UP主撿塊石頭搓出個CPU？恕我直言，人類做不到_風聞

本文原創於微信公眾號：差評  作者：差評君

差評君最近看到一個有趣的視頻，這個視頻 UP 主號稱可以在 “ 99 秒以內解決全球芯片危機 ”。

只見他撿起路邊的石塊，經過一番鬼斧神工的操作，就 “ 造 ” 出了一塊 CPU ，堪稱史上最細手藝人。

乍一看，你肯定覺得這哥們在搞噱頭，但看完他的製作流程。

你別説，還是有點東西的。

正兒八經工業製作 CPU 用的原料和方法這博主都儘量用上，比如他提純了 99.9999999% 的硅為原料，還用了跟工業製作 CPU 一樣的 UV 光刻方法。

這哥們做的 CPU 切片 ▼

 

關鍵是他還在視頻末尾，拋出了一個令人深思的問題：“ 隨着高科技技術的不斷湧現，我們是不是已經喪失了創造事物的能力 ？”

em。。。。這格局一下就大起來。

所以借這個機會，差評君今天就給大家盤盤，我們普通人能不能純手工搓出一顆 CPU ？

順便也跟大家聊聊真正的工業級芯片製作工藝難在哪？

造出一塊 CPU ，大概需要經過三步，芯片設計，芯片製造和芯片封裝。

不過咱今天的重點不在芯片設計，咱直接聊芯片製造。

芯片製造中有兩個關鍵的玩意，也是大家最關心的：硅晶圓和光刻機。

按芯片製造步驟來説，第一步，當然是找做芯片的原料**——二氧化硅**

二氧化硅廣泛分佈在自然界裏的岩石、沙礫之中，所以最直接的方法就是找一塊順手的石頭。

然後從石頭裏把二氧化硅提純出來。

這名 UP 把石頭碎成下面這樣的渣渣，就得到純度 98% 的二氧化硅。

 

然後呢，他可能找了些燒杯或者坩堝，將二氧化硅和鎂粉混合加熱，製成粗硅。再用鹽酸把裏面的鎂、氧化鎂和硅化鎂去除掉。

最後經過過濾，剩下的濾渣就是純硅。

 

不過這時候只能算是 99.9% 的純二氧化硅，UP 主又經過一系列他自己也沒展示清楚的提純步驟，把它變成純度為 99.9999999% （ 9 個 9 ）的多晶硅。

這個純度如果是真實的，那還是相當厲害，因為目前工業化製作芯片應用的多晶硅純度最高也才 99.999999999% （11個 9 ）。

而工業化提純硅這邊，需要在專業的實驗室環境下，找專業的均勻加熱箱，先把二氧化硅和碳粉混合高温下生成粗硅，粗硅和氯氣高温反應下生成氯化硅，氯化硅和氫氣高温反應下得到純淨硅。

 

工業制硅能得到純度更高的硅，但這個高温、氯氣和氫氣咱普通人是搞不到的。

但無論是 UP 主的土方法或者工業方法，上面製成的多晶硅並不是製作硅晶圓的最終形態，我們還要把它融化以後，用 “ 喬赫拉爾斯基方法 ” 法，把多晶硅變成單晶硅棒。

喬赫拉爾斯基方法：專門用於獲得單晶半導體（ 例如硅、鈦和砷化鈾 ）、金屬（ 例如鉑、鉑、銀、金 ）、鹽和合成寶石的晶體生長方法。

我們平時看到那一個個圓片的晶圓，這名 UP 直接用水果刀，在棒子上像 “ 片 ” 羊肉一樣把晶圓切出來。

 

這樣成片的硅晶圓有了，下一步才是展現實力的時候——刻：光刻和刻蝕。

這位 UP，先是塗上一層 “ 光刻膠 ”，然後把自己的硅晶圓搬到一個小暗房，用紫外線等把電路圖印在晶圓上，這樣 UP 主就完成了土 “ 光刻 ” 這一步。

那正兒八經的光刻是咋樣的呢？

當我們有了剛從棒子上 “ 片 ” 好的晶圓，得先做一次無塵化處理，但凡一粒灰塵混進去，都會對硅晶圓的導電性產生影響，那這塊晶圓基本就廢了。

 

做好無塵化清潔處理，我們再塗上一層光刻膠，開始印電路圖。

為啥用光刻膠呢，因為它對紫外線極其敏感。

我們拿出芯片設計階段提前設計好的電路圖掩膜，用強紫外線光束透過掩膜把電路圖印在光刻膠上，第一輪光刻就算結束了

        

看上去也不是很難？

那你聽完我給你講的這幾個細節。

首先是芯片製造環境，因為光刻膠對紫外線這種短波光極其敏感，普通日光燈裏的紫外線也會讓光刻膠提前曝光，所以晶圓製造的整個實驗室內燈光全都是長波長的黃光。

 

這也是我們平時網上看到的制芯實驗室都是 “ 黃不拉幾 ” 的原因，有點像是很久以前膠片沖洗的暗房。

説完環境，我們再説光刻最重要的玩意——光。

就一個紫外線光也分類很多，比如 UV（ 紫外線：Ultraviolet ）光。

目前業界使用最多的 DUV（ Deep Ultraviolet ）光，它的波長是 193nm，除了光刻， DUV 還被用在矯正近視眼上面。

 

而現在最牛掰的就數 EUV（Extreme Ultraviolet ），它的波長只有 13.5 nm。

之所以我們能造出來越來越小製成的芯片，從 14nm 到 7nm 再到 5nm 甚至 3nm，都源於不斷精進的紫外線波長。

巧妙的是， EUV 其實還是用的 DUV 的光源，只要用 DUV 的光脈衝去連續兩次打擊液態金屬錫，就可以激發出波長更短的 EUV。

並且上述這些操作，可都是納米級的哈。

除此之外，光刻機裏那些反射 EUV 光線的鏡子也大有學問。

 

那個直徑 30 釐米的鏡子，用 ASML 的話説：

“ 這可能是宇宙中最平滑的人造結構 ” 。

它有多平呢？如果這塊鏡子有地球那麼大，那它不平的地方也就一根頭髮絲的厚度。

光刻結束以後，下一步就是刻蝕了。

光刻只是把電路圖印在上面，而工業級的刻蝕等一系列步驟可以把這些電路圖壘起來，並讓它導電。

咱先説 UP 主這邊，光刻結束以後，他直接掏出一瓶酸開始了他的土 “ 刻蝕 ” 步驟。

 

但酸刻蝕會刻的相當不均勻，還可能會損壞晶圓體，而且要酸沖蝕好幾遍才能弄乾淨。

但正兒八經的刻蝕應該是啥樣的？

這就得説到專業的刻蝕機了。

 

工業級刻蝕機的用法，是選擇等離子體物理轟炸衝擊的技術，在硅晶圓上 “ 炸 ” 出電路圖。

不明白等離子體物理衝擊技術也沒事，你可以理解成蓋房子打地基的過程。

 

跟光刻機一樣，我也給大家舉幾個刻蝕機的技術難點。

比如等離子體在衝擊轟炸晶圓的時候，會有極少部分的合成物顆粒落在晶圓上。

而這個僅有 20nm 的顆粒，有可能破壞掉晶圓甚至讓芯片直接報廢。

如果我們以加工 5nm 製程芯片為例，一片 12 寸的晶圓上，直徑大於 20nm 的顆粒不能超過兩個。

這相當於在全國土地面積排名第四的青海省 72.23 萬平方公里上，只能允許 2 粒葡萄大小的顆粒。

 

除了上述的顆粒控制以外，一台合格的刻蝕機還需要解決均勻性控制、磁場控制等難題。

刻蝕完以後，就是一遍遍的復刻封裝了。

UP 主這邊刻蝕完以後，經過一系列拋光打磨，直接就拿出來一個成品的硅晶圓，然後再把它切割一下，就直接 “ 裝機 ” 使用了。

 

手搓 CPU 也就宣告結束了。

但正規的芯片工藝可沒他這麼簡單。

工業級的刻蝕完以後，再通過不斷重複上述鋪光刻膠、光刻和刻蝕等步驟，硅晶圓的上的晶體管就會被一層一層搭建起來，就像是打完地基一步步的在上面蓋起房子的過程。

最後，再經過切割、打磨、氣相沉積等芯片封裝工藝，一塊芯片才算是造成了。

 

看到這，你應該也明白了 UP 主並不是用真的光刻膠，而是普通的彩色道具，也不是真的工業級高強度紫外線，應該就是普通的紫外線燈。

所以説到底，他應該也是奔着做 “ 藝術品 ” 的方向來做這塊 CPU 的，能不能實際使用就先不考慮。

        

所以説，你想造出一塊長得 “ 像 ” 芯片的玩意也不難，只要你備好掩膜（ 電路設計圖 ）、硅片、替代光刻膠的彩色道具。

左手水果刀，右手電磨機，用它們勉強充當切割和打磨設備，然後準備一個紫外線燈就可以了，但你要想專業一點，你還可以去某魚淘一個新鮮熱乎的光刻機。

 

如果你不想搞藝術品，非整一個能用的 “ 芯片 ” ，你可以搞一堆的二極管，電線啥的，整一堆門電路，組個 “ 大 ” 芯片也還是可以的。

這時候我們再回看這名 UP 主剛開始提的那個問題。“ 隨着高科技技術的不斷湧現，我們已經忘卻了創造事物的能力 ？”

想必你心裏也已經有了答案，那就是創造力並沒有消失，而是芯片製造這活真的越來越極限了，咱可玩不轉。

比如上面光刻機，ASML 花了 20 年的時間才實現了 EUV 技術上的突破，而且像這樣的技術創新只依靠 ASML 一家公司遠遠搞不定。

一台光刻機裏，有來自德國蔡司的鏡片，來自丹麥的機械手 ABB，來自美國的光源 Cymer ，涵蓋了全球 5000 多家供應商。

中國工程師林本堅也是目前業界應用廣泛的 DUV 光刻核心浸潤技術的突出貢獻者。

 

所以説，芯片技術上的創新，並不是我們看得見摸得着的技術進步，隔壁英特爾這麼多年了，不也才剛突破了 14nm+++ 嗎？

 

而且芯片製造這事，可以説是承載人類未來技術進階的一棟高樓，它需要全球各行各業的合作努力、添磚加瓦，更需要這些業內科學家在極限邊緣不斷試探、不斷突破。

參考資料和圖片：

ASML 官網；

ASML 油管；

B站：極客隊長GeekLead；

維基百科：Czochralski method；Boule (crystal)；

RobertElder：How To Make A CPU - A Simple Picture Based Explanation；

Google圖片：硅晶圓；光刻機；刻蝕機；光譜波長分佈圖；林本堅