相信在初次認識CPU的時候，每個萌新都會被大佬告知：CPU是沙子做的。事實上追本溯源，CPU確實是從沙子中來的，而且基本上絕大部分芯片都是從沙子中來的。這時候問題就來了，沙子是如何歷經千辛萬苦搖身一變，成為價格不菲的芯片的呢？
這次的小科普我們就通過CPU的制備來簡單講講芯片是如何制作出來的。
沙子變成CPU要經歷制作晶圓-前工程-G/W檢測-后工程-篩選分裝這5個大的流程。細化之后又可以分成18個比較小的步驟。
我們常說的沙子制作CPU其實并不嚴謹，作為半導體材料，產業中用的最多的是硅元素。硅元素在地球上的儲量僅次于氧元素，數據顯示地球的硅元素含量在28%左右。得益于硅元素巨大的儲量和良好的半導體性質，它也就成為了制作集成電路的最優秀的原材料。換句話說，沙漠這種能大量提供沙子的地方已經成為了優質硅元素的重要來源。
Step.1硅提純
沙子的主要成分是二氧化硅，CPU要用到的只是其中的硅元素，即單晶硅，這一步的主要目的就是從沙子中將硅元素熔煉、提純出來。
這一步看起來簡單，實際難度也很大。目前主要的提純手段是將二氧化硅與焦煤置于1600-1800℃的環境中，將二氧化硅還原成純度為98%左右的冶金級單質硅，緊接著使用氯化氫繼續提純出99.99%的多晶硅。
雖然此時的硅純度已經很高，但是其內部混亂的晶體結構并不適合半導體的制作，還需要經過進一步提純、形成固定一致形態的單晶硅。這里要提一點，整個芯片行業對硅晶體的純度要求達到了驚人的99.999999999%，這個數據一點都不夸張，因為硅晶體中的任何雜質都會影響一整塊單晶硅的品質。
Step.2制作硅錠
第一步中提純出的單晶硅性狀比較穩定，這里可以類比一下同族元素中的碳元素。我們知道碳在自然環境中形成的穩定晶體是鉆石，單晶硅晶體也是同理。目前制備單晶硅錠的方法主要是直拉法。在高溫液態化的硅元素里加入籽晶，提供晶體生長的中心，慢慢將晶體向上提升，上升同時以一定速度繞提升軸旋轉，以便將硅錠控制在所需直徑內。結束時，只要提升單晶硅爐溫度，硅錠就會自動形成一個錐形尾部，單晶硅錠的制備就完成了。
Step.3 切割硅錠
這一步會把制備完成的硅錠切割成切割成1mm厚的圓片，也就是平常所說的晶圓。由于單晶硅性質穩定，所以切割工具用的是更加NB的金剛石鋸，也就是鉆石鋸。
上圖中切割完成的晶圓上的缺口有兩個作用：第一是為了定出晶圓的晶體學取向，第二則是為了運輸拆卸方便。
Step.4研磨晶圓
由于切割出的晶圓表面依然不光滑，所以需要經過仔細研磨來減少切割時造成的凹凸不平的表面。研磨的時候會用到一些特殊的化學液體來對晶圓表面進行清洗，最后拋光。到這一步為止晶圓的制備就算完成了。之后晶圓會被裝進特殊的盒子里密封保存運輸。
通常來說，芯片廠商并不會自行制備晶圓，而是直接采購晶圓廠的產品進行芯片的制作。
前工程的整個流程的目的是為了在晶圓之上制作出帶有電路的芯片。研磨完成的硅圓片在經過質檢后可以直接投入產線進行生產。
Step.5 涂抹光刻膠
硅圓片經過檢查篩選無誤后就會投入產線中進入涂抹光刻膠（感光樹脂，在受到光線照射后會發生化學反應）的環節。這一步會將先將光刻膠滴到晶圓上，通過高速旋轉涂抹使光刻膠變成均勻一致的薄膜覆蓋到晶圓上，之后控制溫度將光刻膠進行固化。
Step.6紫外線照射
這一步就是我們平時所講的光刻工藝。整個CPU的制作環節中，這一步是最復雜，成本最高的。這一步的原理是讓紫外線通過預先設計好的電路圖案模具，然后改變晶圓上光刻膠的性質，達到電路圖的復制。
這里要插一段小貼士。因為光刻機的制造和維護都需要非常高的技術儲備，因此掌握光刻機也被稱為世界上最精密的儀器。目前世界上掌握光刻機制造技術的廠商只有寥寥幾家。在這些廠商中，又有一家巨頭中的巨頭，就是大名鼎鼎的荷蘭光刻機制造商ASML，中文名為阿斯麥。阿斯麥的超高端光刻機每年產量只有2到3臺，售價N億美金。
Step.7光刻膠溶解
這一步的目的是溶解經過紫外線照射的光刻膠。由于電路圖案部分的光刻膠已經發生了化學性質變化，因此可以溶解在噴射到晶圓上的強堿性顯影液里，而未被照射的部分則會完整保留下來。溶解完成后的晶圓經過沖洗、熱處理之后就會進入到下一環節。
Step.8蝕刻
這一步會將晶圓放置到特殊的蝕刻槽內，通過藥劑的腐蝕作用將暴露在藥劑中的晶圓進行蝕刻。蝕刻的過程中會在蝕刻槽內加入超聲波震動，幫助去除晶圓表面的雜質，放置在蝕刻的過程中造成不均勻的現象。
蝕刻完成后，整個晶圓的首層電路圖就已經完成了。在這之后需要通過等離子體對晶圓表面的光刻膠進行去除，以便保留完整干凈的、帶有首層電路的晶圓。
因為目前的芯片晶體大多采用FINFET工藝，所以單層處理淵源制作不出所需要圖案，因此要不斷重復涂膠-光刻-溶解這一步驟，并且在這個過程中穿插各種成膜（絕緣膜、金屬膜）工藝，才能最終獲得所需要的3D晶體管結構。
Step.9離子注入
因為蝕刻完成的晶圓還不具備芯片所需的電氣性質，所以這一步的目的是將特定的元素強行注入到晶圓內部，以便控制內部導電類型。為了達到這一目的，目前廣泛應用的技術是離子注入法。在離子注入機中，將需要摻雜的導電性元素導入電弧室，通過放電使其離子化，經過電場加速后，將離子束由晶圓表面注入。離子注入完畢后的晶圓還需要經過熱處理，一方面利用熱擴散原理進一步將導電元素'壓入'晶圓中，另一方面恢復晶格完整性，活化注入元素的電氣特性。
經過這一步驟后，晶圓內部的某些硅原子已經被替換成了其他原子，從而獲得了能夠產生自由電子或者空穴的性能。
最后，清理掉晶圓上的光刻膠就可以進行下一步處理。
Step.10絕緣層處理
到這一步，晶體管的雛形已經基本完成了。此時需要利用氣相沉積法在硅晶圓的表面沉積一層氧化硅薄膜，形成絕緣層。之后利用光刻技術在不同電路層之間開孔，引出導體電極。
Step.11沉淀銅層
這一步的目的是將銅均勻沉積到絕緣層上，下一步可以直接在銅層上進行布線。利用濺射沉積法完成銅層的沉淀后，再次利用光刻機對銅層進行雕刻，形成場效應管的源極、漏極、柵極。最后，在銅層上沉積一層絕緣層。
Step.12 構建互聯銅層
經過上面一系列漫長的過程之后，芯片的晶體管結構已經制作完成，這一步的主要目的就是將晶體管連接起來。構建連接電路的過程相當繁復，也需要經過銅層沉積-光刻-蝕刻開孔-沉積絕緣層等步驟，而且這一系列步驟還要重復多次，最終形成非常非常復雜的多層電路網絡。
由于現在的集成電路中基本都會涵蓋非常多的精細化原件和龐大復雜的電路，所以實際上最終完成的電路結構會高達幾十層，微觀結構的復雜程度不亞于一座大型城市的交通、電力、給排水網絡。
到這一步為止，芯片電路已經基本完成。經歷了數百道精密加工的晶圓已經具備了化身為CPU的條件。需要強調的是在這個過程中任何一道工序出錯都會導致整片晶圓的報廢。在如此微觀的世界中構造出數十億個晶體管，不夸張得說一句，這可以稱得上是人類所有智慧的完美結晶。
Step.13 G/W檢測
G/W檢測全稱Good-Chip/Wafer檢測，目的是檢測晶圓上的每塊芯片是否合格。通常情況下這一步會使用探針接觸集成電路的電極焊盤，然后在探針中輸入預先編好的輸入信號，通過檢測輸出端的信號來確定芯片是否合格。
Step.14 晶圓切片
通過G/W檢測的晶圓會進入到切片階段。依然是使用覆蓋了金剛石顆粒的圓鋸（厚度僅有0.02毫米）對晶圓進行切割。切割下的每一塊晶圓（指甲蓋大小）都是一個單獨的CPU內核。這個過程中會有不少外觀破損的芯片，難以補救，這些芯片會被直接丟棄。
Step.15 內核裝片固定
切割完成的芯片就是我們通常講的CPU內核，因為是晶圓狀態所以無法直接使用，需要經過這一步裝片過程，把內核固定到基片電路上。這個過程全程都會交給計算機控制的自動固晶機來實現。
Step.16 封裝
這一步的目的是將裝片固定好的芯片跟封裝基板上的觸點一一對應，實現電氣連接。通俗來講，封裝應該是給芯片內核安裝一個能夠被其他配件使用的外殼。這個外殼并不僅僅提供固定作用，同時還可以保護芯片、增強散熱。以Intel為例，牙膏廠的CPU目前大都采用LGA封裝，在CPU核心上涂抹硅脂后，再加上金屬后蓋以達到增強散熱、避免擠壓的目的。
至此，一枚嶄新的CPU正式誕生。
Step.17 等級篩選
嶄新的CPU誕生后，面臨的將是一系列全面且復雜的測試過程。這一過程會測試出每一片CPU的穩定工作頻率、功耗、發熱情況，如果在測試過程中能夠發現CPU的一些硬件方面的缺陷，廠商就會采取硬件屏蔽措施來對嶄新的CPU進行閹割。這一步完成之后，就把CPU正式分為不同等級類型。我們平常的所說的i7、i5、i3就是這么區分開的。
Step.18 裝箱零售
CPU完成等級篩選之后，就回最終進入裝箱包裝的環節，進入各種渠道進行銷售。我們通常講的盒裝CPU就是零售渠道的產品。針對針對大企業客戶（如聯想、戴爾、惠普等主機廠商），CPU廠商會使用大宗包裝（工包）的方式出貨來節省單個包裝帶來的成本增加，這類CPU通常會被劃歸到'散片'這一類別。
從源頭來講，兩類CPU是同根同源，區別在于部分奸商拿到'工包''散片'產品之后會進行進一步篩選，高價賣出表現優異的CPU，而將性能稍差的CPU通過其他手段進行銷售。這樣的做法也就難以保證'散片''工包'都是全新，都是未經過篩選的產品。
芯片產品是集成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項目。相信每一個中國IT人都期待國產高性能CPU誕生的那天。
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