芯片制造過程中的各個階段介紹

芯片是指內(nèi)含集成電路的硅片，體積很小，常常是計算機或其他電子設(shè)備的一部分。從產(chǎn)品種類上來說，芯片的種類有幾十種大門類，上千種小門類。但是芯片生產(chǎn)是一個點砂成金的過程，從砂子到晶圓再到芯片，價值密度直線飆升。真正的芯片制造過程十分復(fù)雜，下面就圖文結(jié)合，一步一步看看：

第一階段

沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(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，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

沙子

硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級，下同。通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的硅，學(xué)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(zhì)原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot)。

硅熔煉

單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999%。

第二階段

硅錠切割：橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們常說的晶圓(Wafer)。

硅錠切割

晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當(dāng)鏡子。

晶圓

第三階段

光刻膠(Photo Resist)：圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

光刻膠

光刻：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(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù)先設(shè)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。一般來說，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。

光刻

由此進入50-200納米尺寸的晶體管級別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)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(dāng)于開關(guān)，控制著電流的方向。

晶體管

現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小，一個針頭上就能放下大約3000萬個。

第四階段

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。

溶解光刻膠

蝕刻：使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不應(yīng)該蝕刻的部分。

蝕刻

清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計好的電路圖案。

清除光刻膠

第五階段

光刻膠：再次澆上光刻膠(藍(lán)色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。

再次光刻膠(藍(lán)色部分)

離子注入(Ion Implantation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)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

清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。

再次清除光刻膠

第六階段

晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。

晶體管就緒

電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極(陽極)走向負(fù)極(陰極)。

電鍍

銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個薄薄的銅層。

銅層

第七階段

拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

拋光

金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。

金屬層

芯片表面看起來異常平滑，但事實上可能包含20多層復(fù)雜的電路，放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，形如未來派的多層高速公路系統(tǒng)。

晶圓測試：內(nèi)核級別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進行對比。

晶圓測試

晶圓切片(Slicing)：晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個處理器的內(nèi)核(Die)

晶圓切片

丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級別。測試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準(zhǔn)備進入下一步。

丟棄瑕疵內(nèi)核

第八階段

單個內(nèi)核：內(nèi)核級別。從晶圓上切割下來的單個內(nèi)核，這里展示的是Core i7的核心。

單個內(nèi)核

封裝：封裝級別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當(dāng)于一個底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負(fù)責(zé)內(nèi)核散熱的了。

封裝

處理器：至此就得到完整的處理器了(這里是一顆Core i7)。

處理器

第九階段

等級測試：最后一次測試，可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級，比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme，還是低端型號Core i7-920。

等級測試

裝箱：根據(jù)等級測試結(jié)果將同樣級別的處理器放在一起裝運。

裝箱

本文總結(jié)了芯片的制造過程。現(xiàn)在進入了科技時代，極度依賴計算機科學(xué)與技術(shù)，其中的CPU又是各種計算機必不可少重要部件。暫且不論架構(gòu)上的設(shè)計，僅僅在CPU的制作上就凝聚了全人類的智慧，基本上當(dāng)今世界上最先進的工藝、生產(chǎn)技術(shù)、尖端機械全部都投入到了該產(chǎn)業(yè)中。

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