「科普」指甲大小的芯片是如何制造出来的？看完之后再也不觉得CPU贵了。。

作者：Zealer订阅号来源：Zealer订阅号公众号

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导语：一个看起来只有指甲盖那么大芯片，里面却包含着几千万甚至几亿的晶体管，想想就觉得不可思议，而在工程上这又是如何实现的呢？

1947 年 12 月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出世界上第一个晶体管。晶体管的问世，开启了20世纪微电子革命。晶体管的发明又为后来集成电路的诞生吹响了号角，开启了第三次科技革命。而第三次科技革命中，芯片技术可谓是最重要的技术之一。

晶体管便是芯片计算的基础，晶体管虽然只能表现出 1 和 0 两种状态,但是这简简单单的 1 和 0 中却可以衍生出世间万物。一个看起来只有指甲盖那么大芯片，里面包含着几千万甚至几亿的晶体管，想想就觉得不可思议，而这到底是怎么实现的呢？接下来我们以英特尔 CPU 为例，给小伙伴们讲一下~

一切都从“沙”开始

硅(SiO2)一直被称为半导体制造产业的基础，就是因为它能够制成一个叫晶圆的物质，而首先我们需要把硅通过多步净化熔炼后变为硅锭(Ingot)。

然后再用金刚石锯对硅锭进行切割，才会成为一片片厚薄均匀的晶圆（1mm），有时候为了定出硅圆片的晶体学取向，并适应IC制作过程中的装卸需要，会在硅锭边缘切割出“取向平面”或“缺口”标记。切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。

到了这一步，我们就需要一样叫光刻胶(Photo Resist)的物质去铺满它的表面了，为了使得光刻胶铺的非常薄、非常平，在浇光刻胶过程中晶圆匀速旋转，图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。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。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。

溶解光刻胶解析：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。使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。

蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，把光刻胶全部清除后就可以看到设计好的电路图案啦。

打造基础

继续往下走，我们还需要继续浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。然后就是重要的离子注入(Ion Implantation)过程，在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)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)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。至此，晶体管已经基本完成。

走向成品

接下来的步骤是，在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。然后我们就可以开始对它进行电镀了，操作方法是在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

当然上面多余的铜也需要先抛光掉，也就是磨光晶圆表面。然后就可以开始搭建金属层了。晶体管级别，六个晶体管的组合，大约 500 纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，(因为是三维结构, 所有连线要在上部连出)，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含 20 多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。

接下来就是大约 10 毫米/0.5 英寸内核级别的晶圆测试，图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。对比后就开始晶圆切片(Slicing)，将晶圆切割成 300 毫米/12 英寸块，每一块就是一个处理器的内核(Die)。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。

这样留下来的芯片，在经过封装，等级测试，正是在这一步，芯片才会被分类成例如 I5,I7 这些等级，再经过打包后，我们才能在各大品台上见到各种各样的芯片了~。

图片参考：