从一粒沙子到一枚芯片的奇妙旅程

在地球深处、摄氏1500度高温下沉睡几亿年，碳物质才有可能变成美丽的钻石，从一粒沙子开始，建设一个“芯”的世界，同样要经历严苛艰难的制炼。下面就让我们一起去看看从一粒沙子到一枚芯片的奇妙蜕变之旅。

从沙子到单晶硅锭

半导体制造业的基础是以二氧化硅（SiO₂）形式存在的硅元素，而沙中恰恰富含二氧化硅。制造微处理器需要至纯至净的硅原料，所以必须对收集到的精度硅原料在高温下整形、多次提纯，才能得到电子级硅（EGS）。采用旋转拉伸的方式得到一个圆柱体的单晶硅锭。单个单晶硅锭的重量约为100公斤，硅纯度为99.9999%。

单晶硅锭（计算所公众科学日展品）

从单晶硅锭到晶圆

将单晶硅锭横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆(Wafer)。切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面如镜面般洁净平整。

抛光晶圆（计算所公众科学日展品）

光刻

首先涂光刻胶，光刻胶是一种在光照后能具有抗蚀能力的高分子化合物，用于在半导体基件表面产生电路的形状。蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶涂层。光刻胶随即被曝光在紫外线之下，并变成可溶的。这个步骤的关键环节是“掩膜”,它的作用类似于刻蚀时用的模具，通过紫外线，掩膜会在处理器的每一层形成各种各样的电路图案。

光刻演示模型（计算所公众科学日展品）

晶体管的制作

从现在开始，让我们进入50-200纳米晶体管级别的微观世界，聚焦单个晶体管及其它部件的制作过程。

刻蚀

为了创建三门的晶体管，一种硬掩模材料（深蓝色部分）被应用在光刻过程中，曝光后，大部分粘质的光刻胶都使用溶液溶解掉了。这时，掩膜留下的光刻胶图案就显现出来了（绿色长方体）。

形成临时门电路

使用光刻步骤，晶体管的部分被光刻胶覆盖，并且通过将晶圆插入充氧的管式炉中生成二氧化硅层薄片（红色），这就形成了临时的栅极电介质。再次使用光刻步骤，在表面创建了临时多晶硅层（黄色部分），这就是一个临时栅电极。接着通过氧化步骤中在整个晶片上形成二氧化硅层（红色透明层）以使该晶体管与其他元件绝缘。

形成金属门电路

使用掩模的方法将临时栅电极和栅极电介质被蚀刻掉，使用“原子层沉积”的方法将各个分子层（黄色部分）施加到晶片的表面。使用光刻步骤，将高k材料从不需要的区域蚀刻掉。在晶片上形成金属栅电极（蓝色部分），并使用光刻步骤去除栅电极以外的区域的材料。与传统的二氧化硅/多晶硅栅极相比，这种与高k材料（薄黄色层）的结合使晶体管性能更好，电流泄漏更少。

金属沉积

晶体管上方的绝缘层（红色）蚀刻了三个孔，这三个孔将填充铜或其他材料，之后这一晶体管将通过这些材料与其他晶体管连接。晶圆被放入硫酸铜溶液中，通过电镀将铜离子沉积到晶体管上。铜离子会沉积在晶圆的表面，形成薄薄的铜层。

晶体管模型（计算所公众科学日展品）

形成金属电路层

打磨掉多余的材料，至此，单个晶体管就已经基本完成。接着创建多层金属层，将多个晶体管连起来。具体的连接方式因不同的处理器而异。计算机处理器表面看起来异常平滑，但实际则可能包含了20多层复杂的电路。在放大镜下才能看到错综复杂的电路和晶体管网路，就像是迷你的多层高速公路系统。

光刻后的晶圆（计算所公众科学日展品）

切割芯片

对最终得到的晶圆进行测试后，将晶圆切割成片，每一块就是一个处理器的内核。

切割后的芯片（计算所公众科学日展品）

封装芯片

将衬底、晶片、散热片整合在一起，就形成了一个完整的处理器。

封装后的处理器（计算所公众科学日展品）

组装成机器人

将CPU以及机器人的其他部件组装到一起，机器人就可以完成不同的工作任务。