CPU是如何制造出来的（详细高清图解）

中央处理器（CPU，central processing unit）作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元，是运算和处理数据的核心，又称为“微处理器”。现如今，对于 PC ，甚至手机而言，CPU的规格与频率甚至直接被用来衡量电脑及手机性能强弱重要指标。

CPU里面最重要的东西就是晶体管了，提高CPU的速度，最重要的就是提高单位面积里晶体管的数量，由于CPU实在太精密，里面组成了数目相当多的晶体管，早在多年前就只能通过光刻工艺来进行加工了。

晶体管可以在逻辑上直接理解为一个开关：如果您回忆起基本计算的时代，那就是一台计算机需要进行工作的全部。两种选择，开和关，对于机器来说即0和1，而这些开关能构建门电路，进而组合成复杂的大规模运算器，就成了CPU。

制造CPU的基本原料

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)最多包含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最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，最后得到的就是硅锭(Ingot)。

制备单晶硅锭

单晶的意思是指原子在三维空间中呈现规则有序的排列结构，而单晶硅拥有“金刚石结构”，每个晶胞含有8个原子，其晶体结构十分稳定。

单晶硅的“金刚石”结构

通常单晶硅锭都是采用直拉法制备，在仍是液体状态的硅中加入一个籽晶，提供晶体生长的中心，通过适当的温度控制，就开始慢慢将晶体向上提升并且逐渐增大拉速，上升同时以一定速度绕提升轴旋转，以便将硅锭控制在所需直径内。这一步是通过熔化硅原料，然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。结束时，只要提升单晶硅炉温度，硅锭就会自动形成一个锥形尾部，制备就完成了，一次性产出的IC芯片更多。

制备好的单晶硅锭直径约在300mm左右，重约100kg。而目前全球范围内都在生产直径12寸的硅圆片，硅圆片尺寸越大，效益越高。

将制备好的单晶硅锭一头一尾切削掉，并且对其直径修整至目标直径，同时使用金刚石锯把硅锭切割成一片片厚薄均匀的晶圆（1mm）。有时候为了定出硅圆片的晶体学取向，并适应IC制作过程中的装卸需要，会在硅锭边缘切割出“取向平面”或“缺口”标记。

研磨硅圆片

切割后的晶圆其表面依然是不光滑的，需要经过仔细的研磨，减少切割时造成的表面凹凸不平，期间会用到特殊的化学液体清洗晶圆表面，最后进行抛光研磨处理，还可以在进行热处理，在硅圆片表面成为“无缺陷层”。一块块亮晶晶的硅圆片就这样被制作出来，装入特制固定盒中密封包装

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。在intel的90纳米制造工艺中，门氧化物的宽度小到了惊人的5个原子厚度。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分，晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动，通过对门电压的控制，电子的流动被严格控制，而不论输入输出端口电压的大小。

准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。这一层物质用于同一层中的其它控制应用。这层物质在干燥时具有很好的感光效果，而且在光刻蚀过程结束之后，能够通过化学方法将其溶解并除去。

前工程——制作带有电路的芯片

涂抹光刻胶

买回来的硅圆片经过检查无破损后即可投入生产线上，前期可能还有各种成膜工艺，然后就进入到涂抹光刻胶环节。微影光刻工艺是一种图形影印技术，也是集成电路制造工艺中一项关键工艺。首先将光刻胶（感光性树脂）滴在硅晶圆片上，通过高速旋转均匀涂抹成光刻胶薄膜，并施加以适当的温度固化光刻胶薄膜。

光刻胶是一种对光线、温度、湿度十分敏感的材料，可以在光照后发生化学性质的改变，这是整个工艺的基础。

光刻蚀

这是目前的CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤，光刻蚀过程是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕， 由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为严格，需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜。刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响。每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程。

当这些刻蚀工作全部完成之后，晶圆被翻转过来。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感光层上，然后撤掉光线和模板。通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质，而二氧化硅马上在陋空位置的下方生成。

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。

就单项技术工艺来说，光刻工艺环节是最为复杂的，成本最为高昂的。因为光刻模板、透镜、光源共同决定了“印”在光刻胶上晶体管的尺寸大小。

将涂好光刻胶的晶圆放入步进重复曝光机的曝光装置中进行掩模图形的“复制”。掩模中有预先设计好的电路图案，紫外线透过掩模经过特制透镜折射后，在光刻胶层上形成掩模中的电路图案。一般来说在晶圆上得到的电路图案是掩模上的图案1/10、1/5、1/4，因此步进重复曝光机也称为“缩小投影曝光装置”。

一般来说，决定步进重复曝光机性能有两大要素：一个是光的波长，另一个是透镜的数值孔径。如果想要缩小晶圆上的晶体管尺寸，就需要寻找能合理使用的波长更短的光（EUV，极紫外线）和数值孔径更大的透镜(受透镜材质影响，有极限值）。

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。

溶解光刻胶

对曝光后的晶圆进行显影处理。以正光刻胶为例，喷射强碱性显影液后，经紫外光照射的光刻胶会发生化学反应，在碱溶液作用下发生化学反应，溶解于显影液中，而未被照射到的光刻胶图形则会完整保留。显影完毕后，要对晶圆表面的进行冲洗，送入烘箱进行热处理，蒸发水分以及固化光刻胶。

蚀刻

将晶圆浸入内含蚀刻药剂的特制刻蚀槽内，可以溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不需要蚀刻的部分。期间施加超声振动，加速去除晶圆表面附着的杂质，防止刻蚀产物在晶圆表面停留造成刻蚀不均匀。

清除光刻胶

通过氧等离子体对光刻胶进行灰化处理，去除所有光刻胶。此时就可以完成第一层设计好的电路图案。

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。由于现在的晶体管已经3D FinFET设计，不可能一次性就能制作出所需的图形，需要重复之前的步骤进行处理，中间还会有各种成膜工艺（绝缘膜、金属膜）参与到其中，以获得最终的3D晶体管。

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。

在特定的区域，有意识地导入特定杂质的过程称为“杂质扩散”。通过杂质扩散可以控制导电类型（P结、N结）之外，还可以用来控制杂质浓度以及分布。

现在一般采用离子注入法进行杂质扩散，在离子注入机中，将需要掺杂的导电性杂质导入电弧室，通过放电使其离子化，经过电场加速后，将数十到数千keV能量的离子束由晶圆表面注入。离子注入完毕后的晶圆还需要经过热处理，一方面利用热扩散原理进一步将杂质“压入”硅中，另一方面恢复晶格完整性，活化杂质电气特性。

离子注入法具有加工温度低，可均匀、大面积注入杂质，易于控制等优点，因此成为超大规模集成电路中不可缺少的工艺。

清除光刻胶

完成离子注入后，可以清除掉选择性掺杂残留下来的光刻胶掩模。此时，单晶硅内部一小部分硅原子已经被替换成“杂质”元素，从而产生可自由电子或空穴。

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。

绝缘层处理

此时晶体管雏形已经基本完成，利用气相沉积法，在硅晶圆表面全面地沉积一层氧化硅膜，形成绝缘层。同样利用光刻掩模技术在层间绝缘膜上开孔，以便引出导体电极。

在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。

在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。

沉淀铜层

利用溅射沉积法，在晶圆整个表面上沉积布线用的铜层，继续使用光刻掩模技术对铜层进行雕刻，形成场效应管的源极、漏极、栅极。最后在整个晶圆表面沉积一层绝缘层以保护晶体管。

电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。

铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

抛光

将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。

构建晶体管之间连接电路

经过漫长的工艺，数以十亿计的晶体管已经制作完成。剩下的就是如何将这些晶体管连接起来的问题了。同样是先形成一层铜层，然后光刻掩模、蚀刻开孔等精细 *** 作，再沉积下一层铜层......，这样的工序反复进行多次，这要视乎芯片的晶体管规模、复制程度而定。最终形成极其复杂的多层连接电路网络。

金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看 起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。

后工程——从划片到成品销售

晶圆级测试

前工程与后工程之间，夹着一个Good-Chip/Wafer检测工程，简称G/W检测。目的在于检测每一块晶圆上制造的一个个芯片是否合格。通常会使用探针与IC的电极焊盘接触进行检测，传输预先编订的输入信号，检测IC输出端的信号是否正常，以此确认芯片是否合格。

由于目前IC制造广泛采用冗余度设计，即便是“不合格”芯片，也可以采用冗余单元置换成合格品，只需要使用激光切断预先设计好的熔断器即可。当然，芯片有着无法挽回的严重问题，将会被标记上丢弃标签。

内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。

晶圆切片(Slicing)

IC内核在晶圆上制作完成并通过检测后后，就进入了划片阶段。划片使用的划刀是粘附有金刚石颗粒的极薄的圆片刀，其厚度仅为人类头发的1/3。将晶圆上的每一个IC芯片切划下来，形成一个内核Die。

裂片完成后还会对芯片进行外观检查，一旦有破损和伤痕就会抛弃，前期G/W检查时发现的瑕疵品也将一并去除。

晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)。

丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。

单个内核：内核级别。从晶圆上切割下来的单个内核，这里展示的是Core i7的核心。

封装：封装级别，20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。

芯片进行检测完成后只能算是一个半成品，因为不能被消费者直接使用。还需要经过装片作业，将内核装配固定到基片电路上。装片作业全程由于计算机控制的自动固晶机进行精细化 *** 作。

等级测试

CPU制造完成后，还会进行一次全面的测试。测试出每一颗芯片的稳定频率、功耗、发热，如果发现芯片内部有硬件性缺陷，将会做硬件屏蔽措施，因此划分出不同等级类型CPU，例如Core i7、i5、i3。这里说明一下，高中低档的cpu制作成本是一样的，只是最后测试时，性能高的就是高端，性能低的就是入门级。

装箱：根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。

零售包装：制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商，要么放在包装盒里进入零售市场。

当CPU被放进包装盒之前，一般还要进行最后一次测试，以确保之前的工作准确无误。根据前面确定的最高运行频率不同，它们被放进不同的包装，销往世界各地。

电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。

半导体室温时电阻率约在10E-5～10E7欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。

锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

半导体（东北方言）：意指半导体收音机，因收音机中的晶体管由半导体材料制成而得名。

本征半导体

不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子 - 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。半导体五大特性∶电阻率特性，导电特性，光电特性，负的电阻率温度特性，整流特性。

★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。

★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。

晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。

共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。

自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。

空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。

电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。

空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。

本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。

载流子：运载电荷的粒子称为载流子。

导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。

本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。

本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。

复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。

动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。

载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。

结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因。

杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。

N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。

多数载流子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称为多数载流子，简称多子。

少数载流子：N型半导体中，空穴为少数载流子，简称少子。

施子原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。

N型半导体的导电特性：它是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。

P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。

多子：P型半导体中，多子为空穴。

少子：P型半导体中，少子为电子。

受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。

P型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。

结论：

多子的浓度决定于杂质浓度。

少子的浓度决定于温度。

PN结的形成：将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。

PN结的特点：具有单向导电性。

扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。

空间电荷区：扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动，称为空间电荷区。

电场形成：空间电荷区形成内电场。

空间电荷加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，阻止扩散运动的进行。

漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动。

PN结的形成过程：如图所示，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。

电位差：空间电荷区具有一定的宽度，形成电位差Uho，电流为零。

耗尽层：绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN结时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，称耗尽层。

PN结的单向导电性

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