CPU制造工艺完整过程

刘宗元

学号19021210731

转载自http://www.360doc.com/content/19/0601/18/45644076_839664298.shtml

【嵌牛导读】大家都在用CPU，那么CPU的制造工艺又是什么呢？

【嵌牛鼻子】CPU、制造

【嵌牛提问】CPU制造工艺完整过程是什么

【嵌牛正文】

1》由沙到晶圆，CPU诞生全过程

2》沙中含有25%的硅，是地壳中第二多元素，在经过氧化之后就成为了二氧化硅，在沙，尤其是石英中二氧化硅的含量非常高，这就是制造半导体的基础。

3》在采购原材料沙子后，将其中的硅进行分离，多余的材料被废弃，再经过多个步骤进行提纯，以最终达到符合半导体制造的质量，这就是所谓的电子级硅。它的纯度是非常大的，每10亿个硅原子中只有一个是不符合要求的。经过净化过程，硅进入融化阶段。在此图片你可以看到一个大晶体硅的纯净融化时的状态，由此产生的单晶体被称为元宝。 

4》一个被铸成锭后的电子级硅的单晶体，重量大约为100千克，硅的纯度达到了99.9999%。

5》铸好锭后，将进入切割阶段，将整个锭切成一片一片的圆盘，也就是我们俗称的晶圆，这样求切割出来的是非常薄的，一个锭大概高5英尺，锭的直径要根据对晶圆的需求来制定，今天的CPU需要300直径的晶圆。 

6》一旦切断，晶圆就要进行抛光，直至完美，表面如镜面一样光滑，Intel并不生产自己的锭和硅片，而是由第三方公司购买可随时投入生产的晶圆。 Intel先进的45nm High-K/Metal Gate晶圆直径就为 300mm，当Intel最早生产芯片时是在直径50mm的晶圆上印刷电路，而今天在300mm的晶圆上印刷，以减少成本。 

7》在上图中，我们可以看到晶圆上有蓝色液体，这是类似胶片拍照时的光阻剂，晶圆不停旋转，以使其将液体均匀涂抹在晶圆上，并且涂层也是非常薄的。晶圆在此步骤进行旋转，以使涂层均匀分布。 

8》 在这一阶段，晶圆完成暴露于紫外线下，以此来使涂抹在上面的薄膜材料发生化学反应，就像照相时按下快门，影像就印在胶片上，这也是运用了相似的原理。

    为了防止晶圆暴露在紫外线下变成可溶性的，因此使用了一个类似口罩的模具挡在前面，上面有设计好的各种电路，照射后这些电路就会像照片一样被印在晶圆上。制造一个CPU基本上要重复这一过程，直到多层堆叠到顶部为止。 

9》在上图片中我们可以看到有代表性的单一晶体管，似乎我们能用肉眼看到它，晶体管作为开关控制一个计算机芯片内电流的流动。Intel的研究人员已经研究出如此之小晶体管，他们声称大约1个针脚可以放30万个晶体管。 

10》在晶体管暴露在紫外线下后，光阻剂完全溶解，先试试吸附在晶体管上的面膜。

11》光阻层覆盖的地方被保护起来不能被雕刻，而暴露的部分是可以的，也就是说需要在暴露的地方进行雕刻，就像我们做手术时，盖在身上的单子，露出皮肤的地方也就是需要做手术的部位。

12》雕刻后去掉光阻层，这时晶体管的形状就可见了。

13》然后再重新涂上蓝色的光阻剂（蓝色）暴露在紫外线下，进入下一步以前光阻层需要被洗刷，也叫做离子掺杂，这一过程就是让离子微粒接触到晶圆，从而使硅改变其化学性质，让CPU可以控制电流。 

14》接下来的这个过程叫离子注入，也就是用离子轰击暴露地区的硅片，用离子撞击植入硅片的方式来改变这些地区硅的导电性，离子需要非常高速的撞击到晶圆表面上，通过电场加速后的离子速度可以达到每小时30万公里。

15》当离子注入后，光阻层将被移除，绿色部分的材料会掺入晚来的原子。

16》 这时晶体管是接近完成，晶体管洋红色表面是保温层，上面有三个洞，这三个洞将用来填补铜，以便连接到其他晶体管。

17》 在晶圆放入硫酸铜溶液这个阶段，铜离子的沉积到晶体管，这个过程被称为电镀。游离的铜离子分别到晶圆的积极终端（阳极）和消极终端（阴极）。

18》 之后，铜离子作为铜箔曾附着在晶圆表面。

19》多余的材料是被抛光掉，留下了非常薄的一层铜。

20》 多金属层是建立各种晶体管的互连，那么如何将建筑、设计和功能开发团队各自设计的晶体管有线的连接在一起呢？例如，Intel的Core ì7处理器。虽然电脑芯片看起来十分平坦，但实际上可能有超过20层，形成复杂的电路。如果你放大一个芯片，你会看到一个复杂的电路网络线和晶体管，看起来像一个未来的、多层次的公路系统。 

21》 在这部分准备将晶圆建立第一个功能测试，在这个阶段的测试模式中输入每个单芯片，并监测比较芯片的反应，从而得到“正确的答案”(反馈的正确信息)。

22》 经测试后，晶圆好的部分将被确定作为处理器单元，然后将晶圆切割成很多小片（称为核心或者叫内核）。 

23》 筛选核心的过程就是模具向晶圆进行测试看回馈的是否是“正确答案”（应该是某种测试参数），如果是，将继续下一步，不合格的核心将被被丢弃，几年前Intel还用坏掉的核心制作了钥匙链。 

24》这是一个被分离出来的的核心，由上一道工序切割而成，上图显示的是Intel Core i7处理器的核心。

25》  绿色基板、模具（切割加工好的晶圆）以及散热片放在一起形成一个完成的处理器，绿色基板（类似PCB）建立了处理器的电气和机械接口，其他电脑系统互联，银色的是散热片，也就是我们常见的处理器外面的金属壳，在处理器运行过程中提供散热支持。 

26》 微处理器是地球上制造的最复杂的产品，事实上，它需要数以百计的步骤，我们这里只列出了最重要的部分。

27》在最后要测试处理器，将检验他们的主要特点（测试功耗和最高频率） 。

28》基于测试的结果，将具有相同的能力的处理器归属一类，这一过程被称为“分块”过程，分级确定了处理器的最高工作频率，根据稳定性等规格制定价格。 

    生产和测试的处理器（在这里显示的是Intel Core ì7处理器）要么分成散装销往系统制造商，要么分成盒装在零售商店出售