從沙子到芯片，看看CPU是如何制造出來的
2015-09-30 20:44:28 n為了能用于制造計算機芯片，硅必須被提純到很高的純度(10億個原子中至多有一個其它原子，也就是99.9999999%以上) 硅在熔融狀態被抽取出來后凝固，該固體是一種由單個連續無間斷的晶格點陣排列的圓柱，也就是硅錠。
單晶硅錠 --- 尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸) 硅錠的直徑大約300毫米，重約100千克。
單晶硅就是說整塊硅就一個晶體，我們日長生活中見到的金屬和非金屬單質或化合物多數以多晶體形態存在
2、硅錠 / 晶圓
切割 --- 尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)
硅錠被切割成單個的硅片，稱之為晶圓。每個晶圓的直徑為300毫米，厚度大約1毫米。
晶圓 – 尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)
晶圓拋光，直到無瑕，能當鏡子照。Intel從供貨商那里購買晶圓。目前晶圓的供貨尺寸比以往有所上長，而平均下來每個芯片的制造成本有所下降。目前供貨商提供的晶圓直徑300毫米，工業用晶圓有長到450毫米的趨勢。
在一片晶圓上制造芯片需要幾百個精確控制的工序，不同的材料上一層覆一層。
下面簡要介紹芯片的復雜制造過程中幾個比較重要的工序。
3、光刻
光刻膠的使用 --- 尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)
光刻是用一種特殊的方法把某種圖像印到晶圓上的過程。開始時使用一種稱為光刻膠的液體，把它均勻的澆注到旋轉的晶圓上。光刻膠這個名字的來源于是這樣的，人們發現有一種物質對特定頻率的光敏感，它能夠抵御某種特殊化學物質的腐蝕，蝕刻中涂覆刻它可起到保護作用，蝕掉不想要的材質。
曝光 --- 尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)
光刻膠硬化后，用一定頻率的紫外線照射后變得可溶。曝光過程需要用到膜片，膜片起到印模的作用，如此一來，只有曝光部分的光刻膠可溶。膜片的圖像(電路)印到了晶圓上。電路圖像要經過透鏡縮小，曝光設備在晶圓上來回移動多次，也就是說曝光多次后電路圖才能徹底印上去。
[注：跟古老的照相機底片的原理類似]
溶解光刻膠 --- 尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)
通過化學過程溶解曝光的光刻膠，被膜片蓋住的光刻膠保留下來。
4、離子注入
離子注入 --- 尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)
覆蓋著光刻膠的晶圓經過離子束(帶正電荷或負電荷的原子)轟擊后，未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質(高速離子沖進未被光刻膠覆蓋的硅的表面)，該過程稱為摻雜。由于硅里進入了雜質，這會改變某些區域硅的導電性(導電或絕緣，這依賴于使用的離子)。這里展示一下空洞(well)的制作，這些區域將會形成晶體管。
[Chipset譯注：據說這種用于注入的帶電粒子被電場加速后可達30萬千米/小時]
去除光刻膠--- 尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)
離子注入后，光刻膠被清除，在摻雜區形成晶體管。
晶體管形成初期 --- 尺寸：晶體管級(大約50～200納米)
圖中是放大晶圓的一個點，此處有一個晶體管。綠色區域代表摻雜硅。現在的晶圓會有幾千億個這樣的區域來容納晶體管。
5、刻蝕
刻蝕 --- 尺寸：晶體管級(大約50～200納米)
為了給三門晶體管制造一個鰭片(fin)，上述光刻過程中，使用一種稱為硬膜片(藍色)的圖像材料。
然后用一種化學物質刻蝕掉不想要的硅，留下覆蓋著硬膜片的鰭片。
6、臨時門的形成
二氧化硅門電介質 --- 尺寸：晶體管級(大約50～200納米)
在光刻階段，部分晶體管用光刻膠覆蓋，把晶圓插入到充滿氧的管狀熔爐中，產生一薄層二氧化硅(紅色)，這就造就了一個臨時門電介質。
多晶硅門電極 --- 尺寸：晶體管級(大約50～200納米)
在光刻階段，制造一層多晶硅(黃色)，這就造就了一個臨時門電極。
絕緣 --- 尺寸：晶體管級(大約50～200納米)
在氧化階段，整個晶圓的二氧化硅層(紅色透明)用于跟其它部分絕緣。
英特爾使用”最后門” (也稱為 “替代金屬門”)技術制作晶體管金屬門。這種做法的目的是確保晶體管不出現穩定性問題，否則高溫的工序會導致晶體管不穩定。
7、“最后門” 高K/金屬門的形成
[注：介電常數K為高還是低是相對的，但英特爾的標準跟業界不同，業界普遍采用IBM的標準，用低K介質能減少漏電流，但是加工困難，目前大規模數字電路多用高K介質。]
犧牲門的去除 --- 尺寸：晶體管級(大約50～200納米)
用膜片工序里的做法，臨時(犧牲)門電極和門電介質被刻蝕掉。真實門現在就會形成了，因為第一門被去掉了，該工序稱為“最后門”。
高K電介質的使用 --- 尺寸：晶體管級 (大約50～200納米)
在稱為”原子層”沉積的過程中，晶圓表面覆了一層分子。圖中黃色層代表這些層中的兩層。使用光刻技術，在不想要的區域(例如透明二氧化硅的上面)里，高K材質被刻蝕掉。
金屬門 --- 尺寸：晶體管級 (大約50～200納米)
晶圓上形成金屬電極 (藍色)，不想要的區域用光刻的辦法刻蝕掉。 跟高K材料配合(薄薄的黃色層)起來使用，可以改善晶體管性能，減少漏電流的產生，這是使用傳統的二氧化硅 / 多晶硅門不能企及的。
8、金屬沉積
晶體管就緒 --- 尺寸：晶體管級 (大約50～200納米)
晶體管的建造快竣工了。
晶體管上方的絕緣層刻蝕出3個小洞，這3個洞里被填充上銅或其它材質，以便跟別的晶體管導通。
[注：晶體管也就是通俗意義上的三極管，需要3個引線腳，所以一個晶體管的絕緣層上得刻蝕出3個小洞]
電鍍 --- 尺寸：晶體管級 (大約50～200納米)
在該階段，晶圓浸在硫酸銅溶液里，作為陰極，銅離子從陽極出發到達陰極，最后銅離子會沉積在晶體管表面。
電鍍后序 --- 尺寸：晶體管級 (大約50～200納米)
經過電鍍，銅離子在晶圓表面沉積下來形成薄薄的一層銅 。
9、金屬層
拋光 --- 尺寸：晶體管級 (大約50～200納米)
多余的材質會被機械拋光，直到露出光亮的銅為止。
金屬層 --- 尺寸：晶體管級(6個晶體管組合起來大約500納米)
構造多重金屬層以一種特殊的結構來導通(請考慮宏觀世界中的“導線”)晶體管，這些“導線”怎么連接，要由某個型號處理器(例如第2代英特爾Core I5處理器)的架構師和設計團隊來決定。
盡管計算機芯片看上去十分平整，其實可能會超過30層，是一個十分復雜的電路。 一個放大的芯片看上去是由電線和晶體管組成的錯綜復雜的網絡，該網絡看上去像將來某天地面上建造成的多層高速公路系統。
當所有的內層連通以后，每個die上都會被附上陣列焊盤，這些焊盤是芯片跟外面世界的電氣連接通道(圖中未畫出焊盤)。
[注：我們常說的22納米工藝就是指上述銅“導線”寬度，焊盤將來用于激光焊接CPU針腳或觸點。Die一直沒有對應的中文，但很多人都知道它是CPU的內部電路。]
晶圓分類 / 分離
晶圓分類 --- 尺寸 die級 (大約10毫米 / 大約0.5英寸)
接觸晶圓上一些特別的點，逐個測試晶圓上的die的電氣參數，跟正確結果吻合的die算是通過。
尺寸：晶圓級(大約300毫米/12英寸)
晶圓被切割成很多小塊 (稱為die)上述的晶圓包含了英特爾的處理器Ivy Bridge。
10、包裝
單個Die --- 尺寸：die級 (大約10毫米/大約0.5英寸)
單個的die經過前面的工序后被切割成單件。這里顯示的是英特爾22納米微處理的代號Ivy Bridge的die。
打包 --- 尺寸：包裝級 (大約20毫米 / 大約1英寸)
打包基板，die(電路部分)和導熱蓋粘在一起形成一個完整的處理器。綠色的基板具有電子和機械接口跟PC系統的其它部分通信。銀色的導熱蓋可以跟散熱器接觸散發CPU產生的熱量。
處理器 --- 尺寸：包裝級 (大約20毫米 / 大約1英寸)
完整的微處理器 (Ivy Bridge) 被稱為人類制造出的最復雜的產品。實際上，處理器需要幾百個工序來完成---上述僅僅介紹了最重要的工序--- 是在世界上最潔凈的環境 下(微處理器工廠里) 完成的。
[注，粉塵會導致電路短路，制造精密的電路必須在無塵的環境下進行。例如，目前計算機主板要求的無塵環境是1萬等級，也就是說平均1萬立方米空氣中不得多于1粒粉塵。CPU電路更加精細，對無塵環境要求會更高]
11、級別測試 / 完整的處理器
級別測試 --- 尺寸：包裝級 (大約20毫米 / 大約1英寸)
在這個最后的測試階段，處理器要經過全面的測試，包括功能，性能，功耗。
篩選 --- 尺寸：包裝級 (大約20毫米 / 大約1英寸)
根據測試結果篩選，性能相同的處理器放一起，一個托盤一個托盤的存放，然后發給客戶。
零售包裝 --- 尺寸：包裝級 (大約20毫米 / 大約1英寸)
生產和測試好的處理器供給系統制造商或以盒包的形式進入零售市場。
[注：從這一步容易了解到，盒包與散片質量無任何差別，在Intel看來，同一系列同一主頻的U體制差別很小。
