如何制作CPU？鲜为人知的CPU制造过程被揭露（全文）

作为半导体材料，最常用的元素是硅. 它在地球表面的储量仅次于氧气. 硅含量为27.72％. 它的主要表现是沙子（主要成分是二氧化硅）. 沙子中含有大量的硅. 因此，硅是最适合集成电路生产的原材料. 考虑一下地球上广阔的沙漠，这些资源便宜又方便.

2. 硅冶炼提纯

但是，用于IC工业的硅的纯度必须高达99.999999999％. 目前，主要方法是通过在1600-1800℃下用二氧化硅和焦煤将二氧化硅还原成冶金级元素硅，纯度为98％，然后用氯化氢提纯99.99％的多晶硅. 尽管此时的硅纯度已经很高，但是其内部的混沌晶体结构不适合用于半导体生产，因此需要进一步纯化以形成形状固定且一致的单晶硅.

3. 单晶硅锭的制备

单晶表示原子在三维空间中呈现规则有序的排列结构，而单晶硅具有“菱形结构”，每个晶胞包含8个原子，并且其晶体结构非常稳定.

单晶硅的“金刚石”结构

通常，通过Czochralski方法制备单晶硅锭. 将晶种添加到液体硅中，以提供晶体生长的中心. 通过适当的温度控制，晶体缓慢上升，逐渐提高提拉速度，同时以一定的速度围绕提升轴旋转时上升，从而将硅锭控制在所需的直径内. 最后，只要提高单晶硅炉的温度，硅锭就会自动形成圆锥形的尾部，准备工作完成，一次可以生产更多的IC芯片.

制备的单晶硅锭直径约300mm，重约100kg. 目前，全世界正在生产直径为12英寸的硅晶片. 晶圆尺寸越大，效率越高.

4. 硅锭切片

将制备的单晶硅锭一张一张地切掉，并将直径修整为目标直径. 同时，使用金刚石锯将硅锭切成均匀厚度（1mm）的晶片. 有时为了确定硅晶片的晶体取向并满足IC制造过程中的装卸需求，在硅锭的边缘上刻有一个“取向平面”或“刻痕”标记.

5. 研磨硅片

切割后的晶片表面仍然不光滑. 需要仔细研磨以减少切割过程中表面的不平整. 在此期间，使用特殊的化学液体清洁晶片表面，最后将其抛光和研磨. 也可以对其进行热处理以在硅晶片的表面上变成“无缺陷层”. 用这种方法制成的有光泽的硅晶片块将被包装到一个特殊的固定盒中，进行密封和包装.

成品硅片

半导体IC制造商通常不会自行生产此类晶圆. 他们通常直接从硅晶圆工厂购买它们，以进行后续生产.

两个带有电路的预先设计制造的芯片

6. 涂光刻胶

所购买的硅片经检查后可以放入生产线，而不会损坏. 早期可能会有各种成膜过程，然后进入施加光刻胶的环节. 光刻工艺是图案照相印刷技术，并且是集成电路制造工艺中的关键工艺. 首先，将光致抗蚀剂（光敏树脂）滴在硅晶片上，并通过高速旋转均匀地涂覆光致抗蚀剂膜，然后在适当的温度下固化光致抗蚀剂膜.

光刻胶是一种对光，温度和湿度非常敏感的材料. 它可以在曝光后改变化学性质，这是整个过程的基础.

7. 紫外线暴露

就单个技术过程而言，光刻过程是最复杂且成本最高的. 因为光刻模板，透镜和光源共同决定了“印制”在光刻胶上的晶体管的尺寸.

将涂有光刻胶的晶圆放入该步骤的曝光设备中，然后重复曝光机以“复制”掩模图案. 掩模具有预先设计的电路图案. 紫外线穿过掩模并被特殊透镜折射后，掩模中的电路图案就形成在光刻胶层上. 通常，在晶片上获得的电路图案是掩模上图案的1 / 10、1 / 5、1 / 4，因此，连续重复曝光机也称为“缩小投影曝光设备”.

通常，有两个主要因素决定步进和重复曝光机的性能: 一个是光的波长，另一个是透镜的数值孔径. 如果要减小晶片上晶体管的尺寸，则需要寻找波长较短的光（EUV，极紫外）和数值孔径较大的透镜（受透镜材料的影响，这是有限制的）. 被合理使用.

ASML公司TWINSCAN NXE: 3300B

8. 溶解部分光刻胶

显影裸露的晶圆. 以正性光刻胶为例. 喷涂强碱性显影剂后，紫外线照射的光刻胶将发生化学反应. 在碱性溶液的作用下，光致抗蚀剂将溶解在显影剂中而不暴露于光致抗蚀剂. 光致抗蚀剂图案将保持完整. 显影完成后，应冲洗晶片表面并将其送入烤箱进行热处理，蒸发水并固化光刻胶.

9. 蚀刻

将晶片浸入含有蚀刻剂的特殊蚀刻浴中，以溶解晶片的裸露部分，同时剩余的光刻胶可以保护不需要蚀刻的部分. 在此期间，施加超声波振动以加速去除附着在晶片表面的杂质，并防止蚀刻产物残留在晶片表面上并导致蚀刻不均匀.

10. 清除光刻胶

光刻胶被氧等离子体灰化以去除所有光刻胶. 此时，可以完成为第一层设计的电路图案.

11. 重复步骤6-8

由于当前晶体管是采用3D FinFET设计的，因此不可能立即产生所需的图案. 需要重复步骤6-8进行处理. 会有各种各样的成膜过程（绝缘膜，金属膜）参与其中，以获得最终的3D晶体管.

12. 离子注入

在特定区域中，有意识地引入特定杂质的过程称为“杂质扩散”. 除了通过杂质扩散控制导电类型（P结，N结）外，它还可以用于控制杂质的浓度和分布.

目前，离子注入通常用于杂质扩散. 在离子注入机中，将需要掺杂的导电杂质引入电弧室，并通过放电将其离子化. 在被电场加速后，它将达到数十到数千keV. 能量离子束从晶片表面注入. 离子注入完成后，晶片需要进行热处理. 一方面，利用热扩散原理进一步将杂质“压入”硅中. 另一方面，恢复了晶格完整性并激活了杂质的电学性质.

离子注入具有加工温度低，杂质均匀且大面积注入，易于控制的优点. 因此，它已成为VLSI中必不可少的过程.

10. 再次去除光刻胶

在完成离子注入之后，可以去除选择性掺杂中剩余的光刻胶掩模. 此时，单晶硅内部的硅原子的一小部分已被“杂质”元素取代，从而产生自由电子或空穴.

左: 硅原子的结构；中: 掺杂砷，更多自由电子；右: 掺杂硼，形成电子空穴

11. 绝缘层处理

这时，晶体管的原型已基本完成. 使用气相沉积，将氧化硅膜沉积在硅晶片的表面上以形成绝缘层. 光刻掩模技术还用于在层间绝缘膜中开孔以引出导体电极.

12. 沉淀铜层

使用溅射沉积方法，在晶片的整个表面上沉积用于布线的铜层，并继续使用光刻掩模技术雕刻铜层，以形成场效应晶体管的源极，漏极和栅极. 最后，在整个晶圆表面上沉积绝缘层以保护晶体管.

13. 在晶体管之间建立电路

经过漫长的过程，已经制造了数十亿个晶体管. 剩下的就是如何连接这些晶体管. 相同的是首先形成一个铜层，然后执行精细的操作，例如光刻掩膜，蚀刻和打开，然后沉积下一个铜层...此过程重复多次，具体取决于芯片，具体取决于芯片的尺寸. 晶体管和复制程度. 结果是一个极其复杂的多层连接电路网络.

由于当前的IC包含各种改进的组件和庞大的互连电路，因此结构非常复杂. 实际的电路层数已达到30. 表面上的不规则现象越来越多，并且高度差非常大. 因此，发展了CMP化学机械抛光技术. 每次完成电路的一层时都会执行CMP抛光.

此外，为了成功完成多层Cu三维布线，开发了一种方法的新布线方法. 电镀阻挡层金属后，整体溅射铜膜，然后通过CMP Clean去除铜和布线外部的阻挡金属层，形成所需的布线.

法多层布线

到目前为止，芯片电路已基本完成. 它经历了数百个不同的过程，并且所有过程都基于完善的操作. 任何地方的任何错误都会导致整个晶圆报废. 在面积超过100平方毫米的晶片上，数十亿个晶体管的生产是自文明以来人类所有智慧的结晶.

从切丁到成品销售的三项后工程设计

14. 晶圆级测试

在前一个项目和后一个项目之间，有一个良好芯片/晶圆检查项目，称为G / W检查. 目的是检测在每个晶片上制造的每个芯片是否合格. 通常，使用探针接触IC的电极焊盘进行检测，传输预编程的输入信号并检测IC输出端的信号是否正常以确认芯片是否合格.

由于目前冗余设计在IC制造中的广泛使用，即使“不合格”的芯片也可以用合格的冗余单元代替，并且仅需用激光切割预先设计的保险丝. 当然，该芯片存在严重且无法修复的问题，并会标有丢弃标签.

15. 晶圆切片，外观检查

在晶片上制造IC芯并通过检查后，它进入切块阶段. 用于划片的划片刀是一种非常薄的圆盘刀，上面附着有颗粒，其厚度仅为人发厚度的1/3. 切割晶片上的每个IC芯片以形成核心管芯.

完成裂纹后，将目视检查芯片. 如果有破损和疤痕，它们将被丢弃. 在先前的G / W检查中发现的缺陷也将被清除.

未拆分一个CPU内核

16. 电影加载

经过测试的芯片，只能将其视为半成品，因为它不能被消费者直接使用. 它还需要经历芯片安装操作，以将芯组装并固定在基板电路上. 整个加载过程由计算机控制的自动模切机进行改进.

17. 包装

芯片安装操作仅完成芯片的固定，但尚未实现电连接，因此需要与封装基板上的触点组合. 如今，通常使用倒装芯片形式，即，具有触点的正面朝下，并且凸块预先由焊料形成，从而使凸块与相应的焊盘对准，并通过热回流焊或超声压焊.

封装也可以说是指用于安装半导体集成电路芯片的外壳. 它不仅在放置，固定，密封和保护芯片方面发挥作用，而且还提高了导热性. 目前，英特尔近年来已采用LGA封装. 将芯线连接到封装基板上的触点后，将散热油脂或焊接材料施加到芯线上，最后将金属壳包装起来以增加芯线散热面积并保护芯片免受散热器直接挤压

这时，一个完整的CPU处理器诞生了.

18. 水平测试

CPU制造完成后，将进行全面测试. 测试每个芯片的稳定频率，功耗和发热. 如果在芯片内部发现硬件缺陷，将采取硬件屏蔽措施. 因此，划分了不同类型的CPU，例如Core i7，i5和i3.

19. 盒装零售

CPU完成最终的等级测试后，将被包装在盒子中并进入OEM，零售和其他渠道.

现在，我们已进入科学技术时代，严重依赖计算机科学和技术，CPU是各种计算机必不可少的部分. 无论采用哪种体系结构设计，全人类的智慧只能凝聚在CPU的生产中. 基本上，当今世界上最先进的技术，生产技术和尖端机械都投入到该行业中. 因此，半导体产业是知识密集型和资本密集型的​​高端产业.

CPU制造的说明

一条完整，最先进的CPU生产线的投资至少为数十亿元，而上一个项目中的光刻机，掩模，成膜机和扩散设备占总投资的70％. ，这些是世界上最复杂的乐器，每一个都很有价值. 作为参考，CPU工厂建设，辅助设备和超净室的建设成本仅占20％.

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