揭秘!一堆沙子,是如何一步一步地變成人類科技的巔峰之作的?

2023-04-18   魅力科學君

原標題:揭秘!一堆沙子,是如何一步一步地變成人類科技的巔峰之作的?

在人類文明的發展史中,電腦無疑是一個劃時代的發明,時至今日,電腦早已成為了我們必不可少的工具,而作為電腦的核心部件,現代CPU(中央處理器)的精密程度高得令人吃驚,僅僅是1平方毫米,就可以集成上億個電晶體,堪稱是人類科技的巔峰之作。

那人類製造CPU的原料是什麼呢?答案就是沙子。下面我們就來揭秘一下,一堆沙子,是如何一步一步地變成人類科技的巔峰之作的。

第1步、矽元素的提純:人類製造CPU的原料其實是沙子中含有的矽元素,正如我們所知,二氧化矽是沙子的主要成分,所以第一步就是通過高溫還原、化學提純等方法將矽元素從沙子中分離出來,並讓其達到很高的純度,以現代人類的科技,矽的純度可以高達99.999999999%。

第2步、單晶矽錠的製作:將提純後的矽置入耐高溫容器中,然後通過加熱令其轉變成熔融狀態,接著將一根細細的單晶矽棒放入其中,通過對溫度的精準控制以及讓單晶矽棒一點點地旋轉上升,矽原子就會順著單晶矽棒的原子排列不斷結晶,並最終形成一種呈現為圓柱體的矽單晶晶體,這就被稱為單晶矽錠。

第3步、對單晶矽錠的切割:這一步很好理解,就是利用特製的切割機將單晶矽錠切成薄片,這些薄片被稱為晶圓,其厚度通常為1毫米左右,在切割完成之後,還需要對晶圓進行拋光和檢驗,以確定它們的表面不會出現瑕疵。

第4步、給晶圓塗上光刻膠:光刻膠是一種主要由感光樹脂、增感劑和溶劑構成的光敏混合液體,受到短波光束的照射後,其溶解度會發生變化,在給晶圓塗光刻膠的過程中,通過對光刻膠的厚度以及固化程度進行精確的控制,就可以為後續的製作流程打好基礎。

第5步、光刻:在塗好了光刻膠之後,將預先設計好的電路圖案掩模置於晶圓上方,然後利用一種被稱為光刻機的設備對其進行光束照射(通常是紫外線),在這個過程中,被掩模遮擋住的部分不會受到影響,只有露出來的部分才會受到光束的照射,於是晶圓上就「印」上了預先設計好的電路圖案。

第6步、溶解:將完成光刻流程後的晶圓,置入一種被稱為顯影液的化學溶劑中,該溶劑呈強鹼性,可以有效地溶解被光束照射過的光刻膠。

第7步、蝕刻:完成第6步之後,晶圓上就形成一種凹凸不平的結構,凹陷的就是被之前被光束照射過的部分,其表面已經沒有了光刻膠,而凸起的部分仍然保留著光刻膠,這一步就是利用一種特殊的蝕刻液,對沒有光刻膠保護的晶圓表面進行腐蝕,蝕刻完成後,再將晶圓上的所有光刻膠全部清除,晶圓上就形成了預先設計好的電路圖案。

第8步、離子注入:重複第5步到第7步,目的是在晶圓上蝕刻出預先設計好的離子注入層,在此之後,利用一種被稱為離子注入機的設備,將磷、硼等摻雜劑以高速離子的形式「打進」預定區域,進而形成相應的N型和P型電晶體,完成之後,再將所有光刻膠全部清除。

第9步、氣相沉積:利用一種名為化學氣相沉積器的設備,將特定的氣態化合物(如矽氮化合物、矽氧化合物等)沉積在晶圓上,使之形成相應的保護層。

第10步、電鍍:利用一種被稱為電鍍機的設備,讓特定的金屬(如銅、鋁等)通過電流和電解液的作用在晶圓上形成相應的金屬層,這種金屬層可以充當電路的接觸點和連接線,可以實現不同的電晶體之間的信號傳輸。

第11步、重複:現代CPU擁有由多層不同的結構和材料堆疊而成的複雜三維立體結構,這就需要將上述的第4步到第10步進行多次重複,每一次重複,都要在上一層的基礎上添加新的電路和材料,這需要非常精準的操控才能保證所有電路的正確連接。

第12步、檢測和分割:完成上述步驟之後,需要對晶圓上的結構進行檢測,看看它們是否符合設計的性能指標,檢測完成之後,就可以將對晶圓進行分割成若干塊,其中每一塊都可能成為一個CPU的內核,為什麼要說「可能」呢?這是因為其中的一些有瑕疵的將會被丟棄。

第13步、封裝:這一步就是將單個CPU內核與襯底、散熱片等零部件一起封裝在一個塑料或者金屬的外殼之中,同時為其設置與其他設備連接的接口。

第14步、測試:每一個封裝完畢的CPU,都需要對其功耗、最高頻率、發熱量等關鍵特性進行仔細測試,測試出來的結果將決定它們的等級高低,測試完成後,相同等級的CPU會被放在一起裝運,而CPU的製作過程也到此結束。

以上就是沙子變成CPU這種堪稱人類科技的巔峰之作的大致過程,需要指出的是,這看上去似乎只需要14步,但實際上,其中每一步都可以細分為若干道工序,以目前的情況來看,一顆高性能的CPU,往往需要上千道工序才能完成。