说简单了，就像是在搞市政建设 – 该挖沟的地儿就挖沟，该填土的地儿就填土，该铺路的地儿就铺路，该架桥的地儿就架桥。只不过这地儿或者比较娇贵，或者比较纯洁，或者比较顽固，能使得上劲的工具还真不容易找到。比如说这挖沟吧，要挖得笔直笔直的，口子还不能有丝毫的扩大或缩小，有时要挖得垂直向下，有时则需要有一定的坡度，而且一般情况下，空旷的地方挖的深度和坡度还得跟狭窄的地方一样，不能差别太大；有的时候，挖的地儿各种土质还不一样，有硬层，有软层，有岩石，有烂泥，还有金属层，这样一来用的工具也就不一样了。填土则有几种填法，有些也用等离子体(plasma)来产生反应，有些则只是一般气体的反应，再把产物填到挖出来的沟里，还有的是提供几种反应物，然后直接在表面上长出一层新东西。建筑这些结构时，有时需要往某一层里灌入一些别种原子，或来加固加固，或来改变这层的物理化学属性，或来帮忙阻挡其他层的原子在里头的扩散，就好象往水泥里倒些砂石一样。铺路架桥的材料一般是各种金属，主要是铝，铜，还有一些其他金属，多用来提高这些材料跟其他层的接触和粘合性能，也有用来改变某些层的物理特性，好让那些电荷们呆得高兴自在些，这样才能心甘情愿地为整体的运作当牛做马。最后提一下，在建筑这些复杂的层层次次时，需要经过好多次的区域规划，比方说挖沟时，需要知道在那挖，哪里不能动，不能动的地儿还得盖上盖儿保护保护，这就是很值钱的所谓的光刻技术（photo lithography），用光和预制好的刻板(光罩)来定义，就像平板印刷技术一样。每一片集成电路从一开始的单晶硅到最后的成品，都需要经过这样那样的几百道工序。最重要的一些IC制造工艺与设备包括：

2、化学气相沉积（CVD – chemical vapor deposition ）。这是一种最常见的制造薄膜（thin film)的工艺。在典型的CVD工艺中，引进一种或多种挥发性前体（precursor ），让其在晶片表面上反应以产生期望的反应产物。反应副产物通常会挥发而被真空泵抽气除去。为了达到理想的效果，经常需要加温或是采用等离子体（plasma）技术先行把反应物分子分离成原子或是各种小基团，以降低化学反应的能垒。利用CVD技术制造的薄膜物质包括多晶硅，二氧化硅，氮化硅，金属钨等等。CVD 除了可以用来制造薄膜之外，还可以用来填沟，比如用二氧化硅来填入沟渠中作为一道绝缘体，杜绝沟两边的电子单元相互之间的联系。

最常用的两种刻蚀方式是电感耦合等离子体（ICP – inductively coupled plasma)和电容耦合等离子体(CCP – capacitively coupled plasma)刻蚀。前者离子浓度大但能量小，后者则是离子浓度小但能量大。不同的刻蚀要求会选择性地采用不同的设备与制程。最后，刻蚀技术最关键的考量是selectivity, uniformity and productivity. 要达到工业化生产要求的刻蚀技术需要通盘考虑到这三点。

6、离子注入 （ion implantation）。这种技术就是常温下用高能量电场把某种杂质离子加速后（比如硼，磷）打入晶片表面以改变其物理、化学或是电性质。离子加速后的能量通常是几个到几十个KeV，这取决于目标中想让这种离子打入多深，能量越高嵌入越深，离子的浓度则还可以用时间长短来调节。由于能量太高，一般都会对晶片的表面产生破坏，所以需要高温来修补这些原子层面的损伤，因为高温下原子才能更好地自由移动，破损的化学健才能得到修补。高温还有一个用途就是让打入的原子能取代原有硅原子占据的晶格位置，这样才能有效地释放额外的电子或是空穴，让其导电性大为增强。如果需要低能量的ion implantation, 通常可以用plasma ion implantation.

7、化学机械平面化（CMP – chemical mechanical planarization)。这种工艺目的就是把前一道工序造成的凹凸不平表面（比如CVD填充）平整成一平面，消除其不均匀（non-uniformity), 以便下一步工序可以有一个简单的uniformed的起始点。这道步骤用化学和机械力的组合来平滑表面。它可以被认为是化学蚀刻和机械研磨抛光的混合。这其中磨料和腐蚀性化学浆料的选择很重要。

8、化学电镀（ECP – electrochemical plating）。 这种工艺主要是用于铜导线制造。其基本原理就是利用电镀技术把铜填入各种结构里作为导体。在电镀之前一般需要先长一层薄薄的种子层（seed layer)来增强相关各层物质之间的粘合力，减少空洞的产生以增强导电性。