說起晶片，必然少不了這晶片中用到的半導體材料——單晶矽。話說，這單晶矽可以是從大沙漠中來的，那就是，沙漠中，數量上足以碾壓一切的存在——沙子。那麼，你們是否會好奇，到底沙子是怎麼蛻變成晶片的呢？

其實，從成分來看，沙子的主要成分是二氧化矽，並不是能夠直接用於晶片中的矽的單晶體。這些沙子首先要進熔爐“重塑一下自我”。下面是沙子變成晶片的步驟。

一、矽提純

沙子的主要成分是二氧化矽，CPU的主要成分是矽元素，即單晶矽，那麼我們第一步就是要提純矽元素。這一步難度非常大，晶片行業對矽元素的提純要求達到了99.9%，否則品質會大受影響。

二、製作矽錠

製作矽錠的主要方法是直拉法。在高溫也太話的矽元素裡假如籽晶，慢慢向上拉昇，同時以一定的速度提升軸旋轉，以便將矽錠控制在所需直徑內，最後形成一個錐形尾部，單晶矽錠就製作完成了。

三、切割矽錠

將製作好的矽錠切割成1mm厚的圓片，也就是晶圓。

四、研磨晶圓

用特殊的化學藥品將不光滑的晶圓研磨光滑。

一、塗抹光刻膠

用光刻膠把它均勻的澆注到旋轉的晶圓上。

二、紫外線照射

就是我們說的光刻工藝，透過紫外線在預先設計好的模具上改變晶圓上的矽膠性質，達到電路圖複製。

三、光刻膠溶解

溶解紫外線照射國的光刻膠。

四、蝕刻

將晶圓放在特殊的蝕刻槽裡，透過藥劑的腐蝕作用對晶圓蝕刻。

五、離子注入

蝕刻完的晶圓不具備晶片所需的電器性質，這就需要強行離子注入，以便控制內部導電型別。

六、絕緣層處理

利用氣相沉積法在晶圓上邊形成一層氧化膜，達到絕緣層的目的。

七、沉澱銅層

將銅均勻沉積到絕緣層上，以便在上邊佈線，最後在銅層上再次沉澱絕緣層。

八、構建互聯銅層

我們需要將電晶體連線起來。就需要構建多層電路網路。

九、G/W檢測

這部步就是檢測晶圓上的晶片是否合格。

一、晶圓切片

二、核心裝片固定

三、封裝

四、等級篩選

五、封裝零售

沙子是提取半導體材料的原料，比方說提取單晶矽，多晶矽，非晶矽，製作晶片就需要半導體材料矽片，下面的新品製作過程就不用再說了，不在問題範圍

首先，我們要知道什麼是晶片？晶片幾乎存在於我們每天的生活，從手機到電腦到汽車到飛機。

所有的故事要從Willian shockly 開始，在1948年，William shockly 和 John Bardeen 和Walter Brattain 在貝爾實驗室發明了電晶體（電晶體的英文是transistor）電晶體是晶片的基本組成器件。他們三位也是1956年的諾貝爾物理獎的得主。圖片中坐著的那位就是William Shockly .早期的電晶體就是圖片所示。距離今天的高整合度晶片還有一定的距離。

為了讓這種電晶體商業化，矽谷也就誕生了。晶片的主要材料是矽，從沙子中提純出來的。矽的英文是silicon ，所以他們將那裡命名為Silicon Valley.

在1960年Gordon Moore, C. Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Robert Noyce, Victor Grinich, Julius Blank, Jean Hoerni and Jay Last聯合創辦了Fairchild公司，大家耳熟能詳的Intel,AMD,Texas Instruments(National Semiconductor)也都是跟這個公司有著千絲萬縷的關係。

現在的電晶體是這樣的。大家肯定在想矽做為一種非常中性的物質，是如何傳遞電訊號的呢？

常見的晶片的主要組成是矽，矽在週期表上是四價元素，其實是並沒有多餘的電子可以導電的。但是人們運用摻雜的辦法（英文叫做doping）運用五價元素和三價元素加在矽片裡。五價元素是多一個電子的，三價元素是少一個電子的。在微觀的世界裡，當這種摻五價元素的矽和摻三價元素的矽放在一起，電子和空穴（我們把電子移動以後留下的位置稱為空穴，但是把它當作和電子類似實際存在的物質）會自主的移動的。在加上電源以後，會出現如下圖的電子和空穴移動。

這是現在的晶片的電晶體的樣子。叫做MOSFET（M:metal O:oxide S:semiconductor）.P代表摻雜三價元素的矽，N代表摻雜五價元素的矽，在P上面的那層是矽的氧化物，在矽的氧化物上面是一層金屬。 S,G,D分別代表源級（source），柵極(gate),漏級（drain）.當在這三級加上相應的電壓以後，在矽的氧化物的下面會出現一個電子的通道將兩端摻N的矽連起來，這樣電晶體也就開始導電了。圖示是NMOS.PMOS則是將圖中的P換成N,N換成P。PMOS,NMOS就是現在整合晶片的主要組成了。至於每次大家總會用幾奈米來形容積體電路的工藝指的就是源極和漏級的距離，如圖所示。相當於電子需要走多久到達另一端。現在最先進的工藝是7nm。1mm=1000um=1000000nm.可見這並不是人手工就能做出來的器件。

晶片設計師運用軟體去設計晶片並且模擬.根據每一種工藝，要用軟體裡的尺子確保不同的材料之間應該有相應的距離。左邊的圖我們叫做schematic，運用如圖所示的符號來代表PMOS和NMOS.右邊的圖叫做layout,代表了在實際加工中晶片的樣子。不同的顏色是指的不同的材料。

以下是一個32位的加法器的schematic和layout.在現代的超大規模整合晶片裡，一塊小小的晶片可能有數億的電晶體。

那麼晶片又是如何從沙子變到晶片的呢？沙子的主要成分是二氧化矽，透過在超高溫條件下提純，會得到Ingots.將Ingots分割成大概只有20-30mm厚的晶圓（wafer）.

透過運用不同的模具和光刻技術（目前最先進的光刻機主要是由荷蘭的ASML提供），就能夠將晶片製造出來。晶圓的大小不同，上面可以容納的晶片的數量也不同。之後將晶圓上的晶片分割開來，進行測試。但是大家通常見到的都是經過封裝以後的晶片，就是一個可能拇指大小的封裝盒。封裝盒裡面其實有金屬線是直接連到晶片對應的引腳的，封裝盒的引腳實際上是連線著晶片的每個輸入輸出端。透過封裝測試可得知晶片的功能是否完備。然後將封裝盒的引腳放入到對應的開發板上，人們就可以從外部來控制晶片了。

相信在初次認識 CPU時，每個萌新都會被大佬告知： CPU是沙做的。實際上， CPU的確是從沙中產生的，並且基本上絕大多數晶片都是從沙中產生的。這時，問題來了，沙子是怎麼經過千辛萬苦才變成昂貴的晶片的呢？

這次我們將從 CPU的製備入手，簡單的講一下晶片是怎樣被製造出來的。

將砂子變成 CPU要經過製造晶片-前期工程- G/W檢測-後期工程-篩選分裝這五大流程。精化後可以再分為18個較小的步驟。

晶片製造

人們經常說的沙子做 CPU，其實並不嚴格，作為半導體材料，行業內用得最多的就是矽。地球上矽元素的儲量僅次於氧元素，資料顯示地球矽元素含量約為28%。由於矽元素有很大的儲備，又有很好的半導體特性，它已成為製造積體電路的最佳原料。換言之，能夠提供大量沙子的沙漠地帶已成為優質矽元素的重要來源。

1.純化矽

砂粒的主要成分是二氧化矽， CPU所使用的只是其中的矽元素，即單晶矽，這一步的主要目的是將砂粒中的矽元素熔化，提純。

這個步驟似乎很簡單，實際上卻很困難。當前最主要的淨化方法是用焦煤和二氧化矽在1600-1800℃的溫度下，將其還原成冶金級純度約為98%的單質矽，隨後用氯化氫繼續淨化99.99%的多晶矽。

儘管現在的矽純度已經很高了，但其內部雜亂的晶體結構不適合半導體制造，還需要進一步淨化，形成固定一致的單晶矽形狀。需要指出的是，整個晶片工業對晶片純度的要求是驚人的99.999999999%，這一資料一點也不誇張，因為晶片中的任何雜質都會影響整片單晶矽的質量。

2.製作矽錠首先

純化出的單晶矽的性質比較穩定，這裡可以與同族元素中的碳元素進行類比。眾所周知，自然條件下碳形成的穩定晶體是鑽石，單晶矽晶體也是如此。現在主要採用直拉法來製備單晶矽。將籽晶新增到高溫液態矽元素中，提供晶體生長的中心，緩慢地將晶體提升到上，同時在提升軸上以一定的速度旋轉，從而將矽錠控制在所需的直徑之內。最後，只需升高爐溫，矽錠就會自動形成一個錐形尾，單晶矽錠的製備就完成了。

3.切削矽錠

這個步驟將製備好的矽錠切割成1毫米厚的圓片，即通常所說的晶圓。因為單晶矽性質穩定，所以切削工具使用的是更 NB的鑽石鋸，也就是鑽石鋸。

上面的切口在切口處起到了兩個作用：一是確定晶圓的晶體學方向，二是便於運輸和拆卸。

4.研磨矽片

因為晶圓被切割後表面仍然不光滑，所以需要仔細研磨以減少被切割後產生的凹凸面。磨削時會使用一些特殊的化學液體來清潔晶圓的表面，最後將其拋光。直到這個步驟才準備好晶片，就算完成了。隨後，晶片被裝入特殊的盒子內，以儲存運輸。

一般情況下，晶圓製造商不會自己製造晶圓，而是直接購買晶圓廠的產品來生產晶圓。

前期工作的整個流程都是用來在晶片上製造帶電路的晶片。磨削後的矽圓片經質量檢驗合格後，可直接入生產線生產。

5.塗抹光刻膠

經檢查篩選無誤後，矽圓片將進入生產線上塗抹光刻膠(感光樹脂)環節(受光線照射時發生化學反應)。在此步驟中，首先將光刻膠滴在晶片上，透過高速旋轉塗抹，使光刻膠形成均勻均勻的薄膜，然後再控制溫度使其固化。

6.紫外線輻照

這個步驟就是我們通常所說的光刻工藝。在整個 CPU製作環節中，這個步驟最為複雜，成本也最高。這個步驟的原理是讓紫外線透過預先設計的電路模子，然後改變晶片上的刻膠的性質，從而實現電路圖的複製。

請在此插入一條提示。由於製作和維護光刻機需要很高的技術儲備，所以掌握光刻機也是世界上最精密的儀器。掌握了光刻機制造技術的世界上僅有極少數的廠商。其中還有另一個巨頭，即著名的荷蘭光刻機制造商 ASML，它的中文名字叫阿斯麥。一年只能生產2-3臺的阿斯麥超高階光刻機將賣出 N億美元。

7.型光刻膠溶解

這個步驟旨在溶解紫外線照射下的光刻膠。因為迴路模式部分的光刻膠已經發生了化學變化，它可以溶於一種強鹼性的顯影液中，噴入晶圓，而未被照射的部分將保持完整。溶化結束後，晶片經沖洗，熱處理後，進入下一個環節。

8.型金屬蝕刻

這個步驟是把晶片放入一個特殊的蝕刻槽中，透過藥劑的腐蝕作用使晶片與藥劑接觸而被腐蝕。腐蝕過程中會在腐蝕槽內加入超聲振動，有助於去除晶圓表面的雜質，放置腐蝕過程中會產生不均勻現象。

當腐蝕完成時，晶片的第一層電路就已經完成了。此後，為了保持晶片完整、乾淨和有第一層電路，需要用等離子體將晶片表面的光刻膠去除。

由於現有的晶片晶體大多采用 FINFET工藝，所以單層加工淵源無法制造出所需圖案，因此必須不斷重複塗膠—光刻—溶解這一過程，並穿插各種成膜(絕緣膜，金屬膜)工藝，以最終獲得所需的3D電晶體結構。

9.型離子注入法

由於蝕刻完成的晶圓尚不具有晶片所要求的電學特性，因此此步驟旨在向晶圓內部強制注入特定元素以控制內部傳導型別。為實現這個目標，目前廣泛採用的技術就是離子注入法。在離子注入機中，需要摻雜的導電元素被匯入到電弧室中，透過放電使之離子化，並在電場的作用下加速，將離子束從圓片表面注入。在離子注入完成後，晶片仍需進

晶片產品是積體電路時代的工藝集大成者，政府目前也投入了大量人力物力進行CPU的研發，但冰凍三尺非一日之寒，這是個需要不斷積累的過程，而不是砸錢可以完成的專案。相信每一箇中國IT人都期待中國產高效能CPU誕生的那天。