CPU的生產(chǎn)過程

1、CPU的生產(chǎn)過程（1） 硅提純     生產(chǎn)CPU等芯片的材料是半導(dǎo)體，現(xiàn)階段主要的材料是硅Si，這是一種非金屬元素，從化學(xué)的角度來看，由于它處于元素周期表中金屬元素區(qū)與非金屬元素區(qū)的交界處，所以具有半導(dǎo)體的性質(zhì)，適合于制造各種微小的晶體管，是目前最適宜于制造現(xiàn)代大規(guī)模集成電路的材料之一。在硅提純的過程中，原材料硅將被熔化，并放進(jìn)一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐里放入一顆晶種，以便硅晶體圍著這顆晶種生長，直到形成一個幾近完美的單晶硅。以往的硅錠的直徑大都是200毫米，而CPU廠商正在增加300毫米晶圓的生產(chǎn)。 （2）切割晶圓  

2、0;  硅錠造出來了，并被整型成一個完美的圓柱體，接下來將被切割成片狀，稱為晶圓。晶圓才被真正用于CPU的制造。所謂的“切割晶圓”也就是用機(jī)器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規(guī)格的硅晶片，并將其劃分成多個細(xì)小的區(qū)域，每個區(qū)域都將成為一個CPU的內(nèi)核(Die)。一般來說，晶圓切得越薄，相同量的硅材料能夠制造的CPU成品就越多。單晶硅切割成晶圓單晶硅硅錠（3）影印(Photolithography) 蝕刻(Etching)     在經(jīng)過熱處理得到的硅氧化物層上面涂敷一種光阻(Photoresist)物質(zhì)，紫外線通過印制著CPU復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)圖樣的模板

3、照射硅基片，被紫外線照射的地方光阻物質(zhì)溶解。而為了避免讓不需要被曝光的區(qū)域也受到光的干擾，必須制作遮罩來遮蔽這些區(qū)域。這是個相當(dāng)復(fù)雜的過程，每一個遮罩的復(fù)雜程度得用10GB數(shù)據(jù)來描述。     接下來停止光照并移除遮罩，使用特定的化學(xué)溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜，以及在下面緊貼著抗蝕膜的一層硅。然后，曝光的硅將被原子轟擊，使得暴露的硅基片局部摻雜，從而改變這些區(qū)域的導(dǎo)電狀態(tài)，以制造出N井或P井，結(jié)合上面制造的基片，CPU的門電路就完成了。影印工藝圖示CPU制作工藝（4）重復(fù)、分層     為加工新的一層電路，再次生

4、長硅氧化物，然后沉積一層多晶硅，涂敷光阻物質(zhì)，重復(fù)影印、蝕刻過程，得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結(jié)構(gòu)。重復(fù)多遍，形成一個3D的結(jié)構(gòu)，這才是最終的CPU的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導(dǎo)體。Intel的Pentium 4處理器有7層，而AMD的Athlon 64則達(dá)到了9層。（5）封裝     這時的CPU是一塊塊晶圓，它還不能直接被用戶使用，必須將它封入一個陶瓷的或塑料的封殼中，這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。封裝結(jié)構(gòu)各有不同，但越高級的CPU封裝也越復(fù)雜，新的封裝往往能帶來芯片電氣性能和穩(wěn)定性的提升，并能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎(chǔ)。（

5、6）多次測試     測試是一個CPU制造的重要環(huán)節(jié)，也是一塊CPU出廠前必要的考驗。這一步將測試晶圓的電氣性能，以檢查是否出了什么差錯，以及這些差錯出現(xiàn)在哪個步驟（如果可能的話）。接下來，晶圓上的每個CPU核心都將被分開測試。用金屬將不同層的晶體管相連進(jìn)行嚴(yán)格的檢測晶圓尺寸-300mm 硅晶圓尺寸是在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中硅晶圓使用的直徑值。硅晶圓尺寸越大越好，因為這樣每塊晶圓能生產(chǎn)更多的芯片。比如，同樣使用0.13微米的制程在200mm的晶圓上可以生產(chǎn)大約179個處理器核心，而使用300mm的晶圓可以制造大約427個處理器核心，300mm直徑的晶圓的面積是

6、200mm直徑晶圓的2.25倍，出產(chǎn)的處理器個數(shù)卻是后者的2.385倍，并且300mm晶圓實際的成本并不會比200mm晶圓來得高多少，因此這種成倍的生產(chǎn)率提高顯然是所有芯片生產(chǎn)商所喜歡的。     然而，硅晶圓具有的一個特性卻限制了生產(chǎn)商隨意增加硅晶圓的尺寸，那就是在晶圓生產(chǎn)過程中，離晶圓中心越遠(yuǎn)就越容易出現(xiàn)壞點(diǎn)。因此從硅晶圓中心向外擴(kuò)展，壞點(diǎn)數(shù)呈上升趨勢，這樣我們就無法隨心所欲地增大晶圓尺寸。蝕刻尺寸-90nm蝕刻尺寸是制造設(shè)備在一個硅晶圓上所能蝕刻的一個最小尺寸，是CPU核心制造的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。在制造工藝相同時，晶體管越多處理器內(nèi)核尺寸就越大，一塊硅

7、晶圓所能生產(chǎn)的芯片的數(shù)量就越少，每顆CPU的成本就要隨之提高。反之，如果更先進(jìn)的制造工藝，意味著所能蝕刻的尺寸越小，一塊晶圓所能生產(chǎn)的芯片就越多，成本也就隨之降低。比如8086的蝕刻尺寸為3m，Pentium的蝕刻尺寸是0.80m，而Pentium 4的蝕刻尺寸當(dāng)前是0.09m。目前Intel的300mm尺寸硅晶圓廠可以做到0.065m（65納米）的蝕刻尺寸。     此外，每一款CPU在研發(fā)完畢時其內(nèi)核架構(gòu)就已經(jīng)固定了，后期并不能對核心邏輯再作過大的修改。因此，隨著頻率的提升，它所產(chǎn)生的熱量也隨之提高，而更先進(jìn)的蝕刻技術(shù)另一個重要優(yōu)點(diǎn)就是可以減小晶體管

8、間電阻，讓CPU所需的電壓降低，從而使驅(qū)動它們所需要的功率也大幅度減小。所以我們看到每一款新CPU核心，其電壓較前一代產(chǎn)品都有相應(yīng)降低，又由于很多因素的抵消，這種下降趨勢并不明顯。CPU,Centralprocessingunit.是現(xiàn)代計算機(jī)的核心部件，又稱為“微處理器(Microprocessor)”。對于PC而言，CPU的規(guī)格與頻率常常被用來作為衡量一臺電腦性能強(qiáng)弱重要指標(biāo)。Intelx86架構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了二十多個年頭，而x86架構(gòu)的CPU對我們大多數(shù)人的工作、生活影響頗為深遠(yuǎn)。一代一代經(jīng)典的CPU許多對電腦知識略知一二的朋友大多會知道CPU里面最重要的東西就是晶體管了，提高CPU的速度，

9、最重要的一點(diǎn)說白了就是如何在相同的CPU面積里面放進(jìn)去更加多的晶體管，由于CPU實在太小，太精密，里面組成了數(shù)目相當(dāng)多的晶體管，所以人手是絕對不可能完成的，只能夠通過光刻工藝來進(jìn)行加工的。這就是為什么一塊CPU里面為什么可以數(shù)量如此之多的晶體管。晶體管其實就是一個雙位的開關(guān)：即開和關(guān)。如果您回憶起基本計算的時代，那就是一臺計算機(jī)需要進(jìn)行工作的全部。兩種選擇，開和關(guān)，對于機(jī)器來說即0和1。那么您將如何制作一個CPU呢？在今天的文章中，我們將一步一步的為您講述中央處理器從一堆沙子到一個功能強(qiáng)大的集成電路芯片的全過程。 制造CPU的基本原料如果問及CPU的原料是什么，大家都會輕而易舉的給出答案是硅。

10、這是不假，但硅又來自哪里呢？其實就是那些最不起眼的沙子。難以想象吧，價格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，充滿著神秘感的CPU竟然來自那根本一文不值的沙子。當(dāng)然這中間必然要經(jīng)歷一個復(fù)雜的制造過程才行。不過不是隨便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑細(xì)選，從中提取出最最純凈的硅原料才行。試想一下，如果用那最最廉價而又儲量充足的原料做成CPU，那么成品的質(zhì)量會怎樣，你還能用上像現(xiàn)在這樣高性能的處理器嗎？英特爾技術(shù)人員在半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠內(nèi)使用自動化測量工具依據(jù)嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對晶圓的制造進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)測。除去硅之外，制造CPU還需要一種重要的材料就是金屬。目前為止，鋁已經(jīng)成為制作處理器內(nèi)部配件的主要金屬材料，而銅則

11、逐漸被淘汰，這是有一些原因的，在目前的CPU工作電壓下，鋁的電遷移特性要明顯好于銅。所謂電遷移問題，就是指當(dāng)大量電子流過一段導(dǎo)體時，導(dǎo)體物質(zhì)原子受電子撞擊而離開原有位置，留下空位，空位過多則會導(dǎo)致導(dǎo)體連線斷開，而離開原位的原子停留在其它位置，會造成其它地方的短路從而影響芯片的邏輯功能，進(jìn)而導(dǎo)致芯片無法使用。這就是許多Northwood Pentium 4換上SNDS（北木暴畢綜合癥）的原因，當(dāng)發(fā)燒友們第一次給Northwood Pentium 4超頻就急于求成，大幅提高芯片電壓時，嚴(yán)重的電遷移問題導(dǎo)致了CPU的癱瘓。這就是intel首次嘗試銅互連技術(shù)的經(jīng)歷，它顯然需要一些改進(jìn)。不過另一方面講，

12、應(yīng)用銅互連技術(shù)可以減小芯片面積，同時由于銅導(dǎo)體的電阻更低，其上電流通過的速度也更快。除了這兩樣主要的材料之外，在芯片的設(shè)計過程中還需要一些種類的化學(xué)原料，它們起著不同的作用，這里不再贅述。 CPU制造的準(zhǔn)備階段在必備原材料的采集工作完畢之后，這些原材料中的一部分需要進(jìn)行一些預(yù)處理工作。而作為最主要的原料，硅的處理工作至關(guān)重要。首先，硅原料要進(jìn)行化學(xué)提純，這一步驟使其達(dá)到可供半導(dǎo)體工業(yè)使用的原料級別。而為了使這些硅原料能夠滿足集成電路制造的加工需要，還必須將其整形，這一步是通過溶化硅原料，然后將液態(tài)硅注入大型高溫石英容器而完成的。晶圓上的方塊稱為“芯片（die）”，每個微處理器都會成為個人計算機(jī)

13、系統(tǒng)的“大腦”。而后，將原料進(jìn)行高溫溶化。中學(xué)化學(xué)課上我們學(xué)到過，許多固體內(nèi)部原子是晶體結(jié)構(gòu)，硅也是如此。為了達(dá)到高性能處理器的要求，整塊硅原料必須高度純凈，及單晶硅。然后從高溫容器中采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方式將硅原料取出，此時一個圓柱體的硅錠就產(chǎn)生了。從目前所使用的工藝來看，硅錠圓形橫截面的直徑為200毫米。不過現(xiàn)在intel和其它一些公司已經(jīng)開始使用300毫米直徑的硅錠了。在保留硅錠的各種特性不變的情況下增加橫截面的面積是具有相當(dāng)?shù)碾y度的，不過只要企業(yè)肯投入大批資金來研究，還是可以實現(xiàn)的。intel為研制和生產(chǎn)300毫米硅錠而建立的工廠耗費(fèi)了大約35億美元，新技術(shù)的成功使得intel可以制造復(fù)雜程

14、度更高，功能更強(qiáng)大的集成電路芯片。而200毫米硅錠的工廠也耗費(fèi)了15億美元。下面就從硅錠的切片開始介紹CPU的制造過程。清潔的空氣源源不斷地從天花板和地板中的空隙中流入室內(nèi)。無塵車間中的全部空氣每分鐘都會多次更換。在制成硅錠并確保其是一個絕對的圓柱體之后，下一個步驟就是將這個圓柱體硅錠切片，切片越薄，用料越省，自然可以生產(chǎn)的處理器芯片就更多。切片還要鏡面精加工的處理來確保表面絕對光滑，之后檢查是否有扭曲或其它問題。這一步的質(zhì)量檢驗尤為重要，它直接決定了成品CPU的質(zhì)量。新的切片中要摻入一些物質(zhì)而使之成為真正的半導(dǎo)體材料，而后在其上刻劃代表著各種邏輯功能的晶體管電路。摻入的物質(zhì)原子進(jìn)入硅原子之間

15、的空隙，彼此之間發(fā)生原子力的作用，從而使得硅原料具有半導(dǎo)體的特性。今天的半導(dǎo)體制造多選擇CMOS工藝（互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）。其中互補(bǔ)一詞表示半導(dǎo)體中N型MOS管和P型MOS管之間的交互作用。而N和P在電子工藝中分別代表負(fù)極和正極。多數(shù)情況下，切片被摻入化學(xué)物質(zhì)而形成P型襯底，在其上刻劃的邏輯電路要遵循nMOS電路的特性來設(shè)計，這種類型的晶體管空間利用率更高也更加節(jié)能。同時在多數(shù)情況下，必須盡量限制pMOS型晶體管的出現(xiàn)，因為在制造過程的后期，需要將N型材料植入P型襯底當(dāng)中，而這一過程會導(dǎo)致pMOS管的形成。在摻入化學(xué)物質(zhì)的工作完成之后，標(biāo)準(zhǔn)的切片就完成了。然后將每一個切片放入高溫爐中加熱，

16、通過控制加溫時間而使得切片表面生成一層二氧化硅膜。通過密切監(jiān)測溫度，空氣成分和加溫時間，該二氧化硅層的厚度是可以控制的。在intel的90納米制造工藝中，門氧化物的寬度小到了驚人的5個原子厚度。這一層門電路也是晶體管門電路的一部分，晶體管門電路的作用是控制其間電子的流動，通過對門電壓的控制，電子的流動被嚴(yán)格控制，而不論輸入輸出端口電壓的大小。準(zhǔn)備工作的最后一道工序是在二氧化硅層上覆蓋一個感光層。這一層物質(zhì)用于同一層中的其它控制應(yīng)用。這層物質(zhì)在干燥時具有很好的感光效果，而且在光刻蝕過程結(jié)束之后，能夠通過化學(xué)方法將其溶解并除去。 光刻蝕這是目前的CPU制造過程當(dāng)中工藝非常復(fù)雜的一個步驟，為什么這么

17、說呢？光刻蝕過程就是使用一定波長的光在感光層中刻出相應(yīng)的刻痕， 由此改變該處材料的化學(xué)特性。這項技術(shù)對于所用光的波長要求極為嚴(yán)格，需要使用短波長的紫外線和大曲率的透鏡?？涛g過程還會受到晶圓上的污點(diǎn)的影響。每一步刻蝕都是一個復(fù)雜而精細(xì)的過程。設(shè)計每一步過程的所需要的數(shù)據(jù)量都可以用10GB的單位來計量，而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過20步（每一步進(jìn)行一層刻蝕）。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話，可以和整個紐約市外加郊區(qū)范圍的地圖相比，甚至還要復(fù)雜，試想一下，把整個紐約地圖縮小到實際面積大小只有100個平方毫米的芯片上，那么這個芯片的結(jié)構(gòu)有多么復(fù)雜，可想而知了吧。單晶硅錠和最初的核心

18、架構(gòu)當(dāng)這些刻蝕工作全部完成之后，晶圓被翻轉(zhuǎn)過來。短波長光線透過石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上，然后撤掉光線和模板。通過化學(xué)方法除去暴露在外邊的感光層物質(zhì)，而二氧化硅馬上在陋空位置的下方生成。英特爾技術(shù)人員在監(jiān)測自動濕刻蝕工具中的晶圓，該工藝可清除晶圓上多余的操作助劑或者污染物。 摻雜在殘留的感光層物質(zhì)被去除之后，剩下的就是充滿的溝壑的二氧化硅層以及暴露出來的在該層下方的硅層。這一步之后，另一個二氧化硅層制作完成。然后，加入另一個帶有感光層的多晶硅層。多晶硅是門電路的另一種類型。由于此處使用到了金屬原料（因此稱作金屬氧化物半導(dǎo)體），多晶硅允許在晶體管隊列端口電壓起作用之前建立門電路。感

19、光層同時還要被短波長光線透過掩?？涛g。再經(jīng)過一部刻蝕，所需的全部門電路就已經(jīng)基本成型了。然后，要對暴露在外的硅層通過化學(xué)方式進(jìn)行離子轟擊，此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個摻雜過程創(chuàng)建了全部的晶體管及彼此間的電路連接，沒個晶體管都有輸入端和輸出端，兩端之間被稱作端口。 重復(fù)這一過程從這一步起，你將持續(xù)添加層級，加入一個二氧化硅層，然后光刻一次。重復(fù)這些步驟，然后就出現(xiàn)了一個多層立體架構(gòu)，這就是你目前使用的處理器的萌芽狀態(tài)了。在每層之間采用金屬涂膜的技術(shù)進(jìn)行層間的導(dǎo)電連接。今天的P4處理器采用了7層金屬連接，而Athlon64使用了9層，所使用的層數(shù)取決于最初的版圖設(shè)計，并不直接代表著最終產(chǎn)品的性能差異。 測試 封裝測試過程接下來的幾個星期就需要對晶圓進(jìn)行一關(guān)接一關(guān)的測試，包括檢測晶圓的電學(xué)特性，看