1》由沙到晶圆CPU诞生全过程


2》沙中含有25%的硅,是地壳中第二多元素,在经过氧化之后就成为了二氧化硅,在沙,尤其是石英中二氧化硅的含量非常高,这就是制造半导体的基础。


3》在采购原材料沙子后,将其中的硅进行分离,多余的材料被废弃,再经过多个步骤进行提纯,以最终达到符合半导体制造的质量,这就是所谓的电子级硅。它的纯度是非常大的,每10亿个硅原子中只有一个是不符合要求的。经过净化过程,硅进入融化阶段。在此图片你可以看到一个大晶体硅的纯净融化时的状态,由此产生的单晶体被称为元宝。 


4》一个被铸成锭后的电子级硅的单晶体,重量大约为100千克,硅的纯度达到了99.9999%。


5》铸好锭后,将进入切割阶段,将整个锭切成一片一片的圆盘,也就是我们俗称的晶圆,这样求切割出来的是非常薄的,一个锭大概高5英尺,锭的直径要根据对晶圆的需求来制定,今天的CPU需要300直径的晶圆。 


6》一旦切断,晶圆就要进行抛光,直至完美,表面如镜面一样光滑,Intel并不生产自己的锭和硅片,而是由第三方公司购买可随时投入生产的晶圆。 Intel先进的45nm High-K/Metal Gate晶圆直径就为 300mm,当Intel最早生产芯片时是在直径50mm的晶圆上印刷电路,而今天在300mm的晶圆上印刷,以减少成本。 


7》在上图中,我们可以看到晶圆上有蓝色液体,这是类似胶片拍照时的光阻剂,晶圆不停旋转,以使其将液体均匀涂抹在晶圆上,并且涂层也是非常薄的。晶圆在此步骤进行旋转,以使涂层均匀分布。 


8》 在这一阶段,晶圆完成暴露于紫外线下,以此来使涂抹在上面的薄膜材料发生化学反应,就像照相时按下快门,影像就印在胶片上,这也是运用了相似的原理。

    为了防止晶圆暴露在紫外线下变成可溶性的,因此使用了一个类似口罩的模具挡在前面,上面有设计好的各种电路,照射后这些电路就会像照片一样被印在晶圆上。制造一个CPU基本上要重复这一过程,直到多层堆叠到顶部为止。 

 

9》在上图片中我们可以看到有代表性的单一晶体管,似乎我们能用肉眼看到它,晶体管作为开关控制一个计算机芯片内电流的流动。Intel的研究人员已经研究出如此之小晶体管,他们声称大约1个针脚可以放30万个晶体管。 


10》在晶体管暴露在紫外线下后,光阻剂完全溶解,先试试吸附在晶体管上的面膜。


11》光阻层覆盖的地方被保护起来不能被雕刻,而暴露的部分是可以的,也就是说需要在暴露的地方进行雕刻,就像我们做手术时,盖在身上的单子,露出皮肤的地方也就是需要做手术的部位。


12》雕刻后去掉光阻层,这时晶体管的形状就可见了。


13》然后再重新涂上蓝色的光阻剂(蓝色)暴露在紫外线下,进入下一步以前光阻层需要被洗刷,也叫做离子掺杂,这一过程就是让离子微粒接触到晶圆,从而使硅改变其化学性质,让CPU可以控制电流。 


14》接下来的这个过程叫离子注入,也就是用离子轰击暴露地区的硅片,用离子撞击植入硅片的方式来改变这些地区硅的导电性,离子需要非常高速的撞击到晶圆表面上,通过电场加速后的离子速度可以达到每小时30万公里。


15》当离子注入后,光阻层将被移除,绿色部分的材料会掺入晚来的原子。


16》 这时晶体管是接近完成,晶体管洋红色表面是保温层,上面有三个洞,这三个洞将用来填补铜,以便连接到其他晶体管。


17》 在晶圆放入硫酸铜溶液这个阶段,铜离子的沉积到晶体管,这个过程被称为电镀。游离的铜离子分别到晶圆的积极终端(阳极)和消极终端(阴极)。


18》 之后,铜离子作为铜箔曾附着在晶圆表面。


19》多余的材料是被抛光掉,留下了非常薄的一层铜。


20》 多金属层是建立各种晶体管的互连,那么如何将建筑、设计和功能开发团队各自设计的晶体管有线的连接在一起呢?例如,Intel的Core ì7处理器。虽然电脑芯片看起来十分平坦,但实际上可能有超过20层,形成复杂的电路。如果你放大一个芯片,你会看到一个复杂的电路网络线和晶体管,看起来像一个未来的、多层次的公路系统。 


21》 在这部分准备将晶圆建立第一个功能测试,在这个阶段的测试模式中输入每个单芯片,并监测比较芯片的反应,从而得到“正确的答案”(反馈的正确信息)。


22》 经测试后,晶圆好的部分将被确定作为处理器单元,然后将晶圆切割成很多小片(称为核心或者叫内核)。 


23》 筛选核心的过程就是模具向晶圆进行测试看回馈的是否是“正确答案”(应该是某种测试参数),如果是,将继续下一步,不合格的核心将被被丢弃,几年前Intel还用坏掉的核心制作了钥匙链。 


24》这是一个被分离出来的的核心,由上一道工序切割而成,上图显示的是Intel Core i7处理器的核心。


25》  绿色基板、模具(切割加工好的晶圆)以及散热片放在一起形成一个完成的处理器,绿色基板(类似PCB)建立了处理器的电气和机械接口,其他电脑系统互联,银色的是散热片,也就是我们常见的处理器外面的金属壳,在处理器运行过程中提供散热支持。 


26》 微处理器是地球上制造的最复杂的产品,事实上,它需要数以百计的步骤,我们这里只列出了最重要的部分。


27》在最后要测试处理器,将检验他们的主要特点(测试功耗和最高频率) 。


28》基于测试的结果,将具有相同的能力的处理器归属一类,这一过程被称为“分块”过程,分级确定了处理器的最高工作频率,根据稳定性等规格制定价格。 


    生产和测试的处理器(在这里显示的是Intel Core ì7处理器)要么分成散装销往系统制造商,要么分成盒装在零售商店出售。 

    当你看完CPU的制作全过程,你是否认为CPU的原点就是一堆沙子呢?希望这些资料能够保住你对CPU有更多的了解。


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