CPU製造全過程，一堆沙子的藝術之旅

內容來源自公眾號：半導體行業觀察

作者：懶豆豆

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的製造過程代表了當今世界科技發展的最高水平。

處理器的製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於半導體製造質量的硅，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%。然後將硅錠橫向切割成圓形的單個矽片——晶圓（Wafer）。切割出的晶圓經過拋光後變得幾乎完美無瑕。

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。

光刻膠層隨後透過掩模（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，不過從這裡開始把視野縮小到其中一個上，展示如何製作晶體管等部件。晶體管相當於開關，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，清除後留下的圖案和掩模上的一致。然後光刻，並洗掉曝光的部分。

離子注入：在真空系統中，用經過加速，並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，並改變這些區域的硅的導電性。經過電場加速後，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。

離子注入完成後，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，晶體管的製造已經基本完成。然後在絕緣層（紅色部分）上蝕刻出三個孔洞，並填充上銅，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，將銅離子沉澱到晶體管上。電鍍完成後，沉積在晶圓表面的銅離子形成一個薄薄的銅層。

拋光：將多餘的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

磨光後的晶圓表面下顯露出金屬層，銅離子金屬層屬於晶體管級別，大約500納米。金屬層在不同晶體管之間形成複合互連金屬層，儘管晶元表面看起來異常平滑，但事實上包含20多層複雜的電路，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晶元進行功能性測試，然後丟棄瑕疵內核。

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。

最後一次等級測試：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，並決定處理器的等級。

製造、測試完畢的處理器包裝好後進入市場。

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