25張圖直觀看懂從石英砂到芯片全過程
現(xiàn)代生活中，人們已被各種電子設(shè)備圍繞，手機、電腦、電視……那么，這些電子設(shè)備是靠什么運作的呢？
答案就是芯片！簡單來說，芯片之于電子設(shè)備的地位等同于發(fā)動機之于汽車，而制備芯片的原材料，就是最普通不過的石英砂。下面，我們就來看一看，石英砂是怎么變成芯片的？
1.石英砂
硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子（尤其是石英）最多包含25％的硅元素，以二氧化硅（SiO2）的形式存在，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。
2.硅熔煉
12英寸/300毫米晶圓級，通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體知道質(zhì)量的硅，學(xué)名電子級硅（EGS），平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質(zhì)原子。下圖展示的是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠（ingot）。
3.單晶硅錠
整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度 99.9999％。
4.硅錠切割
橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們常說的晶圓 （Wafer）。順便說，這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧？
5.晶圓
切割出的是晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當鏡子。事實上，intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導(dǎo)體企業(yè)那里直接購買成品，然后利用直接的生產(chǎn)線進一步加工，比如現(xiàn)在主流的45nm HKMG（高K金屬柵極）。值得一提的是，intel公司創(chuàng)立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米。
6.光刻膠（Photo Resist）
下圖中藍色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。
光刻一：光刻膠層隨后透過掩模（Mask）被曝光在紫外線（UV）之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù) 先設(shè)計好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。
光刻二：由此進入納米尺寸的晶體管級別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個處理器，不過從這里開始把視野縮小到其中一個上，展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當于開關(guān)，控制著電流的方向。現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小，一個針頭上就能放下大約3000萬個。
7.溶解光刻膠
光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。
8.蝕刻
使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不應(yīng)該蝕刻的部分。
9.清除光刻膠
蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計好的電路圖案。
10.光刻膠
再次澆上光刻膠（藍色部分），然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。
11.離子注入（ion implantation）
在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的，要摻雜的院子的離子照射（注入）固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)過電場加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。
12.清除光刻膠
離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域（綠色部分）也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。
13.晶體管就緒
至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。
14.電鍍
在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極走向負極。
15.銅層
電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層。
16.拋光
將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。
17.金屬層
晶體管級別，留個晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑，但事實上可能包含20多層復(fù)雜的電路，放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，形如未來派的多層高速公路系統(tǒng)。
18.晶圓測試
內(nèi)核級別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進行對比。
19.晶圓切片（Slicing）
晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個處理器的內(nèi)核（Die）。
20.丟棄瑕疵內(nèi)核
晶圓級別。測試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準備進入下一步。
21.單個內(nèi)核
內(nèi)核級別。從晶圓上切割下來的單個內(nèi)核，這里展示的是Core i7的核心。
22.封裝
封裝級別，20毫米/1英寸。襯底、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底相當于一個底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片就是負責內(nèi)核散熱的了。
23.處理器
至此就得到完整的處理器了（這里是一顆Core i7）。這種在世界上最干凈的房間里制造出來的最復(fù)雜的產(chǎn)品實際上是經(jīng)過數(shù)百個步驟得來的，這里只是展示了其中的一些關(guān)鍵步驟。
24.等級測試
最后一次測試，可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級，比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme，還是低端型號Core i7-920。
25.裝箱
根據(jù)等級測試結(jié)果將同樣級別的處理器放在一起裝運。制造、測試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商，要么放在包裝盒里進入零售市場。