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九月 23 2019

芯片是怎么制造的?

  芯片是指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其他电子设备的一部分。从产品种类上来说,芯片的种类有几十种大门类,上千种小门类。但是芯片生产是一个点砂成金的过程,从砂子到晶圆再到芯片,价值密度直线飙升。真正的芯片制造过程十分复杂,下面就图文结合,一步一步看看:

  第一阶段

  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。

沙子

沙子

  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)。

硅熔炼

硅熔炼

  单晶硅锭:整体基本呈圆柱形,重约100千克,硅纯度99.9999%。

  第二阶段

  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)。

硅锭切割

硅锭切割

  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。

晶圆

晶圆

  第三阶段

  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。

光刻胶

光刻胶

  光刻: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

光刻

  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。

晶体管

晶体管

  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。

  第四阶段

  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。

溶解光刻胶

溶解光刻胶

  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。

蚀刻

蚀刻

  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。

清除光刻胶

清除光刻胶

  第五阶段

  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。

再次光刻胶(蓝色部分)

再次光刻胶(蓝色部分)

  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。

离子注入

离子注入

  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。

再次清除光刻胶

再次清除光刻胶

  第六阶段

  晶体管就绪:至此,晶体管已经基本完成。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。

晶体管就绪

晶体管就绪

  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)。

电镀

电镀

  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。

铜层

铜层

  第七阶段

  抛光:将多余的铜抛光掉,也就是磨光晶圆表面。

抛光

抛光

  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。

金属层

金属层

  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。

  晶圆测试: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。

晶圆测试

晶圆测试

  晶圆切片(Slicing):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)。

晶圆切片

晶圆切片

  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。

丢弃瑕疵内核

丢弃瑕疵内核

  第八阶段

  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。

单个内核

单个内核

  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。

封装

封装

  处理器:至此就得到完整的处理器了(这里是一颗Core i7)。

处理器

处理器

  第九阶段

  等级测试:最后一次测试,可以鉴别出每一颗处理器的关键特性,比如最高频率、功耗、发热量等,并决定处理器的等级,比如适合做成最高端的Core i7-975 Extreme,还是低端型号Core i7-920。

等级测试

等级测试

  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。

装箱

装箱

  本文总结了芯片的制造过程。现在进入了科技时代,极度依赖计算机科学与技术,其中的CPU又是各种计算机必不可少重要部件。暂且不论架构上的设计,仅仅在CPU的制作上就凝聚了全人类的智慧,基本上当今世界上最先进的工艺、生产技术、尖端机械全部都投入到了该产业中。

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