沙子变“黄金”! CPU制造全过程

　　现在市场上产品丰富，琳琅满目，当你使用着配置了款CPU的电脑在互联网上纵横驰骋，在各种程序应用之间操作自如的时候，有没有兴趣去想一想这个头不大、功能不小的CPU是怎么制作出来的呢。另外一家号称信息产业的蓝色巨人的IBM，也拥有强大的处理器设计与制造能力，它们发明了应变硅技术，并在90纳米的处理器制造工艺上走在前列。在今天的文章中，我们将一步一步的为您讲述中央处理器从一堆沙子到一个功能强大的集成电路芯片的全过程。难以想象吧，价格昂贵，结构复杂，功能强大，充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的沙子。当然这中间必然要经历一个复杂的制造过程才行。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选，从中提取出纯净的硅原料才行。

　　CPU是计算机的心脏，它是决定计算机性能的重要的部件。同样CPU也是现代社会飞速运转的动力源泉，在任何电子设备上都可以找到微芯片的身影。不过能完成复杂功能的CPU确是以沙子为原料做成的，不得不惊叹于人类的智慧！Intel公布了大量图文资料，详细展示了从沙子到芯片的全过程，满足你的好奇心。

　　简单地说，处理器的制造过程可以大致分为沙子原料（石英）、硅锭、晶圆、光刻（平版印刷）、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、封装、等级测试、包装上市等诸多步骤，而且每一步里边又包含更多细致的过程。

　　下边就图文结合，一步一步看看：

　　沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子（尤其是石英）多包含25％的硅元素，以二氧化硅（SiO2）的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。

　　硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅（EGS），平均每一百万个硅原子中多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，得到的就是硅锭（Ingot）。

　　单晶硅锭  在制成硅锭并确保其是一个的圆柱体之后，下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭切片，切片越薄，用料越省，自然可以生产的处理器芯片就更多。切片还要镜面精加工的处理来确保表面光滑，之后检查是否有扭曲或其它问题。这一步的质量检验尤为重要，它直接 决定了成品CPU的质量。新的切片中要掺入一些物质而使之成为真正的半导体材料，而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路。掺入的物质原子进入硅原子之间的空隙，彼此之间发生原子力的作用，从而使得硅原料具有半导体的特性。今天的半导体制造多选择CMOS工艺（互补型金属氧化物半导体）。其中互补一词表示半导体中N型MOS管和P型MOS管之间的交互作用。而N和P在电子工艺中分别代表负极和正极。多数情况下，切片被掺入化学物质而形成P型衬底，在其上刻划的逻辑电路要遵循nMOS电路的特性来设计，这种类型的晶体管空间利用率更高也更加节能。同时在多数情况下，必须尽量限制pMOS型晶体管的出现，因为在制造过程的后期，需要将N型材料植入P型衬底当中，而这一过程会导致pMOS管的形成。  在掺入化学物质的工作完成之后，标准的切片就完成了。然后将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。通过密切监测温度，空气成分和加温时间，该二氧化硅层的厚度是可以控制的。单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99.9999％。

　　CPU制造：第二阶段图文直播：

　　硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆（Wafer）。顺便说，这下知道为什么晶圆都是圆形的了吧？

　　晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。事实上，Intel自己并不生产这种晶圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成品，然后利用自己的生产线进一步加工，比如现在主流的45nm HKMG（高K金属栅极）。值得一提的是，Intel公司创立之初使用的晶圆尺寸只有2英寸/50毫米。

　　CPU制造：第三阶段图文直播：

　　光刻胶（Photo Resist）：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。

　　光刻一：光刻胶层随后透过掩模（Mask）被曝光在紫外线（UV）之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。

　　光刻二：由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。

　　CPU制造：第四阶段图文直播：

　　溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。

　　蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。

　　清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

　　CPU制造：第五阶段图文直播：

　　光刻胶：再次浇上光刻胶（蓝色部分），然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。

　　离子注入（Ion Implantation）：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。

　　清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域（绿色部分）也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。

　　在处理器成品完成之后，还要进行全方位的芯片功能检测。这一部会产生不同等级的产品，一些芯片的运行频率相对较高，于是打上高频率产品的名称和编号，而那些运行频率相对较低的芯片则加以改造，打上其它的低频率型号。这就是不同市场定位的处理器。而还有一些处理器可能在芯片功能上有一些不足之处。比如它在缓存功能上有缺陷（这种缺陷足以导致绝大多数的CPU瘫痪），那么它们就会被屏蔽掉一些缓存容量，降低了性能，当然也就降低了产品的售价，这就是Celeron和Sempron的由来。在CPU的包装过程完成之后，许多产品还要再进行测试来确保先前的制作过程无一疏漏，且产品完全遵照规格所述，没有偏差。