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欧亿体育解密IC制造过程:从沙子到芯片,CPU是如何控制世界的

欧亿体育解密IC制造过程:从沙子到芯片,CPU是如何控制世界的

更新日期:2019-6-2

欧亿体育解密IC制造过程:从沙子到芯片,CPU是如何控制世界的,在一片晶圆上制造芯片需要几百个精确控制的工序,不同的材料上一层覆一层。


译者注:写本文时22纳米是最新的制造工艺,代表了最高的芯片制造技术,目前用22纳米工艺制造的芯片是Intel的Ivy Bridge处理器,刚刚投放市场。目前市场流行的CPU一般用32纳米制造。用22纳米工艺制造的Ivy Bridge架构的处理器较目前的Sandy Bridge架构的处理器有更低的耗电量和更强的计算性能。

1、沙子 / 硅锭
硅是地壳中含量位居第二的元素。[译者注:地壳中元素含量高低排名依次为氧硅铝铁钙钠钾镁氢…]
常识:沙子含硅量很高。
硅 — 计算机芯片的原料 — 是一种半导体材料,也就是说通过掺杂,硅可以转变成导电性良好的导体或绝缘体。
[译者注:半导体是导电性介于导体和绝缘体之间的一种材料。掺杂是一种手段,通常加入少量其它某种元素改变导电性。]
熔融的硅 — 尺寸:晶圆级 (~300毫米 / 12英寸)


为了能用于制造计算机芯片,硅必须被提纯到很高的纯度(10亿个原子中至多有一个其它原子,也就是99.9999999%以上) 硅在熔融状态被抽取出来后凝固,该固体是一种由单个连续无间断的晶格点阵排列的圆柱,也就是硅锭。
单晶硅锭 — 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸) 硅锭的直径大约300毫米,重约100千克。
[译者注:单晶硅就是说整块硅就一个晶体,我们日长生活中见到的金属和非金属单质或化合物多数以多晶体形态存在]
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2、硅锭 / 晶圆
切割 — 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
硅锭被切割成单个的硅片,称之为晶圆。每个晶圆的直径为300毫米,厚度大约1毫米。
晶圆 – 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
晶圆抛光,直到无瑕,能当镜子照。Intel从供货商那里购买晶圆。目前晶圆的供货尺寸比以往有所上长,而平均下来每个芯片的制造成本有所下降。Intel用于制造芯片的晶圆直径仅50毫米。目前供货商提供的晶圆直径300毫米,工业用晶圆有长到450毫米的趋势。


欧亿体育解密IC制造过程:从沙子到芯片,CPU是如何控制世界的,在一片晶圆上制造芯片需要几百个精确控制的工序,不同的材料上一层覆一层。
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在一片晶圆上制造芯片需要几百个精确控制的工序,不同的材料上一层覆一层。
下面简要介绍芯片的复杂制造过程中几个比较重要的工序。

3、光刻
光刻胶的使用 — 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
光刻是用一种特殊的方法把某种图像印到晶圆上的过程。开始时使用一种称为光刻胶的液体,把它均匀的浇注到旋转的晶圆上。光刻胶这个名字的来源于是这样的,人们发现有一种物质对特定频率的光敏感,它能够抵御某种特殊化学物质的腐蚀,蚀刻中涂覆刻它可起到保护作用,蚀掉不想要的材质。
曝光 — 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
光刻胶硬化后,用一定频率的紫外线照射后变得可溶。曝光过程需要用到膜片,膜片起到印模的作用,如此一来,只有曝光部分的光刻胶可溶。膜片的图像(电路)印到了晶圆上。电路图像要经过透镜缩小,曝光设备在晶圆上来回移动多次,也就是说曝光多次后电路图才能彻底印上去。
[译者注:跟古老的照相机底片的原理类似]
溶解光刻胶 — 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
通过化学过程溶解曝光的光刻胶,被膜片盖住的光刻胶保留下来。
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4、离子注入
离子注入 — 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
覆盖着光刻胶的晶圆经过离子束(带正电荷或负电荷的原子)轰击后,未被光刻胶覆盖的部分嵌入了杂质(高速离子冲进未被光刻胶覆盖的硅的表面),该过程称为掺杂。由于硅里进入了杂质,这会改变某些区域硅的导电性(导电或绝缘,这依赖于使用的离子)。这里展示一下空洞(well)的制作,这些区域将会形成晶体管。
[Chipset译注:据说这种用于注入的带电粒子被电场加速后可达30万千米/小时]
去除光刻胶— 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
离子注入后,光刻胶被清除,在掺杂区形成晶体管。
晶体管形成初期 — 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
图中是放大晶圆的一个点,此处有一个晶体管。绿色区域代表掺杂硅。现在的晶圆会有几千亿个这样的区域来容纳晶体管。


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5、刻蚀
刻蚀 — 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
为了给三门晶体管制造一个鳍片(fin),上述光刻过程中,使用一种称为硬膜片(蓝色)的图像材料。
然后用一种化学物质刻蚀掉不想要的硅,留下覆盖着硬膜片的鳍片。


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6、临时门的形成
二氧化硅门电介质 — 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
在光刻阶段,部分晶体管用光刻胶覆盖,把晶圆插入到充满氧的管状熔炉中,产生一薄层二氧化硅(红色),这就造就了一个临时门电介质。
多晶硅门电极 — 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
在光刻阶段,制造一层多晶硅(黄色),这就造就了一个临时门电极。
绝缘 — 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
在氧化阶段,整个晶圆的二氧化硅层(红色透明)用于跟其它部分绝缘。
英特尔使用”最后门” (也称为 “替代金属门”)技术制作晶体管金属门。这种做法的目的是确保晶体管不出现稳定性问题,否则高温的工序会导致晶体管不稳定。
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7、“最后门” 高K/金属门的形成
[译者注:介电常数K为高还是低是相对的,但英特尔的标准跟业界不同,业界普遍采用IBM的标准,用低K介质能减少漏电流,但是加工困难,目前大规模数字电路多用高K介质。]
牺牲门的去除 — 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
用膜片工序里的做法,临时(牺牲)门电极和门电介质被刻蚀掉。真实门现在就会形成了,因为第一门被去掉了,该工序称为“最后门”。
高K电介质的使用 — 尺寸:晶体管级 (大约50~200纳米)
在称为”原子层”沉积的过程中,晶圆表面覆了一层分子。图中黄色层代表这些层中的两层。使用光刻技术,在不想要的区域(例如透明二氧化硅的上面)里,高K材质被刻蚀掉。
金属门 — 尺寸:晶体管级 (大约50~200纳米)
晶圆上形成金属电极 (蓝色),不想要的区域用光刻的办法刻蚀掉。 跟高K材料配合(薄薄的黄色层)起来使用,可以改善晶体管性能,减少漏电流的产生,这是使用传统的二氧化硅 / 多晶硅门不能企及的。


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8、金属沉积
晶体管就绪 — 尺寸:晶体管级 (大约50~200纳米)
晶体管的建造快竣工了。
晶体管上方的绝缘层刻蚀出3个小洞,这3个洞里被填充上铜或其它材质,以便跟别的晶体管导通。
[译者注:晶体管也就是通俗意义上的三极管,需要3个引线脚,所以一个晶体管的绝缘层上得刻蚀出3个小洞]
电镀 — 尺寸:晶体管级 (大约50~200纳米)
在该阶段,晶圆浸在硫酸铜溶液里,作为阴极,铜离子从阳极出发到达阴极,最后铜离子会沉积在晶体管表面。
电镀后序 — 尺寸:晶体管级 (大约50~200纳米)
经过电镀,铜离子在晶圆表面沉积下来形成薄薄的一层铜 。
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9、金属层
抛光 — 尺寸:晶体管级 (大约50~200纳米)
多余的材质会被机械抛光,直到露出光亮的铜为止。
金属层 — 尺寸:晶体管级(6个晶体管组合起来大约500纳米)
构造多重金属层以一种特殊的结构来导通(请考虑宏观世界中的“导线”)晶体管,这些“导线”怎么连接,要由某个型号处理器(例如第2代英特尔Core I5处理器)的架构师和设计团队来决定。
尽管计算机芯片看上去十分平整,其实可能会超过30层,是一个十分复杂的电路。 一个放大的芯片看上去是由电线和晶体管组成的错综复杂的网络,该网络看上去像将来某天地面上建造成的多层高速公路系统。
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当所有的内层连通以后,每个die上都会被附上阵列焊盘,这些焊盘是芯片跟外面世界的电气连接通道(图中未画出焊盘)。
[译者注:我们常说的22纳米工艺就是指上述铜“导线”宽度,焊盘将来用于激光焊接CPU针脚或触点。Die一直没有对应的中文,但很多人都知道它是CPU的内部电路。]

晶圆分类 / 分离
晶圆分类 — 尺寸 die级 (大约10毫米 / 大约0.5英寸)
接触晶圆上一些特别的点,逐个测试晶圆上的die的电气参数,跟正确结果吻合的die算是通过。
尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
晶圆被切割成很多小块 (称为die)上述的晶圆包含了英特尔的处理器Ivy Bridge。
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10、包装
单个Die — 尺寸:die级 (大约10毫米/大约0.5英寸)
单个的die经过前面的工序后被切割成单件。这里显示的是英特尔22纳米微处理的代号Ivy Bridge的die。
打包 — 尺寸:包装级 (大约20毫米 / 大约1英寸)
打包基板,die(电路部分)和导热盖粘在一起形成一个完整的处理器。绿色的基板具有电子和机械接口跟PC系统的其它部分通信。银色的导热盖可以跟散热器接触散发CPU产生的热量。
处理器 — 尺寸:包装级 (大约20毫米 / 大约1英寸)
完整的微处理器 (Ivy Bridge) 被称为人类制造出的最复杂的产品。实际上,处理器需要几百个工序来完成—上述仅仅介绍了最重要的工序— 是在世界上最洁净的环境 下(微处理器工厂里) 完成的。
[译者注,粉尘会导致电路短路,制造精密的电路必须在无尘的环境下进行。例如,目前计算机主板要求的无尘环境是1万等级,也就是说平均1万立方米空气中不得多于1粒粉尘。CPU电路更加精细,对无尘环境要求会更高]
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11、级别测试 / 完整的处理器
级别测试 — 尺寸:包装级 (大约20毫米 / 大约1英寸)
在这个最后的测试阶段,处理器要经过全面的测试,包括功能,性能,功耗。
筛选 — 尺寸:包装级 (大约20毫米 / 大约1英寸)
根据测试结果筛选,性能相同的处理器放一起,一个托盘一个托盘的存放,然后发给客户。
零售包装 — 尺寸:包装级 (大约20毫米 / 大约1英寸)
生产和测试好的处理器供给系统制造商或以盒包的形式进入零售市场。
[译者注:从这一步容易了解到,盒包与散片质量无任何差别,在Intel看来,同一系列同一主频的U体制差别很小。


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原发布时间:2015-5-9 12:46:43

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