从沙子到芯片，cpu是怎么制造的

1、硅的重要来源：沙子

作为半导体材料，使用得最多的就是硅元素，其在地球表面的元素中储量仅次于氧，含硅量在27.72%，其主要表现形式就是沙子（主要成分为二氧化硅），沙子里面就含有相当量的硅。因此硅作为IC制作的原材料最合适不过，想想看地球上有几个浩瀚无垠的沙漠，来源既便宜又方便。

2、硅熔炼、提纯

不过实际在IC产业中使用的硅纯度要求必须高达99.999999999%。目前主要通过将二氧化硅与焦煤在1600-1800℃中，将二氧化硅还原成纯度为98%的冶金级单质硅，紧接着使用氯化氢提纯出99.99%的多晶硅。虽然此时的硅纯度已经很高，但是其内部混乱的晶体结构并不适合半导体的制作，还需要经过进一步提纯、形成固定一致形态的单晶硅。

3、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。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。

4、硅锭切片

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。

5、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。

制作完成的硅圆片

通常半导体IC厂商是不会自行生产这种晶圆，通常都是直接从硅圆片厂中直接采购回来进行后续生产。

前工程——制作带有电路的芯片

6、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。

7、紫外线曝光

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）。

目前最先进的ASML公司 TWINSCAN NXE:3300B

8、溶解部分光刻胶

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。

9、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。

10、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。

11、重复第6-8步

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，需要重复第6-8步进行处理，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。

12、离子注入

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。

10、再次清除光刻胶

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。

左：硅原子结构；中：掺杂砷，多出自由电子；右：掺杂硼，形成电子空穴

11、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。

12、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。

13、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。

由于现在IC包含各种精细化的元件以及庞大的互联电路，结构非常复杂，实际电路层数已经高达30层，表面各种凹凸不平越来越多，高低差异很大，因此开发出CMP化学机械抛光技术。每完成一层电路就进行CMP磨平。

另外为了顺利完成多层Cu立体化布线，开发出大马士革法新的布线方式，镀上阻挡金属层后，整体溅镀Cu膜，再利用CMP将布线之外的Cu和阻挡金属层去除干净，形成所需布线。

大马士革法多层布线

芯片电路到此已经基本完成，其中经历几百道不同工艺加工，而且全部都是基于精细化 *** 作，任何一个地方出错都会导致整片晶圆报废，在100多平方毫米的晶圆上制造出数十亿个晶体管，是人类有文明以来的所有智慧的结晶。

后工程——从划片到成品销售

14、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。

15、晶圆切片、外观检查

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。

未裂片的一个个CPU内核

16、装片

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。

17、封装

装片作业仅仅是完成了芯片的固定，还未实现电气的连接，因此还需要与封装基板上的触点结合。现在通常使用倒装片形式，即有触点的正面朝下，并预先用焊料形成凸点，使得凸点与相应的焊盘对准，通过热回流焊或超声压焊进行连接。

封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片，还可以增强导热性能的作用。目前像Intel近些年都采用LGA封装，在核心与封装基板上的触点连接后，在核心涂抹散热硅脂或者填充钎焊材料，最后封装上金属外壳，增大核心散热面积，保护芯片免受散热器直接挤压。

至此，一颗完整的CPU处理器就诞生了。

18、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。

19、装箱零售

CPU完成最终的等级划测试后，就会分箱进行包装，进入OEM、零售等渠道。

作者 | 张双虎

IBM研发出2纳米制程芯片的消息尚未传开，台积电和合作伙伴就宣布取得了1纳米以下制程芯片技术突破。业内普遍认为，芯片技术日新月异的同时，也一步步逼近其物理理论的极限。

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）教授Tobias Kippenberg团队开发出一种采用氮化硅衬底制造集成光子电路（光子芯片）的技术，得到了创纪录的低光学损耗，且芯片尺寸小。相关研究发表在《自然—通讯》上。

光子芯片奋起直追，也许能帮助人们突破摩尔定律的“天花板”，开辟新的“赛道”。

“硅家族”与大马士革工艺

光子芯片通常由硅制成，硅在地壳中含量丰富且具有良好的光学特性，但难以满足集成光子芯片所需的一切条件，因此出现了诸多新材料加以替代，如氮化硅、二氧化硅、氮化铝、铌酸锂、碳化硅等。

Tobias Kippenberg团队采用一种氮化硅光子大马士革工艺（光子镶嵌工艺）技术。大马士革工艺是一种非常古老的工艺，最早可以追溯到阿拉伯人在他们的武器和装饰上面做颜色的镶嵌和绘图。这个工艺要先做出图形轮廓，然后把颜色材料镶嵌到轮廓中再进行抛光，这样就得到一个色彩艳丽的图案。

“大马士革工艺思路曾被用在早期以铜为材料的电子电路制造上。研究当中，我们把氮化硅大马士革工艺用到集成光路制造上，得到了极低的光损耗。”论文第一作者、EPFL微纳技术中心博士刘骏秋告诉《中国科学报》，“利用这一技术，我们制造了光损耗仅为1dB/m的集成光路，创下了所有非线性光子集成材料的纪录。”

使用这项新技术，研究人员在5平方毫米的芯片上制备了高品质因数的微谐振器和超过一米长的波导。他们还报告了九成的制造良品率，这对于将来扩大工业生产规模至关重要。

“超低损耗的氮化硅集成光子芯片对未来通信、计算和6G技术都至关重要。这种类型的光子芯片可以将信息编码进光，再通过光纤传输，并成为光通信的一个核心组成部分。”刘骏秋说。

光子集成后发先至

“电子芯片工作时，可以理解为电信号输入芯片进行处理，比如存储、读取、进行运算等，之后再输出。与之类似，光子芯片是将光信号输入芯片，进行数据传输、存储、计算和输出的芯片。”刘骏秋表示，“相对于电子芯片，光子芯片虽然起步较晚，但有自己独特的优势。”

科学家认为，光具有天然的并行处理能力及成熟的波分复用技术，从而使光子芯片的数据处理能力、容量及带宽均大幅度提升。光波的波长、频率、偏振态和相位等信息可以代表不同的数据，用来作为非常高效的通信种子源。

“光子芯片具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，且不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响。”中科创星董事总经理张思申说，“光子芯片不必追求工艺尺寸的极限缩小，就能有更多的性能用以提升空间。”

“与电芯片相比，光芯片在诸多领域，比如通信、激光雷达、传感、图像分析方面有独一无二的优势。”刘骏秋解释说，光芯片速率可以达到100G，比电芯片快很多，这样可以在光的通道上面做更多信息的编码，承载更多的信息，同时功耗比电芯片更小。因为光在传播中不会产生任何热效应，这和电子不一样，还有光和光之间不会有相互作用，不会受到背景电磁场干扰。

刘骏秋所在团队曾利用氮化硅光芯片架构光神经网络，使用一个卷积神经网络去求解矩阵，然后应用在浮雕过滤器上。相关成果发表在今年1月的《自然》上。

“我们把一个图像信号输入系统中，经过浮雕过滤器，它会强化高频信号、弱化低频信号，即实现强化图像边缘的目的。比如一辆小 汽车 的图片，它原来的车灯内部结构你可能看不到。经过浮雕过滤器处理的新图像中，车灯内部结构被强化了。”刘骏秋说，“这证明了氮化硅光子芯片在光神经网络、深度学习方面有很好的应用。”

除人工智能外，光子芯片广泛用于激光雷达、微波滤波器、毫米波生成、天体光谱仪校准、低噪声微波生成，也可以用作中红外双梳光谱，测量气体当中的成分。若应用到光学相关断层扫描，则可以看生物组织的结构。它还能用作数据中心开关，进行数据调控。

两条赛道的竞争与合作

刘骏秋说，通俗地理解，信息在手机或者电脑里进行处理主要使用电子芯片，但信息的传递是需要光纤的。所以，到这一步就需要进行电光转换。“目前，光和电是在两个‘赛道’上，各有自己的应用场景。”

“现在英特尔数据中心用的集成半导体激光器，就是将电信号转换成光信号，然后进行数据处理、编码和传输。英特尔每年向全世界输送数千万个这样的集成半导体激光器芯片。”刘骏秋说，“光子集成电路相对于传统分立的‘光—电—光’处理方式降低了复杂度，提高了可靠性，能够以更低的成本构建一个具有更多节点的全新网络结构。虽然目前仍处于初级发展阶段，不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。”

“在逻辑运算领域，未来的趋势是光电集成的结合，还需要很长一段时间，才能实现全光计算。”张思申说，“总体来说，目前只在个别计算和传输领域，光子芯片可以替代电子芯片。”

刘骏秋认为，从架构上可以看出，光子芯片系统整体非常复杂。光子芯片系统里有光源、处理器、探测器，也需要各种材料之间集成的协同，很少有单个研究单位能够对整个系统进行架构和制备。在制造工艺上，两者虽然流程和复杂程度相似，但光子芯片对结构的要求不像电芯片那样严苛，一般是百纳米级。因此，光子芯片不会像电子芯片那样必须使用极紫外光刻机（EUV）。

“光的波长在百纳米到一微米量级，因此限制了光子器件的集成密度。但这同时也意味着，光芯片达到最理想的工作条件并不依赖最先进的半导体工艺制程，比如极紫外光刻机。”刘骏秋说，“这大大降低了对先进工艺的依赖，一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题。”

此外，光子芯片提供了全新的芯片设计架构思路，彻底颠覆原有的设计理念，有更多的设计创意空间。

“光有光的优势，电有电的优势。光的优势是稳定，不容易受外界影响。同时这也是光的劣势，意味着人们想 *** 控光，改变它的状态，手段非常有限。”刘骏秋说，“在某些应用场景中，两者也有竞争，比如神经网络。但更多的时候，二者是合作关系。光芯片技术目前还没有电芯片成熟，所以未知的因素很多，两者未来应该很好地衔接起来。”

对此，中国科学院微电子研究所研究员、集成电路先导工艺研发中心副主任罗军持同样观点。

“电子集成电路和光子集成电路之间是互补的关系。”罗军对《中国科学报》说，“未来可以充分利用光子集成电路高速率传输和电子集成电路多功能、智能化的优点，在新的‘赛道’上跑出更好成绩。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21973-z

https://doi.org/10.1038/s41586-020-03070-1

---