CPU——中央處理器,世界上單位體積集成度最大的集成電路核心,也是唯一無法山寨的物品。CPU的制造過程代表了當今世界科技發展的最高水平。
處理器的制造過程可以大致分為選取原料沙子(石英)、提純成硅錠、晶圓、光刻、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試、包裝上市等基本步驟。
硅熔煉成硅錠:通過多步凈化得到可用于半導體制造質量的硅,學名電子級硅(EGS),平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質原子。
單晶硅錠呈圓柱形,重約100千克,硅純度達99.9999%。然后將硅錠橫向切割成圓形的單個硅片——晶圓(Wafer)。切割出的晶圓經過拋光后變得幾乎完美無瑕。
對晶圓進行光刻膠(Photo Resist),在晶圓旋轉過程中澆上藍色的的光刻膠液體,晶圓旋轉可以讓光刻膠鋪的非常薄、平。
光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下,變得可溶,期間發生的化學反應類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預先設計好的電路圖案,紫外線透過它照在光刻膠層上,就會形成微處理器的每一層電路圖案。
一塊晶圓上可以切割出數百個處理器,不過從這里開始把視野縮小到其中一個上,展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當于開關,控制著電流的方向。晶體管及其微小,一個針頭上就能放下大約3000萬個。
溶解光刻膠:光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉,清除后留下的圖案和掩模上的一致。然后光刻,并洗掉曝光的部分。
離子注入:在真空系統中,用經過加速,并摻雜原子的離子照射固體材料,從而在被注入的區域形成特殊的注入層,并改變這些區域的硅的導電性。經過電場加速后,注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。
離子注入完成后,光刻膠也被清除,而注入區域(綠色部分)也已注入了不同的原子。這時候的綠色和之前已經有所不同。
至此,晶體管的制造已經基本完成。然后在絕緣層(紅色部分)上蝕刻出三個孔洞,并填充上銅,以便和其它晶體管互連。
電鍍銅層:在晶圓上電鍍一層硫酸銅,將銅離子沉淀到晶體管上。電鍍完成后,沉積在晶圓表面的銅離子形成一個薄薄的銅層。
拋光:將多余的銅拋光掉,也就是磨光晶圓表面。
磨光后的晶圓表面下顯露出金屬層,銅離子金屬層屬于晶體管級別,大約500納米。金屬層在不同晶體管之間形成復合互連金屬層,盡管芯片表面看起來異常平滑,但事實上包含20多層復雜的電路,形如未來世界的多層高速公路系統。
進行晶圓測試:使用參考電路圖案和每一塊芯片進行功能性測試,然后丟棄瑕疵內核。
將晶圓切割成塊,尺寸300毫米/12英寸,每一塊就是一個處理器的內核(Die)。
圖為Core i7的核心。
封裝CPU:將襯底(基片針腳)、內核、散熱片堆疊在一起,就形成了我們看到的處理器的樣子。封裝級別,20毫米/1英寸。
最后一次等級測試:可以鑒別出每一顆處理器的關鍵特性,比如最高頻率、功耗、發熱量等,并決定處理器的等級。
制造、測試完畢的處理器包裝好后進入市場。