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揭秘:一堆沙子,是如何一步一步地变成人类科技的巅峰之作的?

导语:揭秘:一堆沙子,是如何一步一步地变成人类科技的巅峰之作的?

在人类文明的发展史中,电脑无疑是一个划时代的发明,时至今日,电脑早已成为了我们必不可少的工具,而作为电脑的核心部件,现代CPU(中央处理器)的精密程度高得令人吃惊,仅仅是1平方毫米,就可以集成上亿个晶体管,堪称是人类科技的巅峰之作。

揭秘:一堆沙子,是如何一步一步地变成人类科技的巅峰之作的?

那人类制造CPU的原料是什么呢?答案就是沙子。下面我们就来揭秘一下,一堆沙子,是如何一步一步地变成人类科技的巅峰之作的。

第1步、硅元素的提纯:人类制造CPU的原料其实是沙子中含有的硅元素,正如我们所知,二氧化硅是沙子的主要成分,所以第一步就是通过高温还原、化学提纯等方法将硅元素从沙子中分离出来,并让其达到很高的纯度,以现代人类的科技,硅的纯度可以高达99.999999999%。

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第2步、单晶硅锭的制作:将提纯后的硅置入耐高温容器中,然后通过加热令其转变成熔融状态,接着将一根细细的单晶硅棒放入其中,通过对温度的精准控制以及让单晶硅棒一点点地旋转上升,硅原子就会顺着单晶硅棒的原子排列不断结晶,并最终形成一种呈现为圆柱体的硅单晶晶体,这就被称为单晶硅锭。

第3步、对单晶硅锭的切割:这一步很好理解,就是利用特制的切割机将单晶硅锭切成薄片,这些薄片被称为晶圆,其厚度通常为1毫米左右,在切割完成之后,还需要对晶圆进行抛光和检验,以确定它们的表面不会出现瑕疵。

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第4步、给晶圆涂上光刻胶:光刻胶是一种主要由感光树脂、增感剂和溶剂构成的光敏混合液体,受到短波光束的照射后,其溶解度会发生变化,在给晶圆涂光刻胶的过程中,通过对光刻胶的厚度以及固化程度进行精确的控制,就可以为后续的制作流程打好基础。

第5步、光刻:在涂好了光刻胶之后,将预先设计好的电路图案掩模置于晶圆上方,然后利用一种被称为光刻机的设备对其进行光束照射(通常是紫外线),在这个过程中,被掩模遮挡住的部分不会受到影响,只有露出来的部分才会受到光束的照射,于是晶圆上就“印”上了预先设计好的电路图案。

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第6步、溶解:将完成光刻流程后的晶圆,置入一种被称为显影液的化学溶剂中,该溶剂呈强碱性,可以有效地溶解被光束照射过的光刻胶。

第7步、蚀刻:完成第6步之后,晶圆上就形成一种凹凸不平的结构,凹陷的就是被之前被光束照射过的部分,其表面已经没有了光刻胶,而凸起的部分仍然保留着光刻胶,这一步就是利用一种特殊的蚀刻液,对没有光刻胶保护的晶圆表面进行腐蚀,蚀刻完成后,再将晶圆上的所有光刻胶全部清除,晶圆上就形成了预先设计好的电路图案。

第8步、离子注入:重复第5步到第7步,目的是在晶圆上蚀刻出预先设计好的离子注入层,在此之后,利用一种被称为离子注入机的设备,将磷、硼等掺杂剂以高速离子的形式“打进”预定区域,进而形成相应的N型和P型晶体管,完成之后,再将所有光刻胶全部清除。

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第9步、气相沉积:利用一种名为化学气相沉积器的设备,将特定的气态化合物(如硅氮化合物、硅氧化合物等)沉积在晶圆上,使之形成相应的保护层。

第10步、电镀:利用一种被称为电镀机的设备,让特定的金属(如铜、铝等)通过电流和电解液的作用在晶圆上形成相应的金属层,这种金属层可以充当电路的接触点和连接线,可以实现不同的晶体管之间的信号传输。

第11步、重复:现代CPU拥有由多层不同的结构和材料堆叠而成的复杂三维立体结构,这就需要将上述的第4步到第10步进行多次重复,每一次重复,都要在上一层的基础上添加新的电路和材料,这需要非常精准的操控才能保证所有电路的正确连接。

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第12步、检测和分割:完成上述步骤之后,需要对晶圆上的结构进行检测,看看它们是否符合设计的性能指标,检测完成之后,就可以将对晶圆进行分割成若干块,其中每一块都可能成为一个CPU的内核,为什么要说“可能”呢?这是因为其中的一些有瑕疵的将会被丢弃。

第13步、封装:这一步就是将单个CPU内核与衬底、散热片等零部件一起封装在一个塑料或者金属的外壳之中,同时为其设置与其他设备连接的接口。

第14步、测试:每一个封装完毕的CPU,都需要对其功耗、最高频率、发热量等关键特性进行仔细测试,测试出来的结果将决定它们的等级高低,测试完成后,相同等级的CPU会被放在一起装运,而CPU的制作过程也到此结束。

揭秘:一堆沙子,是如何一步一步地变成人类科技的巅峰之作的?

以上就是沙子变成CPU这种堪称人类科技的巅峰之作的大致过程,需要指出的是,这看上去似乎只需要14步,但实际上,其中每一步都可以细分为若干道工序,以目前的情况来看,一颗高性能的CPU,往往需要上千道工序才能完成。