（1） 硅提纯
首先是从高纯度硅砂里提纯出来，在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。以往的硅锭的直径大都是300毫米，而CPU厂商正在增加300毫米晶圆的生产。
（2）切割晶圆
硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状，称为晶圆。晶圆才被真正用于CPU的制造。
（3）影印（Photolithography）
在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photoresist)物质，紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰，必须制作遮罩来遮蔽这些区域。这是个相当复杂的过程，每一个遮罩的复杂程度得用10GB数据来描述。
（4）蚀刻(Etching)
这是CPU生产过程中重要 *** 作，也是CPU工业中的重头技术。蚀刻技术把对光的应用推向了极限。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光。接下来停止光照并移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜，以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。
然后，曝光的硅将被原子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，以制造出N井或P井，结合上面制造的基片，CPU的门电路就完成了。
（5）重复、分层
为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复多遍，形成一个3D的结构，这才是最终的CPU的核心。每几层中间都要填上金属作为导体。Intel的Pentium 4处理器有7层，而AMD的Athlon 64则达到了9层。层数决定于设计时CPU的布局，以及通过的电流大小。
（6）封装
这时的CPU是一块块晶圆，它还不能直接被用户使用，必须将它封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。封装结构各有不同，但越高级的CPU封装也越复杂，新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升，并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。
（7）多次测试
测试是一个CPU制造的重要环节，也是一块CPU出厂前必要的考验。这一步将测试晶圆的电气性能，以检查是否出了什么差错，以及这些差错出现在哪个步骤（如果可能的话）。接下来，晶圆上的每个CPU核心都将被分开测试。
由于SRAM（静态随机存储器，CPU中缓存的基本组成）结构复杂、密度高，所以缓存是CPU中容易出问题的部分，对缓存的测试也是CPU测试中的重要部分。
每块CPU将被进行完全测试，以检验其全部功能。某些CPU能够在较高的频率下运行，所以被标上了较高的频率；而有些CPU因为种种原因运行频率较低，所以被标上了较低的频率。最后，个别CPU可能存在某些功能上的缺陷，如果问题出在缓存上，制造商仍然可以屏蔽掉它的部分缓存，这意味着这块CPU依然能够出售，只是它可能是Celeron等低端产品。
制造CPU的基本原料
如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是不假，但硅又来自哪里呢？其实就是那些最不起眼的沙子。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，从中提取出最最纯净的硅原料才行。试想一下，如果用那最最廉价而又储量充足的原料做成CPU，那么成品的质量会怎样，你还能用上像现在这样高性能的处理器吗？
除去硅之外，制造CPU还需要一种重要的材料就是金属。目前为止，铝已经成为制作处理器内部配件的主要金属材料，而铜则逐渐被淘汰，这是有一些原因的，在目前的CPU工作电压下，铝的电迁移特性要明显好于铜。所谓电迁移问题，就是指当大量电子流过一段导体时，导体物质原子受电子撞击而离开原有位置，留下空位，空位过多则会导致导体连线断开，而离开原位的原子停留在其它位置，会造成其它地方的短路从而影响芯片的逻辑功能，进而导致芯片无法使用。这就是许多Northwood Pentium 4换上SNDS（北木暴毕综合症）的原因，当发烧友们第一次给Northwood Pentium 4超频就急于求成，大幅提高芯片电压时，严重的电迁移问题导致了CPU的瘫痪。这就是intel首次尝试铜互连技术的经历，它显然需要一些改进。不过另一方面讲，应用铜互连技术可以减小芯片面积，同时由于铜导体的电阻更低，其上电流通过的速度也更快。
除了这两样主要的材料之外，在芯片的设计过程中还需要一些种类的化学原料，它们起着不同的作用，这里不再赘述。
CPU制造的准备阶段
在必备原材料的采集工作完毕之后，这些原材料中的一部分需要进行一些预处理工作。而作为最主要的原料，硅的处理工作至关重要。首先，硅原料要进行化学提纯，这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别。而为了使这些硅原料能够满足集成电路制造的加工需要，还必须将其整形，这一步是通过溶化硅原料，然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。
而后，将原料进行高温溶化。中学化学课上我们学到过，许多固体内部原子是晶体结构，硅也是如此。为了达到高性能处理器的要求，整块硅原料必须高度纯净，及单晶硅。然后从高温容器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出，此时一个圆柱体的硅锭就产生了。从目前所使用的工艺来看，硅锭圆形横截面的直径为200毫米。不过现在intel和其它一些公司已经开始使用300毫米直径的硅锭了。在保留硅锭的各种特性不变的情况下增加横截面的面积是具有相当的难度的，不过只要企业肯投入大批资金来研究，还是可以实现的。intel为研制和生产300毫米硅锭而建立的工厂耗费了大约35亿美元，新技术的成功使得intel可以制造复杂程度更高，功能更强大的集成电路芯片。而200毫米硅锭的工厂也耗费了15亿美元。下面就从硅锭的切片开始介绍CPU的制造过程。
在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后，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绝对光滑，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。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。
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，为什么这么说呢？光刻蚀过程就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。设计每一步过程的所需要的数据量都可以用10GB的单位来计量，而且制造每块处理器所需要的刻蚀步骤都超过20步（每一步进行一层刻蚀）。而且每一层刻蚀的图纸如果放大许多倍的话，可以和整个纽约市外加郊区范围的地图相比，甚至还要复杂，试想一下，把整个纽约地图缩小到实际面积大小只有100个平方毫米的芯片上，那么这个芯片的结构有多么复杂，可想而知了吧。
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。
掺杂
在残留的感光层物质被去除之后，剩下的就是充满的沟壑的二氧化硅层以及暴露出来的在该层下方的硅层。这一步之后，另一个二氧化硅层制作完成。然后，加入另一个带有感光层的多晶硅层。多晶硅是门电路的另一种类型。由于此处使用到了金属原料（因此称作金属氧化物半导体），多晶硅允许在晶体管队列端口电压起作用之前建立门电路。感光层同时还要被短波长光线透过掩模刻蚀。再经过一部刻蚀，所需的全部门电路就已经基本成型了。然后，要对暴露在外的硅层通过化学方式进行离子轰击，此处的目的是生成N沟道或P沟道。这个掺杂过程创建了全部的晶体管及彼此间的电路连接，没个晶体管都有输入端和输出端，两端之间被称作端口。
重复这一过程
从这一步起，你将持续添加层级，加入一个二氧化硅层，然后光刻一次。重复这些步骤，然后就出现了一个多层立体架构，这就是你目前使用的处理器的萌芽状态了。在每层之间采用金属涂膜的技术进行层间的导电连接。今天的P4处理器采用了7层金属连接，而Athlon64使用了9层，所使用的层数取决于最初的版图设计，并不直接代表着最终产品的性能差异。
接下来的几个星期就需要对晶圆进行一关接一关的测试，包括检测晶圆的电学特性，看是否有逻辑错误，如果有，是在哪一层出现的等等。而后，晶圆上每一个出现问题的芯片单元将被单独测试来确定该芯片有否特殊加工需要。
而后，整片的晶圆被切割成一个个独立的处理器芯片单元。在最初测试中，那些检测不合格的单元将被遗弃。这些被切割下来的芯片单元将被采用某种方式进行封装，这样它就可以顺利的插入某种接口规格的主板了。大多数intel和AMD的处理器都会被覆盖一个散热层。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一次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。
我们希望这篇文章能够为一些对于CPU制作过程感兴趣的人解答一些疑问。毕竟作者水平有限，不可能以专业的水平把制作过程完全展示给您，如果您有兴趣继续钻研，建议您去阅读一些有关集成电路制造的高级教材。
芯片是什么？芯片，也叫微芯片，由一小块平坦晶圆上的电子电路构成。晶体管是芯片上的微型开关，可以控制电流的打开和关闭。在晶圆上通过添加和去除材料形成多层互连的格栅结构，从而构成无数的微型电流开关。
晶圆由硅制成，与那些可直接传导电流的金属不同，硅是一种半导体，通常需要在其中掺杂一些元素（如硼B，磷P）才能实现电流的传导，这也为控制电流的开关提供了一种途径。硅是地壳中含量第二丰富的元素，仅次于氧元素，在自然界中通常以二氧化硅的形式存在，也就是我们常见的砂子。晶圆便是由主要物质成分为二氧化硅的硅砂制成，首先将硅砂熔融成大晶柱，叫做硅晶柱，再将其切割成薄片，便成为晶圆。
芯片上的元件是以纳米为单位度量的，1纳米是十亿分之一米。作为比较，人类头发的直径大概为100微米，也就是一万分之一米，而一个病毒的直径大约为14纳米。透过最先进的光刻机，目前最先进芯片上的最小元件可以加工到5纳米以下。芯片上元件的尺寸越小，便能装更多的晶体管，芯片的功能也就越强大。
芯片的进步，使得计算能力和存储空间得到大幅度的提升，也推动了高科技的发展。未来的虚拟现实技术，人工智能技术和深度学习技术都会产生大量的数据，而要处理这些数据，离不开具有超高性能的芯片。
那么，芯片是如何制造出来的呢？
芯片的制造过程大致可分为以下十步：
1.沉积：将材料薄膜沉积在晶圆上，材料可以是导体、半导体和绝缘体
2.光刻胶涂覆：在材料薄膜上涂上一层光敏材料，光刻胶或者光阻，之后再放入光刻机
3.曝光：在光刻机中，光束透过掩模板聚焦在光刻胶上，将掩模板上的图案转移到光刻胶上
4.计算光刻：通过算法优化掩模板，减小其受光刻胶化学变化的影响
5.烘烤和显影：去除多余的光刻胶
6.刻蚀：去除多余的空白部分
7.计量和检验：时刻检测晶圆的数据并反馈给光刻系统
8.离子注入：在去除光刻胶之前注入离子调整部分晶圆的半导体特性
9.重复制程：根据所需要的层数重复光刻
10.封装芯片：切割晶圆，形成单个芯片并封装
芯片制造所需要的外部条件有哪些？
不同种类的光刻机和超净间。芯片就像是迷你的摩天大楼，它的结构可达到100多层，层与层之间以纳米精度相互交叠，这种精度也称为“套刻精度”。由于层与层之间的图案不同，便需要不同类型的光刻机来加工。ASML的深紫外线光刻机有几个不同的种类，适用于关键性的小图案和普通型的大图案。无论多小的灰尘，一旦落在晶圆上便会对晶圆造成很严重的损伤。所以芯片的制造需要在干净的环境中进行。世界上多数厂商所使用的超净间为“ISO 1级”，即空气中每立方米颗粒直径在100到200微米之间的颗粒数不超过10个，没有直径大于200微米的颗粒，而相对比之下，干净的医院里每立方米空气中有10000颗粉尘，可见，日常的环境的洁净度远远达不到超净间的标准。超净间中的空气会不断的循环和过滤，工作人员也需要穿着特殊的工作服维持超净间的洁净。
芯片的制造模式有哪些？
芯片的制造模式可分为三类：一类IDMs是设计并加工芯片，另一类Foundries是依据代工合同为其他公司加工芯片，有些公司例如高通、英伟达和超微半导体，只从事芯片的设计而不进行加工，以期节约运营成本。
芯片如何从设计走向量产？
从芯片的设计到量产总共要走过四个阶段，分别是设计阶段、开发阶段、试产阶段和量产阶段。
设计阶段：在此阶段，客户给厂商提供芯片电路，厂商根据客户的实际需求设计和优化掩模板
开发阶段：在确定了掩模板后，厂商需要在少量晶圆和光刻机上试验光刻，确保设计好的掩模板可以
被转移到光刻胶上，这也是此阶段的难点。
试产阶段：开发阶段确定好的加工设置叫做工艺窗口，在试产阶段需要做的便是扩大这个工艺窗口，
因为每加入一台光刻机便会多一个变量，例如光波长、加工精度等，为了能让更多的光刻
机协同工作，需要尝试将工艺窗口扩大，以容纳更多种设置。（可以简单理解为容错性）
量产阶段：在此阶段，厂商需要起到一定的监测作用，确保光刻机能够以最大的优良率不间断的生产
芯片。
欢迎分享，转载请注明来源：内存溢出
微信扫一扫
支付宝扫一扫
评论列表（0条）