中興禁購門讓國人意識到國產(chǎn)芯目前存在嚴重短板，缺乏核心技術(shù)就容易受制于人。為什么中國就造不好一顆CPU之類的芯片呢？究竟CPU是怎么制造出來的呢？

　　CPU是怎么制造出來的？

　　大家可能只知道制作IC芯片的硅來源于沙子，但是為什么沙子做的CPU卻賣那么貴？下面本文以intel電腦CPU作為例子，講述沙子到CPU簡要的生產(chǎn)工序流程，希望大家對CPU制作的過程有一個大體認識，其它CPU或者手機CPU制造原理也大抵相同。

　　CPU芯片（處理器）

　　一、硅圓片的制作

　　1.硅的重要來源：沙子

　　作為半導(dǎo)體材料，使用得最多的就是硅元素，其在地球表面的元素中儲量僅次于氧，含硅量在27.72%，其主要表現(xiàn)形式就是沙子（主要成分為二氧化硅），沙子里面就含有相當量的硅。因此硅作為IC制作的原材料最合適不過，想想看地球上有幾個浩瀚無垠的沙漠，來源既便宜又方便。

　　2.硅熔煉、提純

　　不過實際在IC產(chǎn)業(yè)中使用的硅純度要求必須高達99.999999999%。目前主要通過將二氧化硅與焦煤在1600-1800℃中，將二氧化硅還原成純度為98%的冶金級單質(zhì)硅，緊接著使用氯化氫提純出99.99%的多晶硅。雖然此時的硅純度已經(jīng)很高，但是其內(nèi)部混亂的晶體結(jié)構(gòu)并不適合半導(dǎo)體的制作，還需要經(jīng)過進一步提純、形成固定一致形態(tài)的單晶硅。

　　3.制備單晶硅錠

　　單晶的意思是指原子在三維空間中呈現(xiàn)規(guī)則有序的排列結(jié)構(gòu)，而單晶硅擁有“金剛石結(jié)構(gòu)”，每個晶胞含有8個原子，其晶體結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。

　　單晶硅的“金剛石”結(jié)構(gòu)

　　通常單晶硅錠都是采用直拉法制備，在仍是液體狀態(tài)的硅中加入一個籽晶，提供晶體生長的中心，通過適當?shù)臏囟瓤刂�，就開始慢慢將晶體向上提升并且逐漸增大拉速，上升同時以一定速度繞提升軸旋轉(zhuǎn)，以便將硅錠控制在所需直徑內(nèi)。結(jié)束時，只要提升單晶硅爐溫度，硅錠就會自動形成一個錐形尾部，制備就完成了，一次性產(chǎn)出的IC芯片更多。

　　制備好的單晶硅錠直徑約在300mm左右，重約100kg。而目前全球范圍內(nèi)都在生產(chǎn)直徑12寸的硅圓片，硅圓片尺寸越大，效益越高。

　　4.硅錠切片

　　將制備好的單晶硅錠一頭一尾切削掉，并且對其直徑修整至目標直徑，同時使用金剛石鋸把硅錠切割成一片片厚薄均勻的晶圓（1mm）。有時候為了定出硅圓片的晶體學(xué)取向，并適應(yīng)IC制作過程中的裝卸需要，會在硅錠邊緣切割出“取向平面”或“缺口”標記。

　　5.研磨硅圓片

　　切割后的晶圓其表面依然是不光滑的，需要經(jīng)過仔細的研磨，減少切割時造成的表面凹凸不平，期間會用到特殊的化學(xué)液體清洗晶圓表面，最后進行拋光研磨處理，還可以在進行熱處理，在硅圓片表面成為“無缺陷層”。一塊塊亮晶晶的硅圓片就這樣被制作出來，裝入特制固定盒中密封包裝。

　　制作完成的硅圓片

　　通常半導(dǎo)體IC廠商是不會自行生產(chǎn)這種晶圓，通常都是直接從硅圓片廠中直接采購回來進行后續(xù)生產(chǎn)。

　　二、前工程——制作帶有電路的芯片

　　6.涂抹光刻膠

　　買回來的硅圓片經(jīng)過檢查無破損后即可投入生產(chǎn)線上，前期可能還有各種成膜工藝，然后就進入到涂抹光刻膠環(huán)節(jié)。微影光刻工藝是一種圖形影印技術(shù)，也是集成電路制造工藝中一項關(guān)鍵工藝。首先將光刻膠（感光性樹脂）滴在硅晶圓片上，通過高速旋轉(zhuǎn)均勻涂抹成光刻膠薄膜，并施加以適當?shù)臏囟裙袒�光刻膠薄膜。

　　光刻膠是一種對光線、溫度、濕度十分敏感的材料，可以在光照后發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的改變，這是整個工藝的基礎(chǔ)。

　　7.紫外線曝光

　　就單項技術(shù)工藝來說，光刻工藝環(huán)節(jié)是最為復(fù)雜的，成本最為高昂的。因為光刻模板、透鏡、光源共同決定了“印”在光刻膠上晶體管的尺寸大小。

　　將涂好光刻膠的晶圓放入步進重復(fù)曝光機的曝光裝置中進行掩模圖形的“復(fù)制”。掩模中有預(yù)先設(shè)計好的電路圖案，紫外線透過掩模經(jīng)過特制透鏡折射后，在光刻膠層上形成掩模中的電路圖案。一般來說在晶圓上得到的電路圖案是掩模上的圖案1/10、1/5、1/4，因此步進重復(fù)曝光機也稱為“縮小投影曝光裝置”。

　　一般來說，決定步進重復(fù)曝光機性能有兩大要素：一個是光的波長，另一個是透鏡的數(shù)值孔徑。如果想要縮小晶圓上的晶體管尺寸，就需要尋找能合理使用的波長更短的光（EUV，極紫外線）和數(shù)值孔徑更大的透鏡(受透鏡材質(zhì)影響，有極限值）。

　　ASML公司TWINSCAN NXE:3300B

　　8.溶解部分光刻膠

　　對曝光后的晶圓進行顯影處理。以正光刻膠為例，噴射強堿性顯影液后，經(jīng)紫外光照射的光刻膠會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在堿溶液作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶解于顯影液中，而未被照射到的光刻膠圖形則會完整保留。顯影完畢后，要對晶圓表面的進行沖洗，送入烘箱進行熱處理，蒸發(fā)水分以及固化光刻膠。

　　9.蝕刻

　　將晶圓浸入內(nèi)含蝕刻藥劑的特制刻蝕槽內(nèi)，可以溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不需要蝕刻的部分。期間施加超聲振動，加速去除晶圓表面附著的雜質(zhì)，防止刻蝕產(chǎn)物在晶圓表面停留造成刻蝕不均勻。

　　10.清除光刻膠

　　通過氧等離子體對光刻膠進行灰化處理，去除所有光刻膠。此時就可以完成第一層設(shè)計好的電路圖案。

　　11.重復(fù)第6-8步

　　由于現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)3D FinFET設(shè)計，不可能一次性就能制作出所需的圖形，需要重復(fù)第6-8步進行處理，中間還會有各種成膜工藝（絕緣膜、金屬膜）參與到其中，以獲得最終的3D晶體管。

　　12.離子注入

　　在特定的區(qū)域，有意識地導(dǎo)入特定雜質(zhì)的過程稱為“雜質(zhì)擴散”。通過雜質(zhì)擴散可以控制導(dǎo)電類型（P結(jié)、N結(jié)）之外，還可以用來控制雜質(zhì)濃度以及分布。

　　現(xiàn)在一般采用離子注入法進行雜質(zhì)擴散，在離子注入機中，將需要摻雜的導(dǎo)電性雜質(zhì)導(dǎo)入電弧室，通過放電使其離子化，經(jīng)過電場加速后，將數(shù)十到數(shù)千keV能量的離子束由晶圓表面注入。離子注入完畢后的晶圓還需要經(jīng)過熱處理，一方面利用熱擴散原理進一步將雜質(zhì)“壓入”硅中，另一方面恢復(fù)晶格完整性，活化雜質(zhì)電氣特性。

　　離子注入法具有加工溫度低，可均勻、大面積注入雜質(zhì)，易于控制等優(yōu)點，因此成為超大規(guī)模集成電路中不可缺少的工藝。

　　完成離子注入后，可以清除掉選擇性摻雜殘留下來的光刻膠掩模。此時，單晶硅內(nèi)部一小部分硅原子已經(jīng)被替換成“雜質(zhì)”元素，從而產(chǎn)生可自由電子或空穴。

　　左：硅原子結(jié)構(gòu)；中：摻雜砷，多出自由電子；右：摻雜硼，形成電子空穴

　　11.絕緣層處理

　　此時晶體管雛形已經(jīng)基本完成，利用氣相沉積法，在硅晶圓表面全面地沉積一層氧化硅膜，形成絕緣層。同樣利用光刻掩模技術(shù)在層間絕緣膜上開孔，以便引出導(dǎo)體電極。

　　12.沉淀銅層

　　利用濺射沉積法，在晶圓整個表面上沉積布線用的銅層，繼續(xù)使用光刻掩模技術(shù)對銅層進行雕刻，形成場效應(yīng)管的源極、漏極、柵極。最后在整個晶圓表面沉積一層絕緣層以保護晶體管。

　　13.構(gòu)建晶體管之間連接電路

　　經(jīng)過漫長的工藝，數(shù)以十億計的晶體管已經(jīng)制作完成。剩下的就是如何將這些晶體管連接起來的問題了。同樣是先形成一層銅層，然后光刻掩模、蝕刻開孔等精細操作，再沉積下一層銅層......，這樣的工序反復(fù)進行多次，這要視乎芯片的晶體管規(guī)模、復(fù)制程度而定。最終形成極其復(fù)雜的多層連接電路網(wǎng)絡(luò)。

　　由于現(xiàn)在IC包含各種精細化的元件以及龐大的互聯(lián)電路，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，實際電路層數(shù)已經(jīng)高達30層，表面各種凹凸不平越來越多，高低差異很大，因此開發(fā)出CMP化學(xué)機械拋光技術(shù)。每完成一層電路就進行CMP磨平。

　　另外為了順利完成多層Cu立體化布線，開發(fā)出大馬士革法新的布線方式，鍍上阻擋金屬層后，整體濺鍍Cu膜，再利用CMP將布線之外的Cu和阻擋金屬層去除干凈，形成所需布線。

　　大馬士革法多層布線

　　芯片電路到此已經(jīng)基本完成，其中經(jīng)歷幾百道不同工藝加工，而且全部都是基于精細化操作，任何一個地方出錯都會導(dǎo)致整片晶圓報廢，在100多平方毫米的晶圓上制造出數(shù)十億個晶體管，是人類有文明以來的所有智慧的結(jié)晶。

　　三、后工程——從劃片到成品銷售

　　14.晶圓級測試

　　前工程與后工程之間，夾著一個Good-Chip/Wafer檢測工程，簡稱G/W檢測。目的在于檢測每一塊晶圓上制造的一個個芯片是否合格。通常會使用探針與IC的電極焊盤接觸進行檢測，傳輸預(yù)先編訂的輸入信號，檢測IC輸出端的信號是否正常，以此確認芯片是否合格。

　　由于目前IC制造廣泛采用冗余度設(shè)計，即便是“不合格”芯片，也可以采用冗余單元置換成合格品，只需要使用激光切斷預(yù)先設(shè)計好的熔斷器即可。當然，芯片有著無法挽回的嚴重問題，將會被標記上丟棄標簽。

　　15.晶圓切片、外觀檢查

　　IC內(nèi)核在晶圓上制作完成并通過檢測后后，就進入了劃片階段。劃片使用的劃刀是粘附有金剛石顆粒的極薄的圓片刀，其厚度僅為人類頭發(fā)的1/3。將晶圓上的每一個IC芯片切劃下來，形成一個內(nèi)核Die。

　　裂片完成后還會對芯片進行外觀檢查，一旦有破損和傷痕就會拋棄，前期G/W檢查時發(fā)現(xiàn)的瑕疵品也將一并去除。

　　未裂片的一個個CPU內(nèi)核

　　16.裝片

　　芯片進行檢測完成后只能算是一個半成品，因為不能被消費者直接使用。還需要經(jīng)過裝片作業(yè)，將內(nèi)核裝配固定到基片電路上。裝片作業(yè)全程由于計算機控制的自動固晶機進行精細化操作。

　　17.封裝

　　裝片作業(yè)僅僅是完成了芯片的固定，還未實現(xiàn)電氣的連接，因此還需要與封裝基板上的觸點結(jié)合。現(xiàn)在通常使用倒裝片形式，即有觸點的正面朝下，并預(yù)先用焊料形成凸點，使得凸點與相應(yīng)的焊盤對準，通過熱回流焊或超聲壓焊進行連接。

　　封裝也可以說是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，它不僅起著安放、固定、密封、保護芯片，還可以增強導(dǎo)熱性能的作用。目前像Intel近些年都采用LGA封裝，在核心與封裝基板上的觸點連接后，在核心涂抹散熱硅脂或者填充釬焊材料，最后封裝上金屬外殼，增大核心散熱面積，保護芯片免受散熱器直接擠壓。

　　至此，一顆完整的CPU處理器就誕生了。

　　18.等級測試

　　CPU制造完成后，還會進行一次全面的測試。測試出每一顆芯片的穩(wěn)定頻率、功耗、發(fā)熱，如果發(fā)現(xiàn)芯片內(nèi)部有硬件性缺陷，將會做硬件屏蔽措施，因此劃分出不同等級類型CPU，例如Core i7、i5、i3。

　　19.裝箱零售

　　CPU完成最終的等級劃測試后，就會分箱進行包裝，進入OEM、零售等渠道。

　　現(xiàn)在進入了科技時代，極度依賴計算機科學(xué)與技術(shù)，其中的CPU又是各種計算機必不可少重要部件。暫且不論架構(gòu)上的設(shè)計，僅僅在CPU的制作上就凝聚了全人類的智慧，基本上當今世界上 的工藝、生產(chǎn)技術(shù)、尖端機械全部都投入到了該產(chǎn)業(yè)中。因此半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集知識密集型、資本密集型于一身的高端工業(yè)。

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