現(xiàn)在市場(chǎng)上產(chǎn)品豐富，琳瑯滿目，當(dāng)你使用著配置了款芯片的電腦在互聯(lián)網(wǎng)上縱橫馳騁，在各種程序應(yīng)用之間操作自如的時(shí)候，有沒(méi)有興趣去想一想這個(gè)頭不大、功能不小的芯片—Chip是怎么制作出來(lái)的呢。

在今天的半導(dǎo)體制造業(yè)中，計(jì)算機(jī)中央處理器_CPU無(wú)疑是受關(guān)注程度的領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域中眾所周知的兩大巨頭，其所遵循的處理器架構(gòu)均為x86，而另外一家號(hào)稱(chēng)信息產(chǎn)業(yè)的藍(lán)色巨人的IBM，也擁有強(qiáng)大的處理器設(shè)計(jì)與制造能力，它們發(fā)明了應(yīng)變硅技術(shù)，并在90納米的處理器制造工藝上走在前列。

在本科普文章中，我們將一步一步的為您講述中央處理器從一堆沙子到一個(gè)功能強(qiáng)大的集成電路芯片的全過(guò)程。制造芯片的基本原料

如果問(wèn)及芯片的原料是什么，大家都會(huì)輕而易舉的給出答案—是硅。這是不假，但硅又來(lái)自哪里呢？其實(shí)就是那些不起眼的沙子。難以想象吧，價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，充滿著神秘感的芯片竟然來(lái)自那根本一文不值的沙子。當(dāng)然這中間必然要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的制造過(guò)程才行。不過(guò)不是隨便抓一把沙子就可以做原料 的，一定要精挑細(xì)選，從中提取出純凈的硅原料才行。試想一下，如果用那廉價(jià)而又儲(chǔ)量充足的原料做成芯片，那么成品的質(zhì)量會(huì)怎樣，你還能用上像現(xiàn)在 這樣高性能的處理器嗎？

除去硅之外，制造芯片還需要一種重要的材料就是金屬。目前為止，鋁已經(jīng)成為制作處理器內(nèi)部配件的主要金屬材料，而銅則逐漸被淘汰，這是有一些原因的，在目前的芯片工作電壓下，鋁的電遷移特性要明顯好于銅。所謂電遷移問(wèn)題，就是指當(dāng)大量電子流過(guò)一段導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體物質(zhì)原子受電子撞擊而離開(kāi)原有位置，留下空位，空位過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體連線斷開(kāi)，而離開(kāi)原位的原子停留在其它位置，會(huì)造成其它地方的短路從而影響芯片的邏輯功能，進(jìn)而導(dǎo)致芯片無(wú)法使用。這就是許多Northwood Pentium 4換上SNDS(北木暴畢綜合癥)的原因，當(dāng)發(fā)燒友們次給Northwood Pentium 4超頻就急于求成，大幅提高芯片電壓時(shí)，嚴(yán)重的電遷移問(wèn)題導(dǎo)致了芯片的癱瘓。這就是intel首次嘗試銅互連技術(shù)的經(jīng)歷，它顯然需要一些改進(jìn)。不過(guò)另一方面講，應(yīng)用銅互連技術(shù)可以減小芯片面積，同時(shí)由于銅導(dǎo)體的電阻更低，其上電流通過(guò)的速度也更快。

除了這兩樣主要的材料之外，在芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要一些種類(lèi)的化學(xué)原料，它們起著不同的作用，這里不再贅述。芯片制造的準(zhǔn)備階段在必備原材料的采集工作完畢之后，這些原材料中的一部分需要進(jìn)行一些 預(yù)處理工作。而作為主要的原料，硅的處理工作至關(guān)重要。首先，硅原料要進(jìn)行化學(xué)提純，這一步驟使其達(dá)到可供半導(dǎo)體工業(yè)使用的原料級(jí)別。而為了使這些硅原料能夠滿足集成電路制造的加工需要，還必須將其整形，這一步是通過(guò)溶化硅原料，然后將液態(tài)硅注入大型高溫石英容器而完成的。

而后，將原料進(jìn)行高溫溶化。中學(xué)化學(xué)課上我們學(xué)到過(guò)，許多固體內(nèi)部原子是晶體結(jié)構(gòu)，硅也是如此。為了達(dá)到高性能處理器的要求，整塊硅原料必須高度純凈，及單晶硅。然后從高 溫容器中采用旋轉(zhuǎn)拉伸的方式將硅原料取出，此時(shí)一個(gè)圓柱體的硅錠就產(chǎn)生了。從目前所使用的工藝來(lái)看，硅錠圓形橫截面的直徑為200毫米。不過(guò)現(xiàn)在 intel和其它一些公司已經(jīng)開(kāi)始使用300毫米直徑的硅錠了。在保留硅錠的各種特性不變的情況下增加橫截面的面積是具有相當(dāng)?shù)碾y度的，不過(guò)只要企業(yè)肯投 入大批資金來(lái)研究，還是可以實(shí)現(xiàn)的。intel為研制和生產(chǎn)300毫米硅錠而建立的工廠耗費(fèi)了大約35億美元，新技術(shù)的成功使得intel可以制造復(fù)雜程 度更高，功能更強(qiáng)大的集成電路芯片。而200毫米硅錠的工廠也耗費(fèi)了15億美元。下面就從硅錠的切片開(kāi)始介紹芯片的制造過(guò)程。

單晶硅錠

在制成硅錠并確保其是一個(gè)的圓柱體之后，下一個(gè)步驟就是將這個(gè)圓柱體硅錠切片，切片越薄，用料越省，自然可以生產(chǎn)的處理器芯片就更多。切片還要鏡面精 加工的處理來(lái)確保表面光滑，之后檢查是否有扭曲或其它問(wèn)題。這一步的質(zhì)量檢驗(yàn)尤為重要，它直接決定了成品芯片的質(zhì)量。

單晶硅錠

新的切片中要摻入一些物質(zhì)而使之成為真正的半導(dǎo)體材料，而后在其上刻劃代表著各種邏輯功能的晶體管電路。摻入的物質(zhì)原子進(jìn)入硅原子之間的空隙，彼此之間發(fā) 生原子力的作用，從而使得硅原料具有半導(dǎo)體的特性。今天的半導(dǎo)體制造多選擇CMOS工藝(互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)。其中互補(bǔ)一詞表示半導(dǎo)體中N型MOS管和P型MOS管之間的交互作用。而N和P在電子工藝中分別代表負(fù)極和正極。多數(shù)情況下，切片被摻入化學(xué)物質(zhì)而形成P型襯底，在其上刻劃的邏輯電路要遵循nMOS電路的特性來(lái)設(shè)計(jì)，這種類(lèi)型的晶體管空間利用率更高也更加節(jié)能。同時(shí)在多數(shù)情況下，必須盡量限制pMOS型晶體管的出現(xiàn)，因?yàn)樵谥圃爝^(guò)程的后期， 需要將N型材料植入P型襯底當(dāng)中，而這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致pMOS管的形成。

在摻入化學(xué)物質(zhì)的工作完成之后，標(biāo)準(zhǔn)的切片就完成了。然后將每一個(gè)切片放入高溫爐中加熱，通過(guò)控制加溫時(shí)間而使得切片表面生成一層二氧化硅膜。通過(guò)密切監(jiān)測(cè)溫度，空氣成分和加溫時(shí)間，該二氧化硅層的厚度是可以控制的。在intel的90納米制造工藝中，門(mén)氧化物的寬度小到了驚人的5個(gè)原子厚度。這一層門(mén)電路也是晶體管門(mén)電路的一部分，晶體管門(mén)電路的作用是控制其間電子的流動(dòng)，通過(guò)對(duì)門(mén)電壓的控制，電子的流動(dòng)被嚴(yán)格控制，而不論輸入輸出端口電壓的大小。準(zhǔn)備 工作的后一道工序是在二氧化硅層上覆蓋一個(gè)感光層。這一層物質(zhì)用于同一層中的其它控制應(yīng)用。這層物質(zhì)在干燥時(shí)具有很好的感光效果，而且在光刻蝕過(guò)程結(jié)束 之后，能夠通過(guò)化學(xué)方法將其溶解并除去。

光刻蝕

這是目前的芯片制造過(guò)程當(dāng)中工藝非常復(fù)雜的一個(gè)步驟，為什么這么說(shuō)呢？光刻蝕過(guò)程就是使用一定波長(zhǎng)的光在感光層中刻出相應(yīng)的刻痕，由此改變?cè)撎幉牧系幕瘜W(xué)特性。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于所用光的波長(zhǎng)要求極為嚴(yán)格，需要使用短波長(zhǎng)的紫外線和大曲率的透鏡。刻蝕過(guò)程還會(huì)受到晶圓上的污點(diǎn)的影響。每一步刻蝕都是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的過(guò)程。設(shè)計(jì)每一步過(guò)程的所需要的數(shù)據(jù)量都可以用10GB的單位來(lái)計(jì)量，而且制造每塊處理器所需要的刻蝕步驟都超過(guò)20步(每一步進(jìn)行一層刻蝕)。而且每一層刻蝕的圖紙如果放大許多倍的話，可以和整個(gè)紐約市外加郊區(qū)范圍的地圖相比，甚至還要復(fù)雜，試想一下，把整個(gè)紐約地圖縮小到實(shí)際面積大小只有100個(gè)平方毫米的芯片上，那么這個(gè)芯片的結(jié)構(gòu)有多么復(fù)雜，可想而知了吧。

當(dāng)這些刻蝕工作全部完成之后，晶圓被翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。短波長(zhǎng)光線透過(guò)石英模板上鏤空的刻痕照射到晶圓的感光層上，然后撤掉光線和模板。通過(guò)化學(xué)方法除去暴露在外邊的感光層物質(zhì)，而二氧化硅馬上在陋空位置的下方生成。

摻雜 Doping

在殘留的感光層物質(zhì)被去除之后，剩下的就是充滿的溝壑的二氧化硅層以及暴露出來(lái)的在該層下方的硅層。這一步之后，另一個(gè)二氧化硅層制作完成。然后，加入另 一個(gè)帶有感光層的多晶硅層。多晶硅是門(mén)電路的另一種類(lèi)型。由于此處使用到了金屬原料(因此稱(chēng)作金屬氧化物半導(dǎo)體)，多晶硅允許在晶體管隊(duì)列端口電壓起作用之前建立門(mén)電路。感光層同時(shí)還要被短波長(zhǎng)光線透過(guò)掩?？涛g。再經(jīng)過(guò)一部刻蝕，所需的全部門(mén)電路就已經(jīng)基本成型了。然后，要對(duì)暴露在外的硅層通過(guò)化學(xué)方式進(jìn) 行離子轟擊，此處的目的是生成N溝道或P溝道。這個(gè)摻雜過(guò)程創(chuàng)建了全部的晶體管及彼此間的電路連接，沒(méi)個(gè)晶體管都有輸入端和輸出端，兩端之間被稱(chēng)作端口。

重復(fù)這一過(guò)程

從這一步起，你將持續(xù)添加層級(jí)，加入一個(gè)二氧化硅層，然后光刻一次。重復(fù)這些步驟，然后就出現(xiàn)了一個(gè)多層立體架構(gòu)，這就是你目前使用的處理器的萌芽狀態(tài) 了。在每層之間采用金屬涂膜的技術(shù)進(jìn)行層間的導(dǎo)電連接。今天的P4處理器采用了7層金屬連接，而Athlon 64使用了9層，所使用的層數(shù)取決于初的版 圖設(shè)計(jì)，并不直接代表著終產(chǎn)品的性能差異。

接下來(lái)的幾個(gè)星期就需要對(duì)晶圓進(jìn)行一關(guān)接一關(guān)的測(cè)試，包括檢測(cè)晶圓的電學(xué)特性，看是否有邏輯錯(cuò)誤，如果有，是在哪一層出現(xiàn)的等等。而后，晶圓上每一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題的芯片單元將被單獨(dú)測(cè)試來(lái)確定該芯片有否特殊加工需要。

而后，整片的晶圓被切割成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的處理器芯片單元。在初測(cè)試中，那些檢測(cè)不合格的單元將被遺棄。這些被切割下來(lái)的芯片單元將被采用某種方式進(jìn)行封裝，這樣它就可以順利的插入某種接口規(guī)格的主板了。大多數(shù)Intel和AMD的處理器都會(huì)被覆蓋一個(gè)散熱層。在處理器成品完成之后，還要進(jìn)行的芯片功能檢測(cè)。這一部會(huì)產(chǎn)生不同等級(jí)的產(chǎn)品，一些芯片的運(yùn)行頻率相對(duì)較高，于是打上高頻率產(chǎn)品的名稱(chēng)和編號(hào)，而那些運(yùn)行頻率相對(duì)較低的芯片則加以改造，打上其它的低頻率型號(hào)。這就是不同市場(chǎng)定位的處理器。而還有一些處理器可能在芯片功能上有一些不足之處。比如它在緩存功能上有缺陷(這種缺陷足以導(dǎo)致絕大多數(shù)的芯片癱瘓)，那么它們就會(huì)被屏蔽掉一些緩存容量，降低了性能，當(dāng)然也就降低了產(chǎn)品的售價(jià)，這就是Celeron和Sempron的由來(lái)。在芯片的包裝過(guò)程 完成之后，許多產(chǎn)品還要再進(jìn)行一次測(cè)試來(lái)確保先前的制作過(guò)程無(wú)一疏漏，且產(chǎn)品完全遵照規(guī)格所述，沒(méi)有偏差。