聚沙成塔，集腋成裘

在今日头条 小伙一本正经用石头打造CPU，号称99秒“解决”芯片危机^[1] 中介绍了一位加拿大的小伙 罗伯特·爱德（Robert Elder）的一篇博文中  How To Make A CPU - A Simple Picture Based Explanation^[2] 讲述了如何从一颗小石子制作出集成电路芯片的。

▲ 图1  Elder在演示制作过程爱德的这篇博文，废话很少，全部演示给你瞧。这个世界上在我们周围充满着专用的各式各样的硬件和软件，使得我们再也提不起兴趣，也丧失了相应的能力，去自己单独干一件事情，哪怕一丢丢这样的意念没有了。正是为了改变这个现状，爱德就设想自己如何从组成集成电路的基本原料开始自己来制作出芯片。

▌第一步：捡拾石子

▲ 图1.1  捡拾这种亮晶晶的石子，其中包含有石英（二氧化硅）成分

▌第二步：粉碎石子

▲ 图1.2  人类从旧石器时代（300万年年）就会敲击石子，但现在爱德使用铁锤将石子粉碎

▌第三步：提纯二氧化硅

▲ 图1.3  筛选出色泽白皙石英粉末，它们是纯度为98%的二氧化硅▲ 图1.4  这是纯度为99.9%的二氧化硅，这是制作多晶硅的原料

▌第四步：还原多晶硅

▲ 图1.5  将纯净二氧化硅通过还原过程形成多晶硅，纯度达到99.9999999%

▌第五步：放入坩埚

▲ 图1.6  往后，大家只能意会爱德的艺术行为了：将多晶硅放入坩埚（铁锅）内准备加热

▌第六步：加热坩埚

▲ 图1.7  将前面的坩埚（铁锅）通过电热丝（电磁炉）加热到1698°K

▌第七步：加入结晶种料

▲ 图1.8  使用一小块单晶硅作为结晶种料轻轻沾入熔硅坩埚内

▌第八步：提拉单晶硅

▲ 图1.9  将晶体缓慢提拉出坩埚，并进行冷却，就会得到一条长柱型的单晶硅

▌第九步：切割晶圆片

▲ 图1.10  纯度极高的单晶硅现在已经闪亮登场▲ 图1.11  大家别忘了最上面是开始用于结晶籽料的原始单晶硅。那么问题来了，这个籽料单晶硅是怎么制作的呢？▲ 图1.12  将单晶硅切割成薄片用作后期芯片制作原料。这种切火腿的姿势看得我直流口水

▌第十步：晶片掺杂

▲ 图1.13  经过切割、抛光后的晶圆片会亮瞎你的狗眼▲ 图1.14  用于晶片掺杂的元素硼元素▲ 图1.15  在普通的火柴中包含有掺杂元素磷

▌第十一步：涂抹光刻胶

▲ 图1.16  将光刻胶涂抹在硅圆片上。看着这瓶像可乐的水瓶，感到口发干

▌第十二步：掩膜曝光

▲ 图1.17  将所需电路走线制作镀铬光腐蚀晶体掩膜，通过一束激光将其投影在晶圆片上的光刻胶上▲ 图1.18  晶片上出现了曝光的集成电路图案

▌第十三步：曝光显影

▲ 图1.19  在曝光过程中，掩膜影子则会控制硅片不同部位表面的感光胶的化学变化。这一点还依赖于所使用的感光胶是极性

▌第十四步：勾兑显影剂

▲ 图1.20  勾兑出光致抗蚀剂

▌第十五步：腐蚀暴露硅片

▲ 图1.21  使用酸性腐蚀剂将暴露的硅片进行腐蚀。看着这桶白醋，让我想起了热腾腾的饺子

▌第十六步：循环往复折腾

▲ 图1.22  经过无数遍的重复过程：均相外延，异相外延，伪外延，扩散掺杂，铜连接层，机械化学抛光，施加抗蚀层，酸腐蚀，掩膜曝光等▲ 图1.23  最终形成所需要的电路表面结构

▌第十七步：芯片切割

▲ 图1.24  这是完成所有工艺步骤的成品硅片，上面往往具有成千上万个相同的芯片▲ 图1.25  下面就是切蛋糕的时刻了，将它们一一分割开来。感受爱德的小刀下面还应该有刚刚吹灭的蜡烛

▌第十八步：绑定引线

▲ 图1.26  这是分割后的电路芯片▲ 图1.27  将它们放在芯片外壳中心，利用金丝将芯片引脚与外壳引脚相连▲ 图1.28  电路芯片上的引脚与外壳进行了绑定

▌第十九步：芯片封装

▲ 图1.29  在芯片外再增加保护材料将电路封装并进行管脚的固定上面的介绍仅仅是集成电路制作的粗略框架，实际上远比上面复杂得多，很多的工艺过程并没有被提及。现代集成电路制作的工艺还在不断的更新演变，甚至有些尚未被正式公开。至于是否真的个人可以在家中完成半导体芯片的制作，在一些小众的团体中是有人给出了精简的解决方案，并在不断的完善过程中。

当然，如果你真的很想在自己的家中得到一个集成电路的硅片，也可以按照下面的步骤获得。

▲ 图19.2  从封装好的芯片拆解出其中的硅片▲ 图19.3  拆解一个集成电路