在地球深處、攝氏1500度高溫下沉睡幾億年，碳物質才有可能變成美麗的鑽石，從一粒沙子開始，建設一個“芯”的世界，同樣要經歷嚴苛艱難的制煉。下面就讓我們一起去看看從一粒沙子到一枚芯片的奇妙蛻變之旅。
從沙子到單晶硅錠
半導體制造業的基礎是以二氧化硅（SiO₂）形式存在的硅元素，而沙中恰恰富含二氧化硅。製造微處理器需要至純至淨的硅原料，所以必須對收集到的精度硅原料在高溫下整形、多次提純，才能得到電子級硅（EGS）。採用旋轉拉伸的方式得到一個圓柱體的單晶硅錠。單個單晶硅錠的重量約為100公斤，硅純度為99.9999%。
單晶硅錠（計算所公眾科學日展品）
從單晶硅錠到晶圓
將單晶硅錠橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們常說的晶圓(Wafer)。切割出的晶圓經過拋光後變得幾乎完美無瑕，表面如鏡面般潔淨平整。
拋光晶圓（計算所公眾科學日展品）
光刻
首先塗光刻膠，光刻膠是一種在光照後能具有抗蝕能力的高分子化合物，用於在半導體基件表面產生電路的形狀。藍色部分就是在晶圓旋轉過程中澆上去的光刻膠塗層。光刻膠隨即被曝光在紫外線之下，並變成可溶的。這個步驟的關鍵環節是“掩膜”,它的作用類似於刻蝕時用的模具，通過紫外線，掩膜會在處理器的每一層形成各種各樣的電路圖案。
光刻演示模型（計算所公眾科學日展品）
晶體管的製作
從現在開始，讓我們進入50-200納米晶體管級別的微觀世界，聚焦單個晶體管及其它部件的製作過程。
刻蝕
為了創建三門的晶體管，一種硬掩模材料（深藍色部分）被應用在光刻過程中，曝光後，大部分粘質的光刻膠都使用溶液溶解掉了。這時，掩膜留下的光刻膠圖案就顯現出來了（綠色長方體）。
形成臨時門電路
使用光刻步驟，晶體管的部分被光刻膠覆蓋，並且通過將晶圓插入充氧的管式爐中生成二氧化硅層薄片（紅色），這就形成了臨時的柵極電介質。再次使用光刻步驟，在表面創建了臨時多晶硅層（黃色部分），這就是一個臨時柵電極。接著通過氧化步驟中在整個晶片上形成二氧化硅層（紅色透明層）以使該晶體管與其他元件絕緣。
形成金屬門電路
使用掩模的方法將臨時柵電極和柵極電介質被蝕刻掉，使用“原子層沉積”的方法將各個分子層（黃色部分）施加到晶片的表面。使用光刻步驟，將高k材料從不需要的區域蝕刻掉。在晶片上形成金屬柵電極（藍色部分），並使用光刻步驟去除柵電極以外的區域的材料。與傳統的二氧化硅/多晶硅柵極相比，這種與高k材料（薄黃色層）的結合使晶體管性能更好，電流洩漏更少。
金屬沉積
晶體管上方的絕緣層（紅色）蝕刻了三個孔，這三個孔將填充銅或其他材料，之後這一晶體管將通過這些材料與其他晶體管連接。晶圓被放入硫酸銅溶液中，通過電鍍將銅離子沉積到晶體管上。銅離子會沉積在晶圓的表面，形成薄薄的銅層。
晶體管模型（計算所公眾科學日展品）
形成金屬電路層
打磨掉多餘的材料，至此，單個晶體管就已經基本完成。接著創建多層金屬層，將多個晶體管連起來。具體的連接方式因不同的處理器而異。計算機處理器表面看起來異常平滑，但實際則可能包含了20多層複雜的電路。在放大鏡下才能看到錯綜複雜的電路和晶體管網路，就像是迷你的多層高速公路系統。
光刻後的晶圓（計算所公眾科學日展品）
切割芯片
對最終得到的晶圓進行測試後，將晶圓切割成片，每一塊就是一個處理器的內核。
切割後的芯片（計算所公眾科學日展品）
封裝芯片
將襯底、晶片、散熱片整合在一起，就形成了一個完整的處理器。
封裝後的處理器（計算所公眾科學日展品）
組裝成機器人
將CPU以及機器人的其他部件組裝到一起，機器人就可以完成不同的工作任務。
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