2008年4月23日 星期三

CPU製造過程概述

告訴你中央處理器是怎樣「煉」成的---中央處理器製造過程概述

一.準備原料和工具
1.硅錠: 電腦中的CPU(中央處理器)---即硅芯片,是由地球上最普遍的元素「硅」製作出來的。
如同鋼鐵和煤炭是過去的強盛資源,砂子已經成為未來時代的基礎。在對地球上呈現礦石形態的砂子進行極不尋常的加工,轉變後,這種簡單的元素最終變成用來製作集
成電路微芯片的硅晶片。用電弧爐冶煉石英砂將其轉變成冶金等級硅。通過一步一步去除雜質的處理工藝過程,硅將經歷液態,蒸餾,最終再沉積成為半導體等級硅棒,其中硅的純度達到99.999999%。隨後,這些硅棒被機械粉碎成塊並裝入石英坩鍋爐中加熱熔化至1420攝氏度。

將一個單晶籽晶(種子)導入熔化過程中,隨著籽晶轉動,晶體漸漸生長出來,這就是化學中的結晶。幾天之後,慢慢將單晶提取出來,結果得到一根長152.4厘米,重120
千克的硅棒,也稱為硅錠。隨後硅錠被金剛石鋸床切成薄薄的圓晶片。這些薄片再經過洗滌,拋光,清潔和接受人眼檢測與機器檢測,最後通過激光掃瞄排除含有小於人的頭髮絲寬度的1/300的表面有缺陷及含有雜質的不合格品,將合格的晶圓片交付給芯片生產廠商。

2.晶圓: 從純淨硅錠上切割下來的純淨晶圓,用於製造中央處理器。硅是海灘上砂子的主要成份,同時也是電的半導體。半導體是指既能變成導體又能變成絕緣體的物質。

3.金屬: 諸如鋁和銅,用於在中央處理器中傳導電流。此外,還使用了金來連接實際芯片及其封裝。

4.掩模: 在芯片製造過程中使用的掩模就像是模板。在紫外光的照射下,掩模會在中央處理器的每一層製出各種各樣的電路圖案。

5.紫外光: 紫外光的波長非常短,處於可見光譜中的紫色光邊緣之外。紫外光用於曝光中央處理器各層上的電路圖案,這一工藝非常類似於照相。

6.化學藥品和氣體: 在芯片製造的整個過程中都會用到某些藥品,例如六甲基二硅氮烷,硼等。

二.初步處理
通過使用各種化學藥品,氣體和光等加工方式,中央處理器將在晶圓上被一層一層製造出來。在晶圓上,第一層二氧化硅是通過將其暴露於極高的溫度和氣體中而生成。
這種生成過程與將金屬置於水中時生銹的過程非常相似。然而,在晶圓表面的二氧化硅生成得更快,只是它太薄以至於肉眼無法看到。然後晶圓被塗上一層稱為光刻膠的物質。當光刻膠被紫外光照到時,就會變得可溶。二氧化硅是在芯片製造過程中在晶圓上產生,充當絕緣層。光刻膠是當暴露在紫外光下時可溶解的一種物質,用於在芯片製造過程中幫助形成電路圖案。

三.分層過程
在一種被稱為光蝕刻的工藝中,紫外光穿過一個帶有圖案的掩模或模板,照射在晶圓上。掩模保護晶圓的一部分免受紫外光的照射,紫外光將暴露的區域變成光刻膠的黏
層,中央處理器上的每一層分別使用帶有不同圖案的掩模。

四.蝕刻過程
蝕刻就是有選擇地去除材料的某些部分來形成芯片上各層的電路圖案。黏稠的光刻膠完全被溶劑溶解,這樣便露出由二氧化硅上的掩模形成的光刻膠的圖案,露出的二氧
化硅是通過化學藥品蝕刻掉的。這與在玻璃上腐蝕出圖案的方法完全一樣,只是更精細罷了。

五.製作其它層的過程
去除剩下的光刻膠,這一工藝會在晶圓基底上留下凸出的二氧化硅。為了製作其它層,在晶圓基底的凸起和蝕刻區域將生成第二個更薄的二氧化硅層。然後,加上另一層多晶硅和另一層光刻膠。紫外光穿過第二個掩模,在光刻膠上曝光新的圖案。用溶劑溶解光刻膠以露出多晶硅和二氧化硅,然後將露出部分用化學藥劑蝕刻掉。去除剩下的光刻膠,剩下凸出的多晶硅和二氧化硅。

六.摻雜過程
通過一種稱為摻雜(也稱離子植入)的工藝,晶圓的暴露區域被各種不同化學雜質(稱為離子)所轟擊。離子被植入到晶圓中,以改變硅在這些區域傳導電流的方式。離子是產生淨電荷的原子或分子。在半導體製造中,離子是改變硅的導電性能的化學雜質的來源。

七.層的疊加過程
重複分層和掩蔽工藝,並創建窗口以便在層與層之間建立連接。金屬原子會在晶圓上沉積,充滿窗口。然後進行其它的掩蔽和蝕刻過程,使金屬只剩下條狀部分以完成電
氣連接。芯片的總體連接會有大約20層,在一個三維結構內形成中央處理器的電路。一個晶圓上的具體層數取決於中央處理器的設計。

八.切割處理器過程
晶圓上所有中央處理器的細微電路都必須經過測試。然後,使用金剛石切割機將晶圓切開,形成單個的中央處理器。

九.封裝過程
每一顆中央處理器都將置入一個保護封裝之內。通過封裝,中央處理器可以與其他設備相連接。封裝的形式取決於中央處理器的類型及其應用領域。每一顆封裝後的中央
處理器都要經過若干次嚴格測試,這是芯片製造過程中的最後一個步驟。

1. 中央處理器的電路究竟有多微小?
你可以想像一下,一塊足以在一座大城市內引起交通堵塞的巨石是多麼龐大?如果這樣一塊巨石落在紐約的時代廣場上,會堵塞周圍許多街道,而且,最終將波及相鄰街
區,造成交通癱瘓。中央處理器中的一粒塵埃就像這塊巨石。只要一粒塵埃就會阻斷芯片的通路,最終導致芯片報廢。

2. 製造中央處理器的環境究竟有多清潔?
製造中央處理器要求製造人員與其工作的環境一樣清潔。這是因為一顆處理器僅有一枚硬幣那麼大,卻包含了數千萬甚至好幾億個晶體管。最微小的塵埃對於芯片來說,
就好像是龐大的哥斯拉怪獸與小小的人類一樣,可能會毀壞成千上萬個晶體管。製造中央處理器的超潔環境被稱為清潔室。一類清潔室是清潔等級最高的房間,每立方英尺的塵埃不得超過一粒。每立方英尺內只有一粒塵埃的房間該有多清潔?比你臥室清潔嗎?當然!清潔室比醫院的手術室清潔10000倍。達到和保持這樣的清潔程度需要大量驚人的技術。龐大的過濾系統可以使室內空氣每分鐘內完全更換十次,從而減少了依靠空氣傳播可能損害芯片的塵埃存在機會。所有在清潔室中工作的人都必須穿戴著一種被稱為連體工作服的特殊制服,以保護芯片免受皮屑,頭髮之類人體微粒的損害。連體工作服是用一種獨特的不磨損,防靜電織物製成的,比一般服裝耐磨得多。穿戴工作服這本身就是個相當複雜的過程,更不必說每次進入,離開清潔室所必須重複的步驟。

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