CPU是怎样制造的？--解析intelCorei7生产全过程

1、CPU是怎样制造的?解析intel Core i7生产全过程根据玩家联盟资料制作沙子：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iiJ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) o单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99-9999 % owmvjfbi羽f/xj 卯与 ssuiJpiXkrf

2、，鋅0丄肝制造第_阶段提炼硅锭（小结）卅出刃皿弘创曲丁冶抑血rW swiJW 沁曲硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说 的晶圆（Wafer）。顺便说，这下知道为什么晶圆都是圆形 的了吧？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。事实, Intel自己并不生产这种晶 圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成品，然后 利用自己的生产线进一步加工，比如现在主流的45nm HKMG（高K金属栅极）。值得一提的是，Intel公司创立之 初使用的晶圆尺寸只有2英寸/50毫米wwiA/ntoci? .cortt制造第二阶段_切割晶屢 （小结） 光刻胶(Photo Re

3、sist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过書飜翩鏑総糊作瞬片的那种。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 卜囿支66 rm心纠XS” M 対3 冲皿妙光刻：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

4、方向。 现在的晶体管已经 如此之小，一个针 头上就能放下大约3000万个制造第三阶段_光刻过程（小结）吭）I玩彖淞嬴聽燔饗豔脇来的晶圆部分而剩下蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全UOI迓家參迪UzzJzgpjad 皿 皿3砒/ 利映却冲址胁制造第四阶段_光刻胶的使命（小结）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 那部分材生离子注入（IonImplantation）：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

5、, 注入的离子流的 速度可以超过30 万千米每小时。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。制造第五阶段离子注入（小结）TJ比抄g 上Un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r互连。电镀：在晶 圆上电镀一 层硫酸铜, 将铜离子沉 淀到晶体管o铜离子会从正极（阳 极）走向负极 （阴极）。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。制造第六阶段_电镀晶n H（小结）抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆 表函金属层：晶体管级

6、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。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。制造第七阶段_抛光处理（小结）晶圆测试：内核级别，大约10毫米/05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。 i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)o迓冢總丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现 的有瑕疵的内核被抛

7、弃，留下完好的准备进 入下一步。制造第八阶段晶圆切片（小结）.，二.单个内j :内核级别。从晶圆上切割下来的 单个内核，这車農示的是Core i7的核心。乞 I立关至 丄亠pam 辰 叫3专 卫如叫 冲皿曲 普烈吏警级孕，20毫米英寸。衬底（基片）、内核、散 豎使鶴監更就形成了我们看到的处理器的样子。 聽5?黒?幫分底座并为处理器内核提供电气 册監聽诸统的其它部分交互。散热片（银处理器：至此就得到完整的处理器了（这里是一颗Core i7）o这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的 产品实际上是经过数百个步骤得来的，这里只是展示了 其中的_些关键步骤。制造第九阶段封装（小结）等级测试：最后一

8、次测试，可以鉴别出每一颗处理器的翻比鑑豔成需款鳩定处Extreme,还是低端型号Core i7-920oM蠶沁将同样级别制造第十阶段_成品出炉（小结）总结1、制造第_阶段提炼硅锭2、制造第二阶段_切割晶圆3、制造第三阶段_光刻过程4、制造第四阶段_光刻胶的使命5、制造第五阶段_离子注入6、制造第六阶段电镀晶圆7、制造第七阶段抛光处理制造第八阶段晶圆切片9、制造第九阶段封装（小结）10、制造第十阶段成品出炉（小结）CPU是如何生产出来的（收转）2010-03-2616:00作为计算机的核心组件，CPU （Central Processor Unit,中央处理器）在用户的心中一直是十分神秘的：在多

9、 数用户的心目中，它都只是一个名词缩写，他们甚至连它的全写都拚不出来；在一些硬件高手的眼里，CPU也至 多是一块十余平方厘米，有很多脚的块块儿，而CPU的核心部分甚至只有不到一平方厘米大。他们知道这块不到 一平方厘米大的玩意儿是用多少微米工艺制成的，知道它集成了几亿几千万晶体管，但鲜有了解CPU的制造流程 者。今天，就让我们来详细的了解一下，CPU是怎样练成的。基本材料多数人都知道，现代的CPU是使用硅材料制成的。硅是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元 素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是 目前最适宜于制造现代大规模集成电

10、路的材料之一。从某种意义上说，沙滩上的沙子的主要成分也是硅（二氧化 硅），而生产CPU所使用的硅材料，实际上就是从沙子里面提取出来的。当然，CPU的制造过程中还要使用到一 些其它的材料，这也就是为什么我们不会看到Intel或者AMD只是把成吨的沙子拉往他们的制造厂。同时，制造 CPU对硅材料的纯度要求极高，虽然来源于廉价的沙子，但是由于材料提纯工艺的复杂，我们还是无法将一百克 高纯硅和一吨沙子的价格相提并论。制造CPU的另一种基本材料是金属。金属被用于制造CPU内部连接各个元件的电路。铝是常用的金属材料之 一,因为它廉价，而且性能不差。而现今主流的CPU大都使用了铜来代替铝，因为铝的电迁移性太

11、大，已经无 法满足当前飞速发展的CPU制造工艺的需要。所谓电迁移，是指金属的个别原子在特定条件下（例如高电压）从 原有的地方迁出。很显然，如果不断有原子从连接元件的金属微电路上迁出，电路很快就会变得千疮百孔，直到断路。这也就 是为什么超频者尝试对Northwood Pentium 4的电压进行大幅度提升时，这块悲命的CPU经常在“突发性 Northwood死亡综合症（Sudden Northwood Death Syndrome, SNDS） ” 中休克甚至牺牲的原因。SNDS使 得Intel第一次将铜互连（Copper Interconnect）技术应用到CPU的生产工艺中。铜互连技术能够明

12、显的减少电 迁移现象，同时还能比铝工艺制造的电路更小，这也是在纳米级制造工艺中不可忽视的一个问题。不仅仅如此，铜比铝的电阻还要小得多。种种优势让铜互连工艺迅速取代了铝的位置，成为CPU制造的主流 之选。除了硅和一定的金属材料之外，还有很多复杂的化学材料也参加了CPU的制造工作。准备工作解决制造CPU的材料的问题之后，我们开始进入准备工作。在准备工作的过程中，一些原料将要被加工，以便 使其电气性能达到制造CPU的要求。其一就是硅。首先，它将被通过化学的方法提纯，纯到几乎没有任何杂质。 同时它还得被转化成硅晶体，从本质上和海滩上的沙子划清界限。在这个过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔

13、炉。这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体 围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。如果你在高中时把硫酸铜结晶实验做的很好，或者看到 过单晶冰糖是怎么制造的，相信这个过程不难理解。同时你需要理解的是，很多固体物质都具有晶体结构，例如 食盐。CPU制造过程中的硅也是这样。小心而缓慢的搅拌硅的熔浆，硅晶体包围着晶种向同一个方向生长。最终， 一块硅锭产生了。现在的硅锭的直径大都是200毫米，而CPU厂商正在准备制造300毫米直径的硅锭。在确保质量不变的前提下 制造更大的硅锭难度显然更大，但CPU厂商的投资解决了这个技术难题。建造一个生产300毫米直径硅锭的制造 厂大约需要35亿美元，Intel

14、将用其产出的硅材料制造更加复杂的CPU。而建造一个相似的生产200毫米直径硅锭 的制造厂只要15亿美元。作为第一个吃螃蟹的人，Intel显然需要付出更大的代价。花两倍多的钱建造这样一个制 造厂似乎很划不来，但从下文可以看出，这个投资是值得的。硅锭的制造方法还有很多，上面介绍的只是其中一 种，叫做CZ制造法。硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状，称为晶圆。晶圆才被真正用于CPU 的制造。一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的CPU成品就越多。接下来晶圆将被磨光，并被 检查是否有变形或者其它问题。在这里，质量检査直接决定着CPU的最终良品率，是极为重要的。没有问

15、题的晶圆将被掺入适当的其它材料，用以在上面制造出各种晶体管。掺入的材料沉积在硅原子之间的缝隙 中。目前普遍使用的晶体管制造技术叫做CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors,互补式金 属氧化物半导体)技术，相信这个词你经常见到。简单的解释一下，CMOS中的C (Complementary)是指两种 不同的MOS电路“N”电路和“P”电路之间的关系：它们是互补的。在电子学中，和分别是Negative和Positive的缩写，用于表示极性。可以简单的这么理解，在 “N”型的基片上可以安装井制造型的晶体管，而在“P”型基片上则可以安装“N”井制造“N

16、”型 晶体管。在多数情况下，制造厂向晶圆里掺入相关材料以制造“P”基片，因为在基片上能够制造出具有更优 良的性能，并且能有效的节省空间的“N”型晶体管；而这个过程中，制造厂会尽量避免产生“P”型晶体管。接下来这块晶圆将被送入一个高温熔炉，当然这次我们不能再让它熔化了。通过密切监控熔炉内的温度、压力和加 热时间，晶圆的表面将被氧化成一层特定厚度的二氧化硅(SiO2),作为晶体管门电路的一部分一基片。如果 你学过逻辑电路之类的，你一定会很清楚门电路这个概念。通过门电路，输入一定的电平将得到一定的输出电平， 输出电平根据门电路的不同而有所差异。电平的高低被形象的用0和1表示，这也就是计算机使用二进制

17、的原因。在 Intel使用90纳米工艺制造的CPU中，这层门电路只有5个原子那么厚。准备工作的最后一步是在晶圆上涂上一层光敏抗蚀膜，它具有光敏性，并且感光的部分能够被特定的化学物质 清洗掉，以此与没有曝光的部分分离。完成门电路这是CPU制造过程中最复杂的一个环节，这次使用到的是光微刻技术。可以这么说，光微刻技术把对光的应 用推向了极限。CPU制造商将会把晶圆上覆盖的光敏抗蚀膜的特定区域曝光，并改变它们的化学性质。而为了避 免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰，必须制作遮罩来遮蔽这些区域。想必你已经在Photoshop之类的软件 里面认识到了遮罩这个概念，在这里也大同小异。在这里，即使使用波长很

18、短的紫外光并使用很大的镜头，也就是说，进行最好的聚焦，遮罩的边缘依然会受 到影响，可以简单的想象成边缘变模糊了。请注意我们现在讨论的尺度，每一个遮罩都复杂到不可想象，如果要 描述它，至少得用10GB的数据，而制造一块CPU,至少要用到20个这样的遮罩。对于任意一个遮罩，请尝试想 象一下北京市的地图，包括它的郊区；然后将它缩小到一块一平方厘米的小纸片上。最后，别忘了把每块地图都连 接起来，当然，我说的不是用一条线连连那么简单。当遮罩制作完成后，它们将被覆盖在晶圆上，短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之 曝光。接下来停止光照并移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜，

19、以及在下面紧贴着抗蚀膜 的一层硅。当剩余的光敏抗蚀膜也被去除之后，晶圆上留下了起伏不平的二氧化硅山脉，当然你不可能看见它们。接下来 添加另一层二氧化硅，并加上了一层多晶硅，然后再覆盖一层光敏抗蚀膜。多晶硅是上面提到的门电路的另一部 分，而以前这是用金属制造而成的(即CMOS里的M： Metal)。光敏抗蚀膜再次被盖上决定这 些多晶硅去留的遮 罩，接受光的洗礼。然后，曝光的硅将被原子轰击，以制造出N井或P井，结合上面制造的基片，门电路就完成 To重复可能你会以为经过上面复杂的步骤，一块CPU就已经差不多制造完成了。实际上，到这个时候，CPU的完成度 还不到五分之一。接下来的步骤与上面所说的一样复

20、杂，那就是再次添加二氧化硅层，再次蚀刻，再次添加 重复多遍，形成一个3D的结构，这才是最终的CPU的核心。每几层中间都要填上金属作为导体。Intel的Pentium 4 处理器有7层，而AMD的Athlon 64则达到了9层。层数决定于设计时CPU的布局，以及通过的电流大小。测试、测试和测试在经过几个星期的从最初的晶圆到一层层硅、金属和其它材料的CPU核心的制造过程之后，该是看看制造岀来 的这个怪物的时候了。这一步将测试晶圆的电气性能，以检査是否出了什么差错，以及这些差错出现在哪个步骤 （如果可能的话）。接下来，晶圆上的每个CPU核心都将被分开（不是切开）测试。通过测试的晶圆将被切分成若干单独

21、的CPU核心，上面的测试里找到的无效的核心将被放在一边。接下来核心将被 封装，安装在基板上。然后，多数主流的CPU将在核心上安装一块集成散热反变形片（Integrated Heat Spreader, IHS） o每块CPU将被进行完全测试，以检验其全部功能。某些CPU能够在较高的频率下运行，所以被 标上了较高的频率；而有些CPU因为种种原因运行频率较低，所以被标上了较低的频率。最后，个别CPU可能存在 某些功能上的缺陷，如果问题出在缓存上（缓存占CPU核心面积的一半以上）,制造商仍然可以屏蔽掉它的部分缓 存，这意味着这块CPU依然能够出售，只是它可能是Celeron,可能是Sempron,或

22、者是其它的了。当CPU被放进包装盒之前，一般还要进行最后一次测试，以确保之前的工作准确无误。根据前面确定的最高运 行频率不同，它们被放进不同的包装，销往世界各地。读完这些，相信你已经对CPU的制造流程有了一些比较深入的认识。CPU的制造，可以说是集多方面尖端科学 技术之大成，CPU本身也就那么点大，如果把里面的材料分开拿出来卖，恐怕卖不了几个钱。然而CPU的制造成 本是非常惊人的，从这里或许我们可以理解，为什么这东西卖这么贵了。补充 在测试、测试和测试这个环节很重要，你的处理器是6300还是6400就会在这个环节被划分，而6300天生并不是 6300,而是在测试之后，发现处理器不能稳定的在6400标准下工作，只能在6300标准下稳定工作，于是对处理 器定义，锁频，定义ID,封装，印上6300, AMD我比较熟，用AMD的例子比较好举，同样核心的处理器都是一个生产线下来的，如果稳定工作在2.8GHz, 1M*2的缓存下，就被定义为5600+,如