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如何從沙子製造晶圓

　近期因電影再度熱門的科幻小說《沙丘》中，散布在沙丘之間的珍貴「香料」能幫助各種族在星際航行，是全宇宙爭奪的重要資源。

　不過在地球上，沙漠中的「沙子」，其實也是推動人類文明前進的要角。當前資訊社會中的各式電子產品，都是仰賴沙子中的「矽」才得以發展運行。

　沙子的主要成分是二氧化矽，其中的矽元素擁有獨特性質，加工後，可製成介於導體與絕緣體之間的「半導體」。有時導電有時不導電的半導體，能利用通電與否來代表「二進制」中的零和一，進一步達成電子運算的功能。

　不論是電腦、手機，或是電磁爐這類較簡單的家電用品，都需要由矽打造的晶片來執行最核心的運算與判斷。如今，各種產業發展都少不了電腦與晶片，使得矽幾乎成為人類文明的核心元素。

參雜元素
電子有多有少

　矽元素在地殼中藏量豐富，許多礦物中都有它的蹤影。透過特殊的化學和物理方法，矽元素可以從沙子中萃取出來，再經過切割與加工，就成為一片片閃亮的矽晶圓。

　不過，純的矽塊材中，每顆矽原子外圍的四顆電子剛好都被四周鄰居牽住，沒辦法流動，因此是塊沒什麼特別的絕緣體。要晉升為「半導體」，就得在矽中摻雜一些外圍電子數量不同的元素，像是磷（五顆）或是硼（三顆）。

　在前者材料中，每顆磷原子都會有一顆電子沒辦法和相鄰電子形成鍵結，這顆無拘無束的自由電子，就能在通電時形成電流；相反的，硼原子少一顆電子所帶來的空缺，則會傾向於吸引電子來補滿，等於是一顆自由移動的正電荷。

　經過摻雜不同元素後的矽材，導電性會介於絕緣體和金屬之間，因此被稱為「半導體」。其中，摻入磷的矽因為多了許多帶負電的電子，因此被稱為N型半導體，其中N代表負電（Negative）；摻入硼的矽因為擁有許多正電（Positive），則稱為P型半導體。

　將這兩種半導體依特定的方式組合後，就能打造出「電晶體」。電晶體如同一個迷你閘門，能透過通電與否來控制電流流動的方向，達成前述提到的二進制電子運算。將上百萬到數億個電晶體設計排列後，就是現代電器所使用的晶片了。

用光雕刻
打造奈米電路

　不過當今電腦和手機中的處理器晶片最大也不過幾公分，上面每個電晶體只有幾十奈米大，在如此微小的加工尺度下，沒辦法用銲接等傳統接電路的方式，將各個元件連起來。因此電晶體並不是像拼圖一樣被組裝成一塊，而是被直接雕刻在矽晶圓之上。

　利用某些材料照光後變得容易溶解的特性，工程師會在晶圓塗上特殊塗料，並事先依照設計好的電路圖案製作遮罩。

　遮罩上鏤空的電路圖案能讓光線透過，進而在塗上特殊塗料的晶圓上也留下同樣的圖案。這時再用藥劑沖洗晶圓，被光線照過的塗料就會被溶解，留下奈米級的精密電路。這個過程重複數次，就能完成一塊半導體晶圓。

　晶圓在裁切、包裝後就成了晶片，能作為電子用品中的核心處理器，幫助我們完成日常生活的大小事。從半導體、電晶體、到晶片，矽元素讓人類走進了數位時代，改寫了二十世紀以降的歷史。