手把手教你，19步從石頭里摳出一塊CPU
??新智元報道??
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編輯：LRS
【新智元導(dǎo)讀】想學(xué)會自己制作CPU嗎？最近外國一個小哥手把手教學(xué)，用19步從石頭里摳出一個CPU來，看完你也可以自己動手做微米級CPU！
CPU不光是沙子做的，也是石頭做的！
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半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中用的最多的是硅元素，而硅元素在地球上的儲量僅次于氧元素，數(shù)據(jù)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(dǎo)體性質(zhì)，它也就成為了制作集成電路的最優(yōu)秀的原材料。
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而沙漠這種能大量提供沙子的地方自然就成為了優(yōu)質(zhì)硅元素的重要來源。
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一般石頭里也主要由二氧化硅、碳酸鈣構(gòu)成，所以含有硅元素的石頭也可以被用來做CPU。
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最近外國一個小哥圖文并茂地教你如何從一塊石頭開始制作CPU。
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首先，我們要去野外找一塊喜歡的石頭。
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第二步，把石頭砸碎。
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現(xiàn)在你就有了純度為98%的二氧化硅了。
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第三步，把二氧化硅提純到99.9%。
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目前主要的提純手段是將二氧化硅與焦煤置于1600-1800℃的環(huán)境中，將二氧化硅還原成純度為98%左右的冶金級單質(zhì)硅，緊接著使用氯化氫繼續(xù)提純出99.99%的多晶硅。
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雖然此時的硅純度已經(jīng)很高，但是其內(nèi)部混亂的晶體結(jié)構(gòu)并不適合半導(dǎo)體的制作，還需要經(jīng)過進(jìn)一步提純、形成固定一致形態(tài)的單晶硅。
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第四步，繼續(xù)提純，直到獲得99.9999999%多晶硅金屬（polysilicon metal）。
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第五步，把多晶硅錠放入坩堝中。
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第六步，將硅片加熱至1698°K，即1424.85攝氏度。需要注意，不要在自己家的廚房烤箱中嘗試達(dá)到1500度來熔化硅。
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第七步，取一點單晶硅，將其浸入熔化硅（molten silcon）的缸中。
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第八步，慢慢地把單晶硅拉出來直到冷卻。
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冷卻后就獲得一個高純度的單晶硅片。
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目前制備單晶硅錠的方法主要是直拉法。在高溫液態(tài)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(zhuǎn)，以便將硅錠控制在所需直徑內(nèi)。結(jié)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。
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第九步，把它切成薄片。
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就會獲得一些新鮮的硅晶圓（silcon wafer）。
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這一步會把制備完成的硅錠切割成1mm厚的圓片，也就是平常所說的晶圓。由于單晶硅性質(zhì)穩(wěn)定，所以切割工具用的是金剛石鋸，也就是鉆石鋸。
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一般一座晶圓廠能生產(chǎn)的硅晶圓的直徑越大，代表著這座晶圓廠有更好的技術(shù)。另外還有scaling技術(shù)可以將電晶體與導(dǎo)線的尺寸縮小，這兩種方式都可以在一片晶圓上，制作出更多的硅晶粒，提高品質(zhì)與降低成本。生產(chǎn)晶圓的過程當(dāng)中，良品率也是很重要的指標(biāo)。
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第十步，可以選擇在里面加入一些硼、磷或者其他摻雜劑（dopant）。
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因為磷的屬性比較易燃易爆炸，作者表示并不敢買磷元素，所以用火柴示意一下。
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第十一步，把光刻膠（photoresist）放到硅晶圓上。
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由于切割出的晶圓表面依然不光滑，所以需要經(jīng)過仔細(xì)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(xué)液體來對晶圓表面進(jìn)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(jìn)特殊的盒子里密封保存運輸。
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光刻膠（Photoresist）又稱光致抗蝕劑，是指通過紫外光、電子束、離子束、X射線等的照射或輻射，其溶解度發(fā)生變化的耐蝕劑刻薄膜材料。由感光樹脂、增感劑和溶劑3種主要成分組成的對光敏感的混合液體。
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在光刻工藝過程中，用作抗腐蝕涂層材料。半導(dǎo)體材料在表面加工時，若采用適當(dāng)?shù)挠羞x擇性的光刻膠，可在表面上得到所需的圖像。
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第十二步，拿取一塊所需的電路圖案取鉻蝕刻的光刻石英掩模（chromium-etched photo-lithographic quartz mask），并向他射一束激光，將電路圖案照射到晶圓上。
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第十三步，光遮罩（photo-mask）產(chǎn)生的陰影位置將會影響硅晶圓表面光刻膠的化學(xué)變化，取決于使用的是positive 還是negative 的光刻膠（photoresist）。
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光刻膠按其形成的圖像分類有正性、負(fù)性兩大類。
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在光刻膠工藝過程中，涂層曝光、顯影后，曝光部分被溶解，未曝光部分留下來，該涂層材料為正性光刻膠。
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如果曝光部分被保留下來，而未曝光被溶解，該涂層材料為負(fù)性光刻膠。
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第十四步，加入一些神奇的化學(xué)物質(zhì)來改善（develop）一下光刻膠。
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第十五步，用酸（acid）來腐蝕掉硅晶圓暴露出來的部分。
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第十六步，重復(fù)進(jìn)行同質(zhì)外延（homo-epitaxy）、異質(zhì)外延（hetero-epitaxy）、假外延（pesudo-epitaxy）、擴(kuò)散摻雜（diffusion doping）、銅互連層（copper interconnect layers）、化學(xué)機械拋光（chemical mechanical polishing）、光刻膠應(yīng)用（photoresist application）、酸蝕（acid etching）和光掩模（photomask），直到硅晶圓達(dá)到要求。
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然后就完成了硅晶圓的制作。
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第十七步，把硅晶圓切成片。
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切完片以后就是還沒有包裝起來的硅模具了（un-packaged silicon dies）。
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第十八步，在硅芯片上找到焊盤，并把導(dǎo)線連接起來，或者像大多數(shù)現(xiàn)代處理器一樣使用倒裝芯片方法（flip-chip）。
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Flip chip又稱倒裝片，是在I/O pad上沉積錫鉛球，然后將芯片翻轉(zhuǎn)加熱利用熔融的錫鉛球與陶瓷基板相結(jié)合此技術(shù)替換常規(guī)打線接合，逐漸成為未來的封裝主流，當(dāng)前主要應(yīng)用于高時脈的CPU、GPU(Graphic Processor Unit)及Chipset 等產(chǎn)品為主。
與COB相比，該封裝形式的芯片結(jié)構(gòu)和I/O端（錫球）方向朝下，由于I/O引出端分布于整個芯片表面，故在封裝密度和處理速度上Flip chip已達(dá)到頂峰，特別是它可以采用類似SMT技術(shù)的手段來加工，因此是芯片封裝技術(shù)及高密度安裝的最終方向。
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倒裝芯片是一種無引腳結(jié)構(gòu)，一般含有電路單元。設(shè)計用于通過適當(dāng)數(shù)量的位于其面上的錫球（導(dǎo)電性粘合劑所覆蓋），在電氣上和機械上連接于電路。
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第十九步，使用連接線或焊球在芯片組上的引腳和硅模上的焊盤之間提供電流連接。
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至此，一塊從石頭中制作得到的CPU就完成了！
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但顯然隨著時代的發(fā)展，現(xiàn)代CPU的制作更加復(fù)雜，并且每一代新的芯片通常都會改變芯片上的功能，很多重要的細(xì)節(jié)和步驟在文中也沒有提到。
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當(dāng)然，那些重要的細(xì)節(jié)，例如各種化學(xué)用品的成分和濃度是非常絕密的，不可能在新聞、Reddit 中看到任何人披露出來。
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制作過程中有許多步驟也包含不止一種常用的方法，例如硅的采購來源和純化方法，只需要在搜索引擎中搜索光刻中的高級光學(xué)（Advanced Optics For Photolithography）、化學(xué)沉積納米制劑（Chemical Deposition Nanofabrication）、光刻計量（Lithographic Metrology）就可以了解到更多內(nèi)容。
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雖然業(yè)余愛好者無法獨自造出來最尖端的納米芯片工藝，但微米級的業(yè)余芯片制造還是相當(dāng)可行的。
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在Youtube 已經(jīng)有人在教你制作芯片了，按照他的教程可以自己動手做出一些基礎(chǔ)的芯片。
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參考資料：
https://blog.robertelder.org/how-to-make-a-cpu/
