從沙子到芯片,且看處理器是怎樣煉成的

從沙子到芯片：且看處理器是怎樣煉成的可以說，中央處理器（CPU）是現(xiàn)代社會飛速運(yùn)轉(zhuǎn)的動力源泉，在任何電子設(shè)備上都可以找到微芯片的身影，不過也有人不屑一顧，認(rèn)為處理器這東西沒什么技術(shù)含量，不過是一堆沙子的聚合而已。是么？Intel今天就公布了大量圖文資料，詳細(xì)展示了從沙子到芯片的全過程，簡單與否一看便知。MyDriversr,com驅(qū)動MyDriversr,com驅(qū)動簡單地說，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、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試、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。連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試、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。下邊就圖文結(jié)合，一步一步看看:flyDri■W.ers,com驅(qū)動之家com驅(qū)動之家沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(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)。ISlyD驅(qū)動之家MyDriver5<com驅(qū)動之家硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級，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)名電子級硅(EGS)，平均每一百萬個硅原子

中最多只有一個雜質(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)。M驅(qū)對I之家MyDriveri<com驅(qū)動之家單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999%。硅錠切割：橫向切割成圓形的單個硅片，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？晶圓：切割出的晶圓經(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45nmHKMG（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。第二階段合影光刻膠(PhotoResist):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。

光刻：光刻膠層隨后透過掩模(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。光刻：由此進(jìn)入50-200納米尺寸的晶體管級別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個處理器，不過從這里開始把視野縮小到其中一個上，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，一個針頭上就能放下大約3000萬個。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。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。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。第四階段合光刻膠：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)不會離子注入的那部分材料。離子注入(IonImplantation):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)過電場加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。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。注意這時候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材（品紅色）上蝕刻出三個孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極（陽極）走向負(fù)極（陰極）。M驅(qū)動己冢MyDrivers<com驅(qū)動之家銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層。拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復(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)。第七階段合影晶圓測試：內(nèi)核級別，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試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對比。晶圓切片(Slicing)：晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個處理器的內(nèi)核(Die)。丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級別。測試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準(zhǔn)備進(jìn)入下一步。第八階段合影KiyDriv.ers；.com驅(qū)動之家MyD驅(qū)動之家單個內(nèi)核：內(nèi)核級別。從晶圓上切割下來的單個內(nèi)核，這里展示的是Corei7的核心。封裝：封裝級別，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。處理器：至此就得到完整的處理器了（這里是一顆Corei7）。這種在世界上最干凈的房間里制造出來的最復(fù)雜的產(chǎn)品實(shí)際上是經(jīng)過數(shù)百個步驟得來的，這里只是展示了其中的一些關(guān)鍵步驟。第九階段合ISlyDrivers.ct)m驅(qū)動之家MyD驅(qū)動之家等級測試：最后一次測試，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，比如適合做成最高端的Corei7-975Extreme，還是低端型號Corei7-920。裝箱：根據(jù)等級測試結(jié)果將同樣級別的處理器放在一起裝運(yùn)。零售包裝：制造、測試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商，要么放在包裝盒里進(jìn)入零售市場。這里還是以Corei7為例。第十階段合影相關(guān)參考材料:Intel45nmFab32晶圓廠內(nèi)景：http://news.mydrivers.eom/1/9