超能課堂(65)：沙子做的CPU，憑什麼賣那麼貴？

一般來說，我們對IC晶片的了解僅限於它概念，但是對於已經應用到各式各樣的數碼產品中IC晶片是怎麼來的？大家可能只知道製作IC晶片的矽來源於沙子，但是為什麼沙子做的CPU卻賣那麼貴？下面將會以常見的Intel、AMD CPU作為例子，講述沙子到CPU簡要的生產工序流程，希望大家對CPU製作的過程有一個大體認識，解開CPU憑什麼賣那麼貴之謎！

矽圓片的製作

1.矽的重要來源：沙子

作為半導體材料，使用得最多的就是矽元素，其在地球表面的元素中儲量僅次於氧，含矽量在27.72%，其主要表現形式就是沙子（主要成分為二氧化矽），沙子裡面就含有相當量的矽。

因此矽作為IC製作的原材料最合適不過，想想看地球上有幾個浩瀚無垠的沙漠，來源既便宜又方便。

2.矽熔煉、提純

不過實際在IC產業中使用的矽純度要求必須高達99.999999999%。

目前主要通過將二氧化矽與焦煤在1600-1800℃中，將二氧化矽還原成純度為98%的冶金級單質矽，緊接著使用氯化氫提純出99.99%的多晶矽。

雖然此時的矽純度已經很高，但是其內部混亂的晶體結構並不適合半導體的製作，還需要經過進一步提純、形成固定一致形態的單晶矽。

3.製備單晶矽錠

單晶的意思是指原子在三維空間中呈現規則有序的排列結構，而單晶矽擁有「金剛石結構」，每個晶胞含有8個原子，其晶體結構十分穩定。

單晶矽的「金剛石」結構

通常單晶矽錠都是採用直拉法製備，在仍是液體狀態的矽中加入一個籽晶，提供晶體生長的中心，通過適當的溫度控制，就開始慢慢將晶體向上提升並且逐漸增大拉速，上升同時以一定速度繞提升軸旋轉，以便將矽錠控制在所需直徑內。

結束時，只要提升單晶矽爐溫度，矽錠就會自動形成一個錐形尾部，製備就完成了，一次性產出的IC晶片更多。

製備好的單晶矽錠直徑約在300mm左右，重約100kg。

而目前全球範圍內都在生產直徑12寸的矽圓片，矽圓片尺寸越大，效益越高。

4.矽錠切片

將製備好的單晶矽錠一頭一尾切削掉，並且對其直徑修整至目標直徑，同時使用金剛石鋸把矽錠切割成一片片厚薄均勻的晶圓（1mm）。

有時候為了定出矽圓片的晶體學取向，並適應IC製作過程中的裝卸需要，會在矽錠邊緣切割出「取向平面」或「缺口」標記。

5.研磨矽圓片

切割後的晶圓其表面依然是不光滑的，需要經過仔細的研磨，減少切割時造成的表面凹凸不平，期間會用到特殊的化學液體清洗晶圓表面，最後進行拋光研磨處理，還可以在進行熱處理，在矽圓片表面成為「無缺陷層」。

一塊塊亮晶晶的矽圓片就這樣被製作出來，裝入特製固定盒中密封包裝。

製作完成的矽圓片

通常半導體IC廠商是不會自行生產這種晶圓，通常都是直接從矽圓片廠中直接採購回來進行後續生產。

前工程——製作帶有電路的晶片

6.塗抹光刻膠

買回來的矽圓片經過檢查無破損後即可投入生產線上，前期可能還有各種成膜工藝，然後就進入到塗抹光刻膠環節。

微影光刻工藝是一種圖形影印技術，也是集成電路製造工藝中一項關鍵工藝。

首先將光刻膠（感光性樹脂）滴在矽晶圓片上，通過高速旋轉均勻塗抹成光刻膠薄膜，並施加以適當的溫度固化光刻膠薄膜。

光刻膠是一種對光線、溫度、濕度十分敏感的材料，可以在光照後發生化學性質的改變，這是整個工藝的基礎。

7.紫外線曝光

就單項技術工藝來說，光刻工藝環節是最為複雜的，成本最為高昂的。

因為光刻模板、透鏡、光源共同決定了「印」在光刻膠上電晶體的尺寸大小。

將塗好光刻膠的晶圓放入步進重複曝光機的曝光裝置中進行掩模圖形的「複製」。

掩模中有預先設計好的電路圖案，紫外線透過掩模經過特製透鏡折射後，在光刻膠層上形成掩模中的電路圖案。

一般來說在晶圓上得到的電路圖案是掩模上的圖案1/10、1/5、1/4，因此步進重複曝光機也稱為「縮小投影曝光裝置」。

一般來說，決定步進重複曝光機性能有兩大要素：一個是光的波長，另一個是透鏡的數值孔徑。

如果想要縮小晶圓上的電晶體尺寸，就需要尋找能合理使用的波長更短的光（EUV，極紫外線）和數值孔徑更大的透鏡(受透鏡材質影響，有極限值）。

目前最先進的ASML公司 TWINSCAN NXE:3300B

8.溶解部分光刻膠

對曝光後的晶圓進行顯影處理。

以正光刻膠為例，噴射強鹼性顯影液後，經紫外光照射的光刻膠會發生化學反應，在鹼溶液作用下發生化學反應，溶解於顯影液中，而未被照射到的光刻膠圖形則會完整保留。

顯影完畢後，要對晶圓表面的進行沖洗，送入烘箱進行熱處理，蒸發水分以及固化光刻膠。

9.蝕刻

將晶圓浸入內含蝕刻藥劑的特製刻蝕槽內，可以溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護著不需要蝕刻的部分。

期間施加超聲振動，加速去除晶圓表面附著的雜質，防止刻蝕產物在晶圓表面停留造成刻蝕不均勻。

10.清除光刻膠

通過氧等離子體對光刻膠進行灰化處理，去除所有光刻膠。

此時就可以完成第一層設計好的電路圖案。

11.重複第6-8步

由於現在的電晶體已經3D FinFET設計，不可能一次性就能製作出所需的圖形，需要重複第6-8步進行處理，中間還會有各種成膜工藝（絕緣膜、金屬膜）參與到其中，以獲得最終的3D電晶體。

12.離子注入

在特定的區域，有意識地導入特定雜質的過程稱為「雜質擴散」。

通過雜質擴散可以控制導電類型（P結、N結）之外，還可以用來控制雜質濃度以及分布。

現在一般採用離子注入法進行雜質擴散，在離子注入機中，將需要摻雜的導電性雜質導入電弧室，通過放電使其離子化，經過電場加速後，將數十到數千keV能量的離子束由晶圓表面注入。

離子注入完畢後的晶圓還需要經過熱處理，一方面利用熱擴散原理進一步將雜質「壓入」矽中，另一方面恢復晶格完整性，活化雜質電氣特性。

離子注入法具有加工溫度低，可均勻、大面積注入雜質，易於控制等優點，因此成為超大規模集成電路中不可缺少的工藝。

10.再次清除光刻膠

完成離子注入後，可以清除掉選擇性摻雜殘留下來的光刻膠掩模。

此時，單晶矽內部一小部分矽原子已經被替換成「雜質」元素，從而產生可自由電子或空穴。

左：矽原子結構；中：摻雜砷，多出自由電子；右：摻雜硼，形成電子空穴

11.絕緣層處理

此時電晶體雛形已經基本完成，利用氣相沉積法，在矽晶圓表面全面地沉積一層氧化矽膜，形成絕緣層。

同樣利用光刻掩模技術在層間絕緣膜上開孔，以便引出導體電極。

12.沉澱銅層

利用濺射沉積法，在晶圓整個表面上沉積布線用的銅層，繼續使用光刻掩模技術對銅層進行雕刻，形成場效應管的源極、漏極、柵極。

最後在整個晶圓表面沉積一層絕緣層以保護電晶體。

13.構建電晶體之間連接電路

經過漫長的工藝，數以十億計的電晶體已經製作完成。

剩下的就是如何將這些電晶體連接起來的問題了。

同樣是先形成一層銅層，然後光刻掩模、蝕刻開孔等精細操作，再沉積下一層銅層。

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這樣的工序反覆進行多次，這要視乎晶片的電晶體規模、複製程度而定。

最終形成極其複雜的多層連接電路網絡。

由於現在IC包含各種精細化的元件以及龐大的互聯電路，結構非常複雜，實際電路層數已經高達30層，表面各種凹凸不平越來越多，高低差異很大，因此開發出CMP化學機械拋光技術。

每完成一層電路就進行CMP磨平。

另外為了順利完成多層Cu立體化布線，開發出大馬士革法新的布線方式，鍍上阻擋金屬層後，整體濺鍍Cu膜，再利用CMP將布線之外的Cu和阻擋金屬層去除乾淨，形成所需布線。

大馬士革法多層布線

晶片電路到此已經基本完成，其中經歷幾百道不同工藝加工，而且全部都是基於精細化操作，任何一個地方出錯都會導致整片晶圓報廢，在100多平方毫米的晶圓上製造出數十億個電晶體，是人類有文明以來的所有智慧的結晶。

後工程——從劃片到成品銷售

14. 晶圓級測試

前工程與後工程之間，夾著一個Good-Chip/Wafer檢測工程，簡稱G/W檢測。

目的在於檢測每一塊晶圓上製造的一個個晶片是否合格。

通常會使用探針與IC的電極焊盤接觸進行檢測，傳輸預先編訂的輸入信號，檢測IC輸出端的信號是否正常，以此確認晶片是否合格。

由於目前IC製造廣泛採用冗餘度設計，即便是「不合格」晶片，也可以採用冗餘單元置換成合格品，只需要使用雷射切斷預先設計好的熔斷器即可。

當然，晶片有著無法挽回的嚴重問題，將會被標記上丟棄標籤。

15.晶圓切片、外觀檢查

IC內核在晶圓上製作完成並通過檢測後後，就進入了劃片階段。

劃片使用的劃刀是粘附有金剛石顆粒的極薄的圓片刀，其厚度僅為人類頭髮的1/3。

將晶圓上的每一個IC晶片切划下來，形成一個內核Die。

裂片完成後還會對晶片進行外觀檢查，一旦有破損和傷痕就會拋棄，前期G/W檢查時發現的瑕疵品也將一併去除。

未裂片的一個個CPU內核

16.裝片

晶片進行檢測完成後只能算是一個半成品，因為不能被消費者直接使用。

還需要經過裝片作業，將內核裝配固定到基片電路上。

裝片作業全程由於計算機控制的自動固晶機進行精細化操作。

17.封裝

裝片作業僅僅是完成了晶片的固定，還未實現電氣的連接，因此還需要與封裝基板上的觸點結合。

現在通常使用倒裝片形式，即有觸點的正面朝下，並預先用焊料形成凸點，使得凸點與相應的焊盤對準，通過熱回流焊或超聲壓焊進行連接。

封裝也可以說是指安裝半導體集成電路晶片用的外殼，它不僅起著安放、固定、密封、保護晶片，還可以增強導熱性能的作用。

目前像Intel近些年都採用LGA封裝，在核心與封裝基板上的觸點連接後，在核心塗抹散熱矽脂或者填充釺焊材料，最後封裝上金屬外殼，增大核心散熱面積，保護晶片免受散熱器直接擠壓。

至此，一顆完整的CPU處理器就誕生了。

18.等級測試

CPU製造完成後，還會進行一次全面的測試。

測試出每一顆晶片的穩定頻率、功耗、發熱，如果發現晶片內部有硬體性缺陷，將會做硬體屏蔽措施，因此劃分出不同等級類型CPU，例如Core i7、i5、i3。

19.裝箱零售

CPU完成最終的等級劃測試後，就會分箱進行包裝，進入OEM、零售等渠道。

現在進入了科技時代，極度依賴計算機科學與技術，其中的CPU又是各種計算機必不可少重要部件。

暫且不論架構上的設計，僅僅在CPU的製作上就凝聚了全人類的智慧，基本上當今世界上最先進的工藝、生產技術、尖端機械全部都投入到了該產業中。

因此半導體產業集知識密集型、資本密集型於一身的高端工業。

一條完整而最先進CPU生產線投資起碼要數十億人民幣，而且其中占大頭的是前工程裡面的光刻機、掩膜板、成膜機器、擴散設備，占到總投資的70%，這些都是世界上最精密的儀器，每一台都價值不菲。

作為參照，CPU工廠建設、輔助設備、超凈間建設費用才占到20%。

不知道大家看到這裡，覺得最低幾百塊就可以買到一顆匯聚人類智慧結晶的CPU，還值不值呢？

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