相信在初次认识CPU的时候，每个萌新都会被大佬告知：CPU是沙子做的。事实上追本溯源，CPU确实是从沙子中来的，而且基本上绝大部分芯片都是从沙子中来的。这时候问题就来了，沙子是如何历经千辛万苦摇身一变，成为价格不菲的芯片的呢？
这次的小科普我们就通过CPU的制备来简单讲讲芯片是如何制作出来的。
沙子变成CPU要经历制作晶圆-前工程-G/W检测-后工程-筛选分装这5个大的流程。细化之后又可以分成18个比较小的步骤。
我们常说的沙子制作CPU其实并不严谨，作为半导体材料，产业中用的最多的是硅元素。硅元素在地球上的储量仅次于氧元素，数据显示地球的硅元素含量在28%左右。得益于硅元素巨大的储量和良好的半导体性质，它也就成为了制作集成电路的最优秀的原材料。换句话说，沙漠这种能大量提供沙子的地方已经成为了优质硅元素的重要来源。
Step.1硅提纯
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，即单晶硅，这一步的主要目的就是从沙子中将硅元素熔炼、提纯出来。
这一步看起来简单，实际难度也很大。目前主要的提纯手段是将二氧化硅与焦煤置于1600-1800℃的环境中，将二氧化硅还原成纯度为98%左右的冶金级单质硅，紧接着使用氯化氢继续提纯出99.99%的多晶硅。
虽然此时的硅纯度已经很高，但是其内部混乱的晶体结构并不适合半导体的制作，还需要经过进一步提纯、形成固定一致形态的单晶硅。这里要提一点，整个芯片行业对硅晶体的纯度要求达到了惊人的99.999999999%，这个数据一点都不夸张，因为硅晶体中的任何杂质都会影响一整块单晶硅的品质。
Step.2制作硅锭
第一步中提纯出的单晶硅性状比较稳定，这里可以类比一下同族元素中的碳元素。我们知道碳在自然环境中形成的稳定晶体是钻石，单晶硅晶体也是同理。目前制备单晶硅锭的方法主要是直拉法。在高温液态化的硅元素里加入籽晶，提供晶体生长的中心，慢慢将晶体向上提升，上升同时以一定速度绕提升轴旋转，以便将硅锭控制在所需直径内。结束时，只要提升单晶硅炉温度，硅锭就会自动形成一个锥形尾部，单晶硅锭的制备就完成了。
Step.3 切割硅锭
这一步会把制备完成的硅锭切割成切割成1mm厚的圆片，也就是平常所说的晶圆。由于单晶硅性质稳定，所以切割工具用的是更加NB的金刚石锯，也就是钻石锯。
上图中切割完成的晶圆上的缺口有两个作用：第一是为了定出晶圆的晶体学取向，第二则是为了运输拆卸方便。
Step.4研磨晶圆
由于切割出的晶圆表面依然不光滑，所以需要经过仔细研磨来减少切割时造成的凹凸不平的表面。研磨的时候会用到一些特殊的化学液体来对晶圆表面进行清洗，最后抛光。到这一步为止晶圆的制备就算完成了。之后晶圆会被装进特殊的盒子里密封保存运输。
通常来说，芯片厂商并不会自行制备晶圆，而是直接采购晶圆厂的产品进行芯片的制作。
前工程的整个流程的目的是为了在晶圆之上制作出带有电路的芯片。研磨完成的硅圆片在经过质检后可以直接投入产线进行生产。
Step.5 涂抹光刻胶
硅圆片经过检查筛选无误后就会投入产线中进入涂抹光刻胶（感光树脂，在受到光线照射后会发生化学反应）的环节。这一步会将先将光刻胶滴到晶圆上，通过高速旋转涂抹使光刻胶变成均匀一致的薄膜覆盖到晶圆上，之后控制温度将光刻胶进行固化。
Step.6紫外线照射
这一步就是我们平时所讲的光刻工艺。整个CPU的制作环节中，这一步是最复杂，成本最高的。这一步的原理是让紫外线通过预先设计好的电路图案模具，然后改变晶圆上光刻胶的性质，达到电路图的复制。
这里要插一段小贴士。因为光刻机的制造和维护都需要非常高的技术储备，因此掌握光刻机也被称为世界上最精密的仪器。目前世界上掌握光刻机制造技术的厂商只有寥寥几家。在这些厂商中，又有一家巨头中的巨头，就是大名鼎鼎的荷兰光刻机制造商ASML，中文名为阿斯麦。阿斯麦的超高端光刻机每年产量只有2到3台，售价N亿美金。
Step.7光刻胶溶解
这一步的目的是溶解经过紫外线照射的光刻胶。由于电路图案部分的光刻胶已经发生了化学性质变化，因此可以溶解在喷射到晶圆上的强碱性显影液里，而未被照射的部分则会完整保留下来。溶解完成后的晶圆经过冲洗、热处理之后就会进入到下一环节。
Step.8蚀刻
这一步会将晶圆放置到特殊的蚀刻槽内，通过药剂的腐蚀作用将暴露在药剂中的晶圆进行蚀刻。蚀刻的过程中会在蚀刻槽内加入超声波震动，帮助去除晶圆表面的杂质，放置在蚀刻的过程中造成不均匀的现象。
蚀刻完成后，整个晶圆的首层电路图就已经完成了。在这之后需要通过等离子体对晶圆表面的光刻胶进行去除，以便保留完整干净的、带有首层电路的晶圆。
因为目前的芯片晶体大多采用FINFET工艺，所以单层处理渊源制作不出所需要图案，因此要不断重复涂胶-光刻-溶解这一步骤，并且在这个过程中穿插各种成膜（绝缘膜、金属膜）工艺，才能最终获得所需要的3D晶体管结构。
Step.9离子注入
因为蚀刻完成的晶圆还不具备芯片所需的电气性质，所以这一步的目的是将特定的元素强行注入到晶圆内部，以便控制内部导电类型。为了达到这一目的，目前广泛应用的技术是离子注入法。在离子注入机中，将需要掺杂的导电性元素导入电弧室，通过放电使其离子化，经过电场加速后，将离子束由晶圆表面注入。离子注入完毕后的晶圆还需要经过热处理，一方面利用热扩散原理进一步将导电元素'压入'晶圆中，另一方面恢复晶格完整性，活化注入元素的电气特性。
经过这一步骤后，晶圆内部的某些硅原子已经被替换成了其他原子，从而获得了能够产生自由电子或者空穴的性能。
最后，清理掉晶圆上的光刻胶就可以进行下一步处理。
Step.10绝缘层处理
到这一步，晶体管的雏形已经基本完成了。此时需要利用气相沉积法在硅晶圆的表面沉积一层氧化硅薄膜，形成绝缘层。之后利用光刻技术在不同电路层之间开孔，引出导体电极。
Step.11沉淀铜层
这一步的目的是将铜均匀沉积到绝缘层上，下一步可以直接在铜层上进行布线。利用溅射沉积法完成铜层的沉淀后，再次利用光刻机对铜层进行雕刻，形成场效应管的源极、漏极、栅极。最后，在铜层上沉积一层绝缘层。
Step.12 构建互联铜层
经过上面一系列漫长的过程之后，芯片的晶体管结构已经制作完成，这一步的主要目的就是将晶体管连接起来。构建连接电路的过程相当繁复，也需要经过铜层沉积-光刻-蚀刻开孔-沉积绝缘层等步骤，而且这一系列步骤还要重复多次，最终形成非常非常复杂的多层电路网络。
由于现在的集成电路中基本都会涵盖非常多的精细化原件和庞大复杂的电路，所以实际上最终完成的电路结构会高达几十层，微观结构的复杂程度不亚于一座大型城市的交通、电力、给排水网络。
到这一步为止，芯片电路已经基本完成。经历了数百道精密加工的晶圆已经具备了化身为CPU的条件。需要强调的是在这个过程中任何一道工序出错都会导致整片晶圆的报废。在如此微观的世界中构造出数十亿个晶体管，不夸张得说一句，这可以称得上是人类所有智慧的完美结晶。
Step.13 G/W检测
G/W检测全称Good-Chip/Wafer检测，目的是检测晶圆上的每块芯片是否合格。通常情况下这一步会使用探针接触集成电路的电极焊盘，然后在探针中输入预先编好的输入信号，通过检测输出端的信号来确定芯片是否合格。
Step.14 晶圆切片
通过G/W检测的晶圆会进入到切片阶段。依然是使用覆盖了金刚石颗粒的圆锯（厚度仅有0.02毫米）对晶圆进行切割。切割下的每一块晶圆（指甲盖大小）都是一个单独的CPU内核。这个过程中会有不少外观破损的芯片，难以补救，这些芯片会被直接丢弃。
Step.15 内核装片固定
切割完成的芯片就是我们通常讲的CPU内核，因为是晶圆状态所以无法直接使用，需要经过这一步装片过程，把内核固定到基片电路上。这个过程全程都会交给计算机控制的自动固晶机来实现。
Step.16 封装
这一步的目的是将装片固定好的芯片跟封装基板上的触点一一对应，实现电气连接。通俗来讲，封装应该是给芯片内核安装一个能够被其他配件使用的外壳。这个外壳并不仅仅提供固定作用，同时还可以保护芯片、增强散热。以Intel为例，牙膏厂的CPU目前大都采用LGA封装，在CPU核心上涂抹硅脂后，再加上金属后盖以达到增强散热、避免挤压的目的。
至此，一枚崭新的CPU正式诞生。
Step.17 等级筛选
崭新的CPU诞生后，面临的将是一系列全面且复杂的测试过程。这一过程会测试出每一片CPU的稳定工作频率、功耗、发热情况，如果在测试过程中能够发现CPU的一些硬件方面的缺陷，厂商就会采取硬件屏蔽措施来对崭新的CPU进行阉割。这一步完成之后，就把CPU正式分为不同等级类型。我们平常的所说的i7、i5、i3就是这么区分开的。
Step.18 装箱零售
CPU完成等级筛选之后，就回最终进入装箱包装的环节，进入各种渠道进行销售。我们通常讲的盒装CPU就是零售渠道的产品。针对针对大企业客户（如联想、戴尔、惠普等主机厂商），CPU厂商会使用大宗包装（工包）的方式出货来节省单个包装带来的成本增加，这类CPU通常会被划归到'散片'这一类别。
从源头来讲，两类CPU是同根同源，区别在于部分奸商拿到'工包''散片'产品之后会进行进一步筛选，高价卖出表现优异的CPU，而将性能稍差的CPU通过其他手段进行销售。这样的做法也就难以保证'散片''工包'都是全新，都是未经过筛选的产品。
芯片产品是集成电路时代的工艺集大成者，政府目前也投入了大量人力物力进行CPU的研发，但冰冻三尺非一日之寒，这是个需要不断积累的过程，而不是砸钱可以完成的项目。相信每一个中国IT人都期待国产高性能CPU诞生的那天。
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