CPU制造過程-沙子大翻身

1、從沙子變身CPUConfidential & Proprietary 20092從沙子到芯片的全過程簡(jiǎn)單地說，處理器的制造過程可以大致分為沙子原料(石英)、硅錠、晶圓、光刻(平版印刷)、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測(cè)試與切割、封裝、等級(jí)測(cè)試、包裝上市等諸多步驟，而且每一步里邊又包含更多細(xì)致的過程。Confidential & Proprietary 20093沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而沙子(尤其是石英)最多包含25的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。 Confidential & Proprietary 20094硅熔煉：12英寸/3

2、00毫米直徑晶圓級(jí)，下同。通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的硅，學(xué)名電子級(jí)硅(EGS)，平均每一百萬個(gè)硅原子中最多只有一個(gè)雜質(zhì)原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot)。 Confidential & Proprietary 20095單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999。 Confidential & Proprietary 20096硅錠切割：橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，也就是我們常說的晶圓(Wafer)。順便說，這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧？ Confidential & Proprietary 20097晶圓：切

3、割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當(dāng)鏡子。事實(shí)上，Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導(dǎo)體企業(yè)那里直接購(gòu)買成品，然后利用自己的生產(chǎn)線進(jìn)一步加工，比如現(xiàn)在主流的45nm HKMG(高K金屬柵極)。值得一提的是，Intel公司創(chuàng)立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米。 Confidential & Proprietary 20098光刻膠(Photo Resist)：圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。 Confidential & Proprietary 20099光刻一：光刻膠層隨后透過

4、掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會(huì)形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一尺寸。 Confidential & Proprietary 200910光刻二：由此進(jìn)入50-200納米尺寸的晶體管級(jí)別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個(gè)處理器，不過從這里開始把視野縮小到其中一個(gè)上，展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當(dāng)于開關(guān)，控制著電流的方向?，F(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小，一個(gè)針頭上就能放下大約3000萬個(gè)。 Confidenti

5、al & Proprietary 200911溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。 Confidential & Proprietary 200912 蝕刻：使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護(hù)著不應(yīng)該蝕刻的部分。 Confidential & Proprietary 200913 清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計(jì)好的電路圖案。Confidential & Proprietary 200914 光刻膠：再次澆上光刻膠(藍(lán)色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護(hù)不會(huì)離

6、子注入的那部分材料。Confidential & Proprietary 200915 離子注入(Ion Implantation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)過電場(chǎng)加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時(shí)。Confidential & Proprietary 200916 清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時(shí)候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。Confidential & Proprietary 200917 晶體管就

7、緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個(gè)孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。Confidential & Proprietary 200918 電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會(huì)從正極(陽極)走向負(fù)極(陰極)。 Confidential & Proprietary 200919銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個(gè)薄薄的銅層 Confidential & Proprietary 200920將多余的銅刻蝕掉Confidential & Proprietary 200921金屬層：晶體管級(jí)別，六個(gè)晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體

8、管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑，但事實(shí)上可能包含20多層復(fù)雜的電路，放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，形如未來派的多層高速公路系統(tǒng)。Confidential & Proprietary 200922晶圓測(cè)試：內(nèi)核級(jí)別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測(cè)試Confidential & Proprietary 200923晶圓切片(Slicing)：晶圓級(jí)別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個(gè)處理器的內(nèi)核(Die) Confidential & Proprietary 200924標(biāo)記

9、瑕疵內(nèi)核：測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被用墨點(diǎn)標(biāo)記 Confidential & Proprietary 200925單個(gè)內(nèi)核：內(nèi)核級(jí)別。從晶圓上切割下來的單個(gè)內(nèi)核，這里展示的是Core i7的核心。 Confidential & Proprietary 200926封裝：封裝級(jí)別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當(dāng)于一個(gè)底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機(jī)械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負(fù)責(zé)內(nèi)核散熱的了。 Confidential & Proprietary 200927處理器：至此就得到完整的處理器了(這里是一顆Core i7 Confidential & Proprietary 200928等級(jí)測(cè)試：最后一次測(cè)試，可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級(jí)，比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme，還是低端型號(hào)Core i7-920。 Confidential & Proprietar