差评君最近看到一个有趣的视频，这个视频 UP 主号称可以在 “ 99 秒以内解决全球芯片危机 ”。



只见他捡起路边的石块，经过一番鬼斧神工的操作，就 “ 造 ” 出了一块 CPU ，堪称史上最细手艺人。

乍一看，你肯定觉得这哥们在搞噱头，但看完他的制作流程。

你别说，还是有点东西的。

正儿八经工业制作 CPU 用的原料和方法这博主都尽量用上，比如他提纯了 99.9999999% 的硅为原料，还用了跟工业制作 CPU 一样的 UV 光刻方法。

这哥们做的 CPU 切片 ▼



关键是他还在视频末尾，抛出了一个令人深思的问题：“ 随着高科技技术的不断涌现，我们是不是已经丧失了创造事物的能力 ？”

em。。。。这格局一下就大起来。



所以借这个机会，差评君今天就给大家盘盘，我们普通人能不能纯手工搓出一颗 CPU ？

顺便也跟大家聊聊真正的工业级芯片制作工艺难在哪？



造出一块 CPU ，大概需要经过三步，芯片设计，芯片制造和芯片封装。



不过咱今天的重点不在芯片设计，咱直接聊芯片制造。

芯片制造中有两个关键的玩意，也是大家最关心的：硅晶圆和光刻机。



按芯片制造步骤来说，第一步，当然是找做芯片的原料——二氧化硅

二氧化硅广泛分布在自然界里的岩石、沙砾之中，所以最直接的方法就是找一块顺手的石头。



然后从石头里把二氧化硅提纯出来。

这名 UP 把石头碎成下面这样的渣渣，就得到纯度 98% 的二氧化硅。



然后呢，他可能找了些烧杯或者坩埚，将二氧化硅和镁粉混合加热，制成粗硅。再用盐酸把里面的镁、氧化镁和硅化镁去除掉。

最后经过过滤，剩下的滤渣就是纯硅。



不过这时候只能算是 99.9% 的纯二氧化硅，UP 主又经过一系列他自己也没展示清楚的提纯步骤，把它变成纯度为 99.9999999% （ 9 个 9 ）的多晶硅。



这个纯度如果是真实的，那还是相当厉害，因为目前工业化制作芯片应用的多晶硅纯度最高也才 99.999999999% （11个 9 ）。

而工业化提纯硅这边，需要在专业的实验室环境下，找专业的均匀加热箱，先把二氧化硅和碳粉混合高温下生成粗硅，粗硅和氯气高温反应下生成氯化硅，氯化硅和氢气高温反应下得到纯净硅。



工业制硅能得到纯度更高的硅，但这个高温、氯气和氢气咱普通人是搞不到的。

但无论是 UP 主的土方法或者工业方法，上面制成的多晶硅并不是制作硅晶圆的最终形态，我们还要把它融化以后，用 “ 乔赫拉尔斯基方法 ” 法，把多晶硅变成单晶硅棒。



乔赫拉尔斯基方法：专门用于获得单晶半导体（ 例如硅、钛和砷化铀 ）、金属（ 例如铂、铂、银、金 ）、盐和合成宝石的晶体生长方法。

我们平时看到那一个个圆片的晶圆，这名 UP 直接用水果刀，在棒子上像 “ 片 ” 羊肉一样把晶圆切出来。



这样成片的硅晶圆有了，下一步才是展现实力的时候——刻：光刻和刻蚀。

这位 UP，先是涂上一层 “ 光刻胶 ”，然后把自己的硅晶圆搬到一个小暗房，用紫外线等把电路图印在晶圆上，这样 UP 主就完成了土 “ 光刻 ” 这一步。



那正儿八经的光刻是咋样的呢？

当我们有了刚从棒子上 “ 片 ” 好的晶圆，得先做一次无尘化处理，但凡一粒灰尘混进去，都会对硅晶圆的导电性产生影响，那这块晶圆基本就废了。



做好无尘化清洁处理，我们再涂上一层光刻胶，开始印电路图。

为啥用光刻胶呢，因为它对紫外线极其敏感。

我们拿出芯片设计阶段提前设计好的电路图掩膜，用强紫外线光束透过掩膜把电路图印在光刻胶上，第一轮光刻就算结束了



看上去也不是很难？

那你听完我给你讲的这几个细节。



首先是芯片制造环境，因为光刻胶对紫外线这种短波光极其敏感，普通日光灯里的紫外线也会让光刻胶提前曝光，所以晶圆制造的整个实验室内灯光全都是长波长的黄光。



这也是我们平时网上看到的制芯实验室都是 “ 黄不拉几 ” 的原因，有点像是很久以前胶片冲洗的暗房。

说完环境，我们再说光刻最重要的玩意——光。

就一个紫外线光也分类很多，比如 UV（ 紫外线：Ultraviolet ）光。

目前业界使用最多的 DUV（ Deep Ultraviolet ）光，它的波长是 193nm，除了光刻， DUV 还被用在矫正近视眼上面。





而现在最牛掰的就数 EUV（Extreme Ultraviolet ），它的波长只有 13.5 nm。

之所以我们能造出来越来越小制成的芯片，从 14nm 到 7nm 再到 5nm 甚至 3nm，都源于不断精进的紫外线波长。

巧妙的是， EUV 其实还是用的 DUV 的光源，只要用 DUV 的光脉冲去连续两次打击液态金属锡，就可以激发出波长更短的 EUV。



并且上述这些操作，可都是纳米级的哈。

除此之外，光刻机里那些反射 EUV 光线的镜子也大有学问。



那个直径 30 厘米的镜子，用 ASML 的话说：

“ 这可能是宇宙中最平滑的人造结构 ” 。

它有多平呢？如果这块镜子有地球那么大，那它不平的地方也就一根头发丝的厚度。



光刻结束以后，下一步就是刻蚀了。

光刻只是把电路图印在上面，而工业级的刻蚀等一系列步骤可以把这些电路图垒起来，并让它导电。

咱先说 UP 主这边，光刻结束以后，他直接掏出一瓶酸开始了他的土 “ 刻蚀 ” 步骤。



但酸刻蚀会刻的相当不均匀，还可能会损坏晶圆体，而且要酸冲蚀好几遍才能弄干净。

但正儿八经的刻蚀应该是啥样的？

这就得说到专业的刻蚀机了。



工业级刻蚀机的用法，是选择等离子体物理轰炸冲击的技术，在硅晶圆上 “ 炸 ” 出电路图。

不明白等离子体物理冲击技术也没事，你可以理解成盖房子打地基的过程。



跟光刻机一样，我也给大家举几个刻蚀机的技术难点。

比如等离子体在冲击轰炸晶圆的时候，会有极少部分的合成物颗粒落在晶圆上。



而这个仅有 20nm 的颗粒，有可能破坏掉晶圆甚至让芯片直接报废。

如果我们以加工 5nm 制程芯片为例，一片 12 寸的晶圆上，直径大于 20nm 的颗粒不能超过两个。

这相当于在全国土地面积排名第四的青海省 72.23 万平方公里上，只能允许 2 粒葡萄大小的颗粒。



除了上述的颗粒控制以外，一台合格的刻蚀机还需要解决均匀性控制、磁场控制等难题。

刻蚀完以后，就是一遍遍的复刻封装了。

UP 主这边刻蚀完以后，经过一系列抛光打磨，直接就拿出来一个成品的硅晶圆，然后再把它切割一下，就直接 “ 装机 ” 使用了。



手搓 CPU 也就宣告结束了。

但正规的芯片工艺可没他这么简单。

工业级的刻蚀完以后，再通过不断重复上述铺光刻胶、光刻和刻蚀等步骤，硅晶圆的上的晶体管就会被一层一层搭建起来，就像是打完地基一步步的在上面盖起房子的过程。



最后，再经过切割、打磨、气相沉积等芯片封装工艺，一块芯片才算是造成了。



看到这，你应该也明白了 UP 主并不是用真的光刻胶，而是普通的彩色道具，也不是真的工业级高强度紫外线，应该就是普通的紫外线灯。

所以说到底，他应该也是奔着做 “ 艺术品 ” 的方向来做这块 CPU 的，能不能实际使用就先不考虑。



所以说，你想造出一块长得 “ 像 ” 芯片的玩意也不难，只要你备好掩膜（ 电路设计图 ）、硅片、替代光刻胶的彩色道具。

左手水果刀，右手电磨机，用它们勉强充当切割和打磨设备，然后准备一个紫外线灯就可以了，但你要想专业一点，你还可以去某鱼淘一个新鲜热乎的光刻机。



如果你不想搞艺术品，非整一个能用的 “ 芯片 ” ，你可以搞一堆的二极管，电线啥的，整一堆门电路，组个 “ 大 ” 芯片也还是可以的。



这时候我们再回看这名 UP 主刚开始提的那个问题。“ 随着高科技技术的不断涌现，我们已经忘却了创造事物的能力 ？”

想必你心里也已经有了答案，那就是创造力并没有消失，而是芯片制造这活真的越来越极限了，咱可玩不转。



比如上面光刻机，ASML 花了 20 年的时间才实现了 EUV 技术上的突破，而且像这样的技术创新只依靠 ASML 一家公司远远搞不定。

一台光刻机里，有来自德国蔡司的镜片，来自丹麦的机械手 ABB，来自美国的光源 Cymer ，涵盖了全球 5000 多家供应商。

中国工程师林本坚也是目前业界应用广泛的 DUV 光刻核心浸润技术的突出贡献者。



所以说，芯片技术上的创新，并不是我们看得见摸得着的技术进步，隔壁英特尔这么多年了，不也才刚突破了 14nm+++ 吗？





而且芯片制造这事，可以说是承载人类未来技术进阶的一栋高楼，它需要全球各行各业的合作努力、添砖加瓦，更需要这些业内科学家在极限边缘不断试探、不断突破。