一堆沙子的艺术之旅：从石头到CPU的制造过程

　　本篇文章向大家披露CPU如何制造的过程。
　　我们大多数人都知道CPU是由硅制造的，但是应该不清晰它们是用流程和工艺来制造CPU这么神奇的奇迹，来看看。

　　这个星球上，除了氧气，硅是地壳中最丰富的元素。所有的电子元件都是从沙子中提取出来的，这些硅以二氧化硅（SiO 2的形式存在。
　　一旦硅被纯化到所需的程度（纯度为99.9999999％），它就形成了一个连续的100公斤的硅锭。
　　从一堆沙子到最终产品，涉及很多复杂的步骤。无论是英特尔，AMD，还有ARM，都是这样的流程。
　　CPU——中央处理器，世界上单位体积集成度最大的集成电路核心，也是唯一无法山寨的物品。CPU的制造过程代表了当今世界科技发展的最高水平。
　　
　　处理器的制造过程可以大致分为选取原料沙子(石英)、提纯成硅锭、晶圆、光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装上市等基本步骤。
　　
　　硅熔炼成硅锭：通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。
　　
　　单晶硅锭呈圆柱形，重约100千克，硅纯度达 99.9999%。然后将硅锭横向切割成圆形的单个硅片——晶圆（Wafer）。切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕。
　　
　　对晶圆进行光刻胶（Photo Resist）在晶圆旋转过程中浇上蓝色的的光刻胶液体，晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、平。
　　
　　光刻胶层随后透过掩模（Mask）被曝光在紫外线（UV）之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。
　　
　　一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。晶体管及其微小，一个针头上就能放下大约3000万个。
　　
　　溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。然后光刻，并洗掉曝光的部分。
　　
　　离子注入：在真空系统中，用经过加速，并掺杂原子的离子照射固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。
　　
　　离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域（绿色部分）也已注入了不同的原子。这时候的绿色和之前已经有所不同。
　　至此，晶体管的制造已经基本完成。然后在绝缘层（红色部分）上蚀刻出三个孔洞，并填充上铜，以便和其它晶体管互连。
　　
　　电镀铜层：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。电镀完成后，沉积在晶圆表面的铜离子形成一个薄薄的铜层。
　　
　　抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。
　　
　　磨光后的晶圆表面下显露出金属层，铜离子金属层属于晶体管级别，大约500纳米。金属层在不同晶体管之间形成复合互连金属层，尽管芯片表面看起来异常平滑，但事实上包含20多层复杂的电路，形如未来世界的多层高速公路系统。
　　进行晶圆测试：使用参考电路图案和每一块芯片进行功能性测试，然后丢弃瑕疵内核。
　　将晶圆切割成块，尺寸300毫米/12英寸，每一块就是一个处理器的内核(Die)。
　　
　　图为英特尔 Core i7 的核心。
　　
　　封装CPU：将衬底(基片针脚)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。封装级别，20毫米/1英寸。
　　
　　最后一次等级测试：可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级。
　　
　　制造、测试完毕的处理器包装好后进入市场。
　　
　　这些制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商，要么放在一个很漂亮的包装盒里进入零售市场。
　　不同的CPU会做不同的事，有的用来渲染游戏和视频或美丽的风景，甚至帮助设计一个大片电影。
　　目前，所有的CPU都是按照这样的规则制造出来的，比如x86,ARM,DRAM,Soc,ASIC等系列，只不过布线方式，编程指令集和制造工艺稍有点区分。