【搬运】[综合][Asuka讲堂之补充]CPU是如何制造的

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看到Asuka的CPU讲堂，新潮澎湃，也希望分享一下我这一段时间看的一些东西；我的东西太散乱了，好不容易能够拼凑成一篇胡诌的文字，通过bit-tech上的一篇关于CPU制造的文章，用我自己的理解，盗用bit-tech的图片，插入一些工艺的补充，整理出来，希望能帮助到PCEVA的各位，不仅对半导体的基础知识，而且对半导体的制造工艺及技术能够有一个初步的了解。

目前半导体工业所使用的原材料还是硅，是经过特别选择的非常纯净的沙子

其实这些沙子的初步加工都是沿海进行的，限于技术水平和设备，不得不使用非常污染环境的方法加工到99.9%纯度的硅；然后低价卖给国外企业，进行进一步提纯，其纯度提升了几个数量级，达到99.9999999%的纯度。所以技术决定一切啊...

然后，将得到的高纯硅缓慢注入一个模具里面，以一定的速度冷却，得到一整块单晶硅，如下，右图。



单晶硅的结晶速度，纯度，杂质含量都是有关系的，晶圆(wafer)越大，单片晶圆所能切割出来的芯片也就越多，对单晶硅提供者和芯片制造厂商的技术要求也就越高。最近好像逐渐过渡到18inch wafer了。

这些单晶硅被切割成片状，用于下一步制造。



接下来是离子注入技术（ion implanter），离子注入技术是使用被剥夺了电子的金属离子在电场之内加速，轰击硅片表面，由于速度很快，能量很高，离子能够直接进入硅内部，从而改变局部导电性。



我相信这里反复使用了lithography(掩膜光刻技术)，由于离子注入的深度只有数十个原子厚度，所以能够用光刻胶很好阻挡。

一般通过光刻机进行，光刻机数亿美元一台，里面最贵的基本就是大家都很喜欢的莱卡“镜头”；莱卡这些镜头厂商出品单反镜头只是给消费者福利而已，并不指望能赚多少钱，大多数的利润还是在光刻机里。德国工业凭借其严谨的态度，镜头品质非常赞！

光刻机使用镜头将掩膜所留下来的斑驳光影缩小数倍，投射在光刻胶上，改变其化学性质，让其容易被洗掉。下面是操作步骤：



没有曝光的光刻胶等通过精密抛光除去。

掩膜光刻的优势在于，使用一个有数亿个窟窿的模板可以在几步操作内形成数亿个晶体管。

离子注入步骤之后，晶体管的source和drain等成型，借用Asuka的图：



接下来是大名鼎鼎的High-K金属绝缘层，High-K金属材质通过替代传统二氧化硅让Intel从65nm成功过渡到45nm，并应用在32nm工艺上。如下图，是整个晶圆上都覆盖了一层。我估计这里用的是CVD，化学气相沉积。



继续使用掩膜光刻技术，左图：通过旋转在表面均匀分布一层光刻胶，右图：掩膜光刻



现在我们开始关注单个晶体管及其线缆连接如何制造：
左图：已经覆盖了光刻胶的单个晶体管表面；右图：曝光然后洗掉光刻胶，只留下闸级上面覆盖的光刻胶



左图：使用溶液溶解掉暴露的High-K金属；右图：晶体管基本成型，就剩下接线了；



铜互连：
继续使用掩膜光刻，形成入下左图的绝缘层形貌（注意在源级，栅极和漏级留下的坑）；
接下来使用电镀，使用金属铜填满那些坑；



左图：不可避免得多了一层全覆盖的铜，为了保证所有的坑都被填满；
右图：仔细得抛光去掉上面那层全覆盖的铜，留下晶体管的三个接触点。



接下来继续进行掩膜光刻、电化学沉积、精密抛光的反复步骤，最终形成这种四通八达的铜线互联道路，新一代CPU的这种道路可以达到20层甚至更多。在显微镜下，这是人类设计的最复杂，最庞大的多层交通路线。（下左图）
右图：此时，所有的CPU已经布线完成，通过特殊手段检测芯片质量，如果这个芯片只有一个QPI通道正常工作，那么它就只能到Core i7 980X的封装车间去，而不能当Xeon X5667使用了~



一个18inch的晶圆上可以切割出数百颗芯片，但可以肯定不是用这种圆锯切割的。



bit-tech发表这篇文章的时候还是胶水CPU和集成GPU的上一代i5 6xx系列吧~

接下来是封装，现在Intel和AMD都采用IHS了，在CPU上覆盖一个盖子，主要是出于保护CPU核心不被压碎的目的，使用铜盖是为了保证散热，然后Ivy Bridge悲剧到了，应该是IHS的悲剧，不过没有人去测定是否是IHS的问题吧？拿掉IHS后脆性的芯片直接被大型塔式散热器压碎了...



继续由特定的仪器鉴定CPU体质，我相信这里才进行了2500, 2500K, 2600, 2600K的分化，然后通过一次性的写入MicroCode屏蔽相关功能。



图片来源：http://www.bit-tech.net/hardware ... rom-sand-to-shelf/1

显卡的制造也是如此，如果有谬误或者没有解释清楚的地方请各位看官指出啊。
——一个从2003年（初二生）开始玩电脑的爱好者

系统

系统提示：图挂了

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学到了，谢谢科普