CPU制造全过程，一堆沙子的艺术之旅

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。