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CPU是怎样“炼”成的?

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小执念 古黑浩劫论坛大牛 2015-12-4 07:20 |显示全部楼层

可遇不可求的事:故乡的云,上古的玉,随手的诗,十九岁的你。

管理员 五周年纪念
      计算机芯片技术已经应用于生活中的方方面面,如传呼机、手机、计算机等。根据经验我们可以得出这样一个基本规则:如果一种设备使用电能,并且可以通过对其编程或定制来告诉它做什么,那么它的内部就一定带有一块芯片。7 @' y. Y3 ?; u

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" l7 M+ E8 i, S1 ~      芯片经过设计可以完成各种各样的任务,这就意味着有些芯片比其他芯片更为复杂。其中最精密复杂的芯片就是中央处理器(CPU),它所集成的晶体管每秒可以执行上亿条指令。
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      CPU 主宰整个 PC 市场的进化,从诞生之日起,也不过三十年时间。那么你想不想知道 CPU 是如何制作出来的呢?事实上,它需要在世界上最清洁的环境中历经数百个工艺过程方可制成。以下我们用 Intel 公司为例子,告诉大家 CPU 是怎样“炼”成的。
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0 b, q2 m! Y/ [# K( `, I: V      一、准备原料和工具
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      1 . 硅锭:电脑的 CPU (中央处理器),即硅芯片是由地球上最普遍的元素硅制作出来的。如同钢和煤是过去的强盛之源,砂子已经成为未来时代的基础。在对地球上呈矿石形态的砂子进行极不寻常的加工、转变后,这种简单的元素最终变成用来制作集成电路微芯片的硅晶片。国外有几家公司专长于 处理石英砂,将其转变成高纯度的硅。% Y$ i. y6 t5 h. M$ |% K* }$ d- H

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7 ^, \% ]6 q+ m       用电弧炉冶炼石英砂将其转变成冶金等级硅。通过一步一步去除杂质的处理工艺过程,硅将经历液态、蒸馏, 最终再沉积成为半导体等级的硅棒,其中硅的纯度达到 99.999999%。随后,这些硅棒被机械粉碎成块并装入石英炉中加热熔化至 1420 摄氏度。- N* Q3 d- J  y
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      将一个单晶籽晶(种子)导入熔化过程中,随着籽晶转动,晶体渐渐生长出来,这就是化学中的结晶。几天之后,慢慢将单晶提取出来,结果得到一根长 152.4 厘米、重 120 千克的硅棒,也称为硅锭。随后硅锭被金刚石锯床切成薄薄的圆晶片。这些薄片再经过洗涤、抛光、清洁和接受人眼检测与 机器检测;最后通过激光扫描排除含有小于人的头发丝宽度的 1/300 的表面有缺陷及含有杂质的不合格品,将合格的晶圆片交付给芯片生产厂商。WACKER SILTRONIC 公司每周生产大约 300 根硅棒,足够供生产 50 多万片晶圆片之需用。
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: @. L' ^5 U, P# g2 v      以下这些是用于制造中央处理器的一部分原料和工具。
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      2. 晶圆:从纯净硅锭上切割下来的纯净晶圆,用于制造中央处理器。硅是海滩上砂子的主要成分,同时也是电的半导体。半导体是指既能变成导体又能变成绝缘体的物质。9 Z: [0 {* j" g

" t, j. K9 r6 \$ L' X      3. 金属:诸如铝和铜,用于在中央处理器中传导电流。此外,还使用了金来连接实际芯片及其封装。0 i7 o" Y, |+ Z; G* Y* X, k  r

6 o& t7 D* Z; @- \7 t* y      4. 掩模:在芯片制造过程中使用的掩模就像是模板。在紫外光的照射下,掩模会在中央处理器的 每一层制出各种各样的电路图案。举个例子,夏天你穿短袖在阳光下曝晒一会儿,没被短袖遮住的皮肤颜色会变深,短袖遮住的地方皮肤颜色不变,那么短袖衣服就是掩模。$ |1 T9 H& c: ^' C: W) _

0 A3 W5 h( L" Y% r* v, ~2 Z5 c      5. 紫外光:紫外光的波长非常短,处于可见光谱中的紫色光边缘之外。紫外光被用于曝光中央处理器各层上的电路图案,这一工艺非常类似于照相。
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      6.化学药品和气体:在芯片制造的整个过程中都会用到某些药品,例如六甲基二硅氮烷、硼、光刻胶等。5 g# e  z& h; J8 ]* C  x1 G2 [5 [9 f

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      二、初步处理
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! Y- X: y: T0 D& e( j      通过使用各种化学药品、气体和光等加工方式,中央处理器将在晶圆上被一层一层制造出来。尽管在一个晶圆上会制造出多个中央处理器,但我的演示将只向你展现一个中央处理器的制造过程。
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      在晶圆上,第一层二氧化硅是通过将其暴露于极高的温度和气体中而生成。这种生成过程与将金属置于水中时生锈的过程非常相似。然而,在晶圆表面的二氧化硅生成得更快,只是它太薄以至于肉眼无法看到。然后晶圆被涂上一层称为光刻胶的物质。当光刻胶被紫外光照到时,就会变得可溶。
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      二氧化硅是在芯片制造过程中在晶圆上产生,充当绝缘层。光刻胶是当暴露在紫外光下时可溶解的一种物质,用于在芯片制造过程中帮助形成电路图案。
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0 B$ e, ?) g  ]      三、分层过程
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      在一种被称为光刻蚀的工艺中,紫外光穿过一个带有图案的掩模或模板,照射到晶圆上。掩模保护晶圆的一部分免受紫外光照射,紫外光将暴露的区域变成光刻胶的粘层,中央处理器上的每一层分别使用带有不同图案的掩模。
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      光蚀刻是使用紫外光和模板或掩模以照相工艺转移图像,把芯片的电路图案复制到晶圆表面的方法。$ m/ O) E% u3 K7 d, c3 j

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+ g) J; T9 s7 f( m8 j) L# f      四、蚀刻过程. d( K' a! J- K* U- H( M
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      蚀刻就是有选择地去除材料的某些部分来形成芯片上各层的电路图案。 稠的光刻胶完全被溶剂溶解,这样便露出由二氧化硅上的掩模形成的光刻胶的图案,露出的二氧化硅是通过化学药品蚀刻掉的。这与在玻璃上腐蚀出图案的方法完全一样,只是更精细。8 M5 p# J4 D" H8 E1 [- c
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      五、制作其他层的过程3 s' {' B5 N& z( r7 m
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      去除剩下的光刻胶,这一工艺会在晶圆基底上留下凸出的二氧化硅。为了制作其他层,在晶圆基底的凸起和蚀刻区域将生成第二个更薄的二氧化硅层。然后,加上另一层多晶硅和另一层光刻胶。紫外光穿过第二个掩模,在光刻胶上曝光新的图案。用溶剂溶解光刻胶以露出多晶硅和二氧化硅,然后将露出部分用化学药品蚀刻掉。去除剩下的光刻胶,剩下凸出的多晶硅和二氧化硅。$ J. k8 Q6 M5 R" K

8 Z' |2 i5 }  B7 Z+ a$ J" O     六、掺杂过程
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# H3 G+ ~3 H; {; |      通过一种称为掺杂(也称离子植入)的工艺,晶圆的暴露区域被各种不同化学杂质(称为离子)所轰击。离子被植入到晶圆中,以改变硅在这些区域传导电流的方式。
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      离子是产生净电荷的原子或分子。在半导体制造中,离子是改变硅的导电性能的化学杂质的来源。
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      七、层的叠加过程
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( I' R, f! S! q3 J& J2 }      重复分层和掩蔽工艺,并创建窗口以便在层与层之间建立连接。金属原子会在晶圆上沉积,充满窗口。然后进行其他的掩蔽和蚀刻过程,使金属只剩下条状部分以完成电气连接。现在连接的金属主要是铝,称为铝互连工艺,随着工艺的提升,半导体厂家正在向铜互连工艺迈进。芯片的总体连接会有大约 20 层,在一个三维结构内形成中央处理器的电路。一个晶圆上的具体层数取决于中央处理器的设计。
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      八、切割处理器过程
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3 q# l- ~2 G& t* ]7 U. s# ^/ q- X% t! a      晶圆上所有中央处理器的细微电路都必须经过测试。然后,使用金刚石切割机将晶圆切开,形成单个的中央处理器。. w& H1 e. V1 O6 v

* R4 e' b6 J! T6 \* Y+ r' g      九、封装过程
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5 R- E7 O5 v0 a  [5 |      每一枚中央处理器都将被置入一个保护封装之内。通过封装,中央处理器可以与其他设备相连接。封装的形式取决于中央处理器的类型及其应用领域。每一枚封装后的中央处理器都要经过若干次严格测试,这是芯片制造过程中的最后一个步骤。到目前为止,我们仅仅讲解了制作中央处理器的主要部分。事实上,制造中央处理器远远比我们的演示复杂,它需要 250 多个步骤。9 |6 t6 H8 M: t* y4 Y3 `, c" w

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      中央处理器的电路究竟有多微小

) ], C! i% o6 C, F      你可以想象一下,一块足以在一座大城市内引起交通堵塞的巨石是多么庞大?如果这样一块巨石落在纽约的时代广场上,会堵塞周围许多街道,而且,最终将波及相邻街区,造成交通瘫痪。中央处理器中的一粒尘埃就像这块巨石。只要一粒尘埃就会阻断芯片的通路,最终导致芯片报废。
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制造中央处理器的环境究竟有多清洁
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      制造中央处理器要求制造人员与其工作的环境一样清洁。这是因为一枚处理器仅有一角硬币那么大,却包含了几亿个晶体管。最微小的尘埃对于芯片来说,也好像是庞大的哥斯拉怪兽与小小的人类一样,可能会毁坏成千上万个晶体管。
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      制造中央处理器的超洁环境被称为清洁室。一类清洁室是清洁等级最高的房间,每立方英尺的尘埃不得超过一粒。每立方英尺内只有一粒尘埃的房间该有多清洁?比你的卧室清洁吗?当然!清洁室比医院的手术室清洁 10000 倍。达到和保持这样的清洁程度需要大量惊人的技术。
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      庞大的过滤系统可以使室内的空气每分钟内完全更换大约十次,从而减少了依靠空气传播可能损害芯片的尘埃存在机会。 但是,保持清洁的环境仅仅是一部分工作。在清洁室中工作的人又该如何保持清洁呢?所有在清洁室中工作的人都必须穿戴着一种被称作连体工作服的特殊制服,以保护芯片免受皮屑、头发之类人体微粒的损害。
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. E! G  A/ h3 l9 H( r: M: a7 l5 N# T      连体工作服是用一种独特的不磨损、防静电织物制成的,而且比一般的日常服装要耐磨得 多。穿戴工作服这件事本身已经是一个相当复杂的过程,更不必说每次进入、离开清洁室所必须重复的步骤。如果你以前没有穿过连体工作服,那么可能会需要三十到四十分钟才能穿戴完毕。英特尔工作人员可以在短短的五分钟之内完成一切准备工作。9 ]' H; ]1 V9 ?; X8 Q$ _. h7 t: E
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巴黎环抱的花海 「龙战于野」 2018-4-30 21:34 来自手机 |显示全部楼层

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苍天之下,厚土之上,竟有如此奇人异士、文人墨客!讥讽于谈笑间,笑骂于无形中,层次之高,境界之深,非我等所能匹及,偶像啊!!!仿高人此文,照作一篇,以表仰慕之情。。。
故事,还未完、 「锋芒初露」 2018-5-18 17:51 来自手机 |显示全部楼层

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希望你们能用功读书,不要像我只能靠脸混吃混喝。#t201:
LonelyGorge 「初入古黑」 2019-3-11 16:36 |显示全部楼层

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楼主你到底是干啥的,什么都懂
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