cpu發(fā)展史和生產(chǎn)工藝流程課件

CPU

生產(chǎn)工藝流程作者：肖太梁學號：201111103指導：解鵬中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）

是電子計算機三大核心部件。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。CPU由運算器、控制器和寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構成。差不多所有的CPU的運作原理可分為四個階段：

解碼（Decode）執(zhí)行（Execute）提取（Fetch）寫回（Writeback）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體制造質(zhì)量的硅，學名電子級硅(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)。單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999％。制造第一階段__提煉硅錠(小結）晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當鏡子。事實上，Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導體企業(yè)那里直接購買成品，然后利用自己的生產(chǎn)線進一步加工，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毫米制造第二階段_切割晶圓(小結）

光刻膠(PhotoResist)：圖中藍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：由此進入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。晶體管相當于開關，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3000萬個制造第三階段_光刻過程(小結）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計好的電路圖案。制造第四階段_光刻膠的使命(小結）光刻膠：再次澆上光刻膠(藍色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。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。制造第五階段_離子注入(小結）

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。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。制造第六階段_電鍍晶圓(小結）

制造第七階段_拋光處理(小結）

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，留下完好的準備進入下一步。制造第八階段_晶圓切片(小結）

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)相當于一個底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負責內(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雜的產(chǎn)品實際上是經(jīng)過數(shù)百個步驟得來的，這里只是展示了其中的一些關鍵步驟。制造第九階段_封裝(小結）等級測試：最后一次測試，可以鑒別出每一顆處理器的關鍵特性，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)等級測試結果將同樣級別的處理器放在一起裝運。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入零售市場。這里還是以Corei7為例。制造第十階段_成品出爐(小結）

總結1、制造第一階段__提煉硅錠2、制造第二階段_切割晶圓3、制造第三階段_光刻過程4、制造第四階段_光刻膠的使命5、制造第五階段_離子注入6、制造第六階段_電鍍晶圓7、制造第七階段_拋光處理8、制造第八階段_晶圓切片9、制造第九階段_封裝(小結）10、制造第十階段_成品出爐(小結）CPU是如何生產(chǎn)出來的（收轉(zhuǎn)）2010-03-2616:00作為計算機的核心組件，CPU（CentralProcessorUnit，中央處理器）在用戶的心中一直是十分神秘的：在多數(shù)用戶的心目中，它都只是一個名詞縮寫，他們甚至連它的全寫都拚不出來；在一些硬件高手的眼里，CPU也至多是一塊十余平方厘米，有很多腳的塊塊兒，而CPU的核心部分甚至只有不到一平方厘米大。他們知道這塊不到一平方厘米大的玩意兒是用多少微米工藝制成的，知道它集成了幾億幾千萬晶體管，但鮮有了解CPU的制造流程者。今天，就讓我們來詳細的了解一下，CPU是怎樣練成的。基本材料

多數(shù)人都知道，現(xiàn)代的CPU是使用硅材料制成的。硅是一種非金屬元素，從化學的角度來看，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。從某種意義上說，沙灘上的沙子的主要成分也是硅（二氧化硅），而生產(chǎn)CPU所使用的硅材料，實際上就是從沙子里面提取出來的。當然，CPU的制造過程中還要使用到一些其它的材料，這也就是為什么我們不會看到Intel或者AMD只是把成噸的沙子拉往他們的制造廠。同時，制造CPU對硅材料的純度要求極高，雖然來源于廉價的沙子，但是由于材料提純工藝的復雜，我們還是無法將一百克高純硅和一噸沙子的價格相提并論。

制造CPU的另一種基本材料是金屬。金屬被用于制造CPU內(nèi)部連接各個元件的電路。鋁是常用的金屬材料之一，因為它廉價，而且性能不差。而現(xiàn)今主流的CPU大都使用了銅來代替鋁，因為鋁的電遷移性太大，已經(jīng)無法滿足當前飛速發(fā)展的CPU制造工藝的需要。所謂電遷移，是指金屬的個別原子在特定條件下（例如高電壓）從原有的地方遷出。

很顯然，如果不斷有原子從連接元件的金屬微電路上遷出，電路很快就會變得千瘡百孔，直到斷路。這也就是為什么超頻者嘗試對NorthwoodPentium4的電壓進行大幅度提升時，這塊悲命的CPU經(jīng)常在“突發(fā)性Northwood死亡綜合癥（SuddenNorthwoodDeathSyndrome，SNDS）”中休克甚至犧牲的原因。SNDS使得Intel第一次將銅互連（CopperInterconnect）技術應用到CPU的生產(chǎn)工藝中。銅互連技術能夠明顯的減少電遷移現(xiàn)象，同時還能比鋁工藝制造的電路更小，這也是在納米級制造工藝中不可忽視的一個問題。

不僅僅如此，銅比鋁的電阻還要小得多。種種優(yōu)勢讓銅互連工藝迅速取代了鋁的位置，成為CPU制造的主流之選。除了硅和一定的金屬材料之外，還有很多復雜的化學材料也參加了CPU的制造工作。

準備工作

解決制造CPU的材料的問題之后，我們開始進入準備工作。在準備工作的過程中，一些原料將要被加工，以便使其電氣性能達到制造CPU的要求。其一就是硅。首先，它將被通過化學的方法提純，純到幾乎沒有任何雜質(zhì)。同時它還得被轉(zhuǎn)化成硅晶體，從本質(zhì)上和海灘上的沙子劃清界限。

在這個過程中，原材料硅將被熔化，并放進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。如果你在高中時把硫酸銅結晶實驗做的很好，或者看到過單晶冰糖是怎么制造的，相信這個過程不難理解。同時你需要理解的是，很多固體物質(zhì)都具有晶體結構，例如食鹽。CPU制造過程中的硅也是這樣。小心而緩慢的攪拌硅的熔漿，硅晶體包圍著晶種向同一個方向生長。最終，一塊硅錠產(chǎn)生了。

現(xiàn)在的硅錠的直徑大都是200毫米，而CPU廠商正在準備制造300毫米直徑的硅錠。在確保質(zhì)量不變的前提下制造更大的硅錠難度顯然更大，但CPU廠商的投資解決了這個技術難題。建造一個生產(chǎn)300毫米直徑硅錠的制造廠大約需要35億美元，Intel將用其產(chǎn)出的硅材料制造更加復雜的CPU。而建造一個相似的生產(chǎn)200毫米直徑硅錠的制造廠只要15億美元。作為第一個吃螃蟹的人，Intel顯然需要付出更大的代價?；▋杀抖嗟腻X建造這樣一個制造廠似乎很劃不來，但從下文可以看出，這個投資是值得的。硅錠的制造方法還有很多，上面介紹的只是其中一種，叫做CZ制造法。

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。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。接下來晶圓將被磨光，并被檢查是否有變形或者其它問題。在這里，質(zhì)量檢查直接決定著CPU的最終良品率，是極為重要的。

沒有問題的晶圓將被摻入適當?shù)钠渌牧?，用以在上面制造出各種晶體管。摻入的材料沉積在硅原子之間的縫隙中。目前普遍使用的晶體管制造技術叫做CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductors，互補式金屬氧化物半導體）技術，相信這個詞你經(jīng)常見到。簡單的解釋一下，CMOS中的C（Complementary）是指兩種不同的MOS電路“N”電路和“P”電路之間的關系：它們是互補的。

在電子學中，“N”和“P”分別是Negative和Positive的縮寫，用于表示極性。可以簡單的這么理解，在“N”型的基片上可以安裝“P”

井制造“P”型的晶體管，而在“P”型基片上則可以安裝“N”井制造“N”型晶體管。在多數(shù)情況下，制造廠向晶圓里摻入相關材料以制造“P”基片，因為在“P”基片上能夠制造出具有更優(yōu)良的性能，并且能有效的節(jié)省空間的“N”型晶體管；而這個過程中，制造廠會盡量避免產(chǎn)生“P”型晶體管。接下來這塊晶圓將被送入一個高溫熔爐，當然這次我們不能再讓它熔化了。通過密切監(jiān)控熔爐內(nèi)的溫度、壓力和加熱時間，晶圓的表面將被氧化成一層特定厚度的二氧化硅（SiO2），作為晶體管門電路的一部分—基片。如果你學過邏輯電路之類的，你一定會很清楚門電路這個概念。通過門電路，輸入一定的電平將得到一定的輸出電平，輸出電平根據(jù)門電路的不同而有所差異。電平的高低被形象的用0和1表示，這也就是計算機使用二進制的原因。在Intel使用90納米工藝制造的CPU中，這層門電路只有5個原子那么厚。準備工作的最后一步是在晶圓上涂上一層光敏抗蝕膜，它具有光敏性，并且感光的部分能夠被特定的化學物質(zhì)清洗掉，以此與沒有曝光的部分分離。完成門電路

這是CPU制造過程中最復雜的一個環(huán)節(jié)，這次使用到的是光微刻技術?？梢赃@么說，光微刻技術把對光的應用推向了極限。CPU制造商將會把晶圓上覆蓋的光敏抗蝕膜的特定區(qū)域曝光，并改變它們的化學性質(zhì)。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。想必你已經(jīng)在Photoshop之類的軟件里面認識到了遮罩這個概念，在這里也大同小異。

在這里，即使使用波長很短的紫外光并使用很大的鏡頭，也就是說，進行最好的聚焦，遮罩的邊緣依然會受到影響，可以簡單的想象成邊緣變模糊了。請注意我們現(xiàn)在討論的尺度，每一個遮罩都復雜到不可想象，如果要描述它，至少得用10GB的數(shù)據(jù)，而制造一塊CPU，至少要用到20個這樣的遮罩。對于任意一個遮罩，請嘗試想象一下北京市的地圖，包括它的郊區(qū)；然后將它縮小到一塊一平方厘米的小紙片上。最后，別忘了把每塊地圖都連接起來，當然，我說的不是用一條線連連那么簡單。

當遮罩制作完成后，它們將被覆蓋在晶圓上，短波長的光將透過這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上，使之曝光。接下來停止光照并移除遮罩，使用特定的化學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。

當剩余的光敏抗蝕膜也被去除之后，晶圓上留下了起伏不平的二氧化硅山脈，當然你不可能看見它們。接下來添加另一層二氧化硅，并加上了一層多晶硅，然后再覆蓋一層光敏抗蝕膜。多晶硅是上面提到的門電路的另一部分，而以前這是用金屬制造而成的（即CMOS里的M：Metal）。光敏抗蝕膜再次被蓋上決定這些多晶硅去留的遮罩，接受光的洗禮。然后，曝光的硅將被原子轟擊，以制造出N井或P井，結合上面制造的基片，門電路就完成了。

重復

可能你會以為經(jīng)過上面復雜的步驟，一塊CPU就已經(jīng)差不多制造完成了。實際上，到這個時候，CPU的完成度還不到五分之一。接下來的步驟與上面所說的一樣復雜，那就是再次添加二氧化硅層，再次蝕刻，再次添加……重復多遍，形成一個3D的結構，這才是最終的CPU的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導體。Intel的Pentium4處理器有7層，而AMD的Athlon64則達到了9層。層數(shù)決定于設計時CPU的布局，以及通過的電流大小。

測試、測試和測試在經(jīng)過幾個星期的從最初的晶圓到一層層硅、金屬和其它材料的CPU核心的制造過程之后，該是看看制造出來的這個怪物的時候了。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（不是切開）測試。

通過測試的晶圓將被切分成若干單獨的CPU核心，上面的測試里找到的無效的核心將被放在一邊。接下來核心將被封裝，安裝在基板上。然后，多數(shù)主流的CPU將在核心上安裝一塊集成散熱反變形片（IntegratedHeatSpreader，IHS）。每塊CPU將被進行完全測試，以檢驗其全部功能。某些CPU能夠在較高的頻率下運行，所以被標上了較高的頻率；而有些CPU因為種種原因運行頻率較低，所以被標上了較低的頻率。最后，個別CPU可能存在某些功能上的缺陷，如果問題出在緩存上（緩存占CPU核心面積的一半以上），制造商仍然可以屏蔽掉它的部分緩存，這意味著這塊CPU依然能夠出售，只是它可能是Celeron，可能是Sempron，或者是其它的了。

當CPU被放進包裝盒之前，一般還要進行最后一次測試，以確保之前的工作準確無誤。根據(jù)前面確定的最高運行頻率不同，它們被放進不同的包裝，銷往世界各地。

讀完這些，相信你已經(jīng)對CPU的制造流程有了一些比較深入的認識。CPU的制造，可以說是集多方面尖端科學技術之大成，CPU本身也就那么點大，如果把里面的材料分開拿出來賣，恐怕賣不了幾個錢。然而CPU的制造成本是非常驚人的，從這里或許我們可以理解，為什么這東西賣這么貴了。

補充

在測試、測試和測試這個環(huán)節(jié)很重要,你的處理器是6300還是6400就會在這個環(huán)節(jié)被劃分，而6300天生并不是6300，而是在測試之后，發(fā)現(xiàn)處理器不能穩(wěn)定的在6400標準下工作，只能在6300標準下穩(wěn)定工作，于是對處理器定義，鎖頻，定義ID，封裝，印上6300，AMD我比較熟，用AMD的例子比較好舉，同樣核心的處理器都是一個生產(chǎn)線下來的，如果穩(wěn)定工作在2.8GHz，1M*2的緩存下，就被定義為5600+，如果緩存有瑕疵，切割有問題的那一半，成為5400+，如果緩存沒問題而頻率只能在