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CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的?

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小执念 古黑浩劫论坛大牛 2015-12-8 17:26 |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
  那个… 有不少示意图, 流量党酌情进{:6_165:}! _) t$ }2 [1 x7 V. ]/ h+ y6 j
0 l0 a! Z! z' d% O- b1 G0 h& |& W
  要想造个芯片, 首先, 你得画出来一个长这样的玩意儿给Foundry (外包的晶圆制造公司)(此处担心有版权问题… 就不放全电路图了… 大家看看就好, 望理解! )" k* f, y/ ^) Q% |, m7 C+ m5 S/ X. t
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CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? ac272f1777b4fad51efbae75faba09dd_b.jpg ) {$ U! q1 S. E2 v: B

2 j& w1 R. n- Q; W6 |再放大
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CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 9a48174395a716ff8f05f6e607853c0f_b.jpg
. T. a6 l! a2 V% x9 B/ f$ r7 |- ^; c4 R* N8 U( K, l9 N5 z
cool! 我们终于看到一个门电路啦! 这是一个NAND Gate(与非门), 大概是这样: : z3 m% x2 c3 g, c2 X$ R5 O9 e
: ~/ i/ C: q% R! N( {
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 6b7ee72c6c50b39aaf50c8e0e3bc55de_b.jpg
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* G2 c1 {- h' C& }0 N& X  A, B 是输入, Y是输出。其中蓝色的是金属1层, 绿色是金属2层,,紫色是金属3层,,粉色是金属4层... 2 q- r* q8 W+ _) k- _8 A

2 l: g, B4 ^: S  那晶体管(更正, 题主的"晶体管" 自199X年以后已经主要是 MOSFET, 即场效应管了 ) 呢?# @7 o0 w; u6 K7 o
0 y  b1 f$ u, U  O' k
  仔细看图, 看到里面那些白色的点吗? 那是衬底, 还有一些绿色的边框? 那些是Active Layer (也即掺杂层.)
: g1 o% R1 }, V2 S' B
+ c- W; c/ I6 v) j6 j  然后Foundry是怎么做的呢? 大体上分为以下几步:
, q: h% y; \8 w: Z* K
0 s5 Z: S+ r% \. ~2 [6 V  首先搞到一块圆圆的硅晶圆, (就是一大块晶体硅, 打磨的很光滑, 一般是圆的)
# j. A, W( X' Y& A3 d* J
# d$ f) }+ s$ q: o  此处重新排版, 图片按照生产步骤排列. 但是步骤总结单独写出。! `1 G! X; Z" p; A0 N
, w# P  N* r4 N- f" H, E
  1. 湿洗 (用各种试剂保持硅晶圆表面没有杂质)
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! z& [: V  H6 N# _0 ~, f$ T% A2 w' J  2. 光刻 (用紫外线透过蒙版照射硅晶圆, 被照到的地方就会容易被洗掉, 没被照到的地方就保持原样. 于是就可以在硅晶圆上面刻出想要的图案. 注意, 此时还没有加入杂质, 依然是一个硅晶圆. ) ) c* O& x4 ]' H, R3 M# B
2 e% v3 v/ f+ I! l9 A3 Y$ N  t
 3. 离子注入 (在硅晶圆不同的位置加入不同的杂质, 不同杂质根据浓度/位置的不同就组成了场效应管.)
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  4.1干蚀刻 (之前用光刻出来的形状有许多其实不是我们需要的,而是为了离子注入而蚀刻的. 现在就要用等离子体把他们洗掉, 或者是一些第一步光刻先不需要刻出来的结构, 这一步进行蚀刻). , R! \& K1 `8 \/ t. W4 j. O

$ M5 w9 q) u) N  4.2湿蚀刻 (进一步洗掉, 但是用的是试剂, 所以叫湿蚀刻).
- o2 ~  I  {8 l, ~
) H* Z7 B* Y, X+ S; A  以上步骤完成后, 场效应管就已经被做出来啦~ 但是以上步骤一般都不止做一次, 很可能需要反反复复的做, 以达到要求.
. [+ d( v" m" I& D% z) i
' W$ H: y- f3 N! ?+ W7 g8 T  5.等离子冲洗 (用较弱的等离子束轰击整个芯片)
, A* V1 [  g* a% ~. m+ _4 l! W) u# S% O# Q" u, {
  6 热处理, 其中又分为:
' b1 k( e/ C) w% Q5 ?" U, I9 ^/ S+ }3 d& J8 H. H
  6.1 快速热退火 (就是瞬间把整个片子通过大功率灯啥的照到1200摄氏度以上, 然后慢慢地冷却下来, 为了使得注入的离子能更好的被启动以及热氧化)
6 G+ h, Q  W7 s! H. h0 R; ]; B* [. h# i* s: Z7 w
  6.2 退火; y6 c# X6 R) N+ N7 c; w# ~9 D

# w+ a! j# E0 E6 t' b5 c  6.3 热氧化 (制造出二氧化硅, 也即场效应管的栅极(gate) )
4 a: {! s% b3 C5 S8 S5 r8 E; m: d& e# x# G# x' a, e
  7 化学气相淀积(CVD), 进一步精细处理表面的各种物质
/ ]" O- s! ~1 {7 `  q( h% C8 F3 B" a
  8 物理气相淀积 (PVD), 类似, 而且可以给敏感部件加coating
' `+ }" _7 H3 `. K- J( S
+ Y0 k6 j5 c& M" x  9 分子束外延 (MBE) 如果需要长单晶的话就需要这个..7 e6 O/ @; F* V+ q' r3 \' w. w
0 _0 x" i0 @. I2 f
  10 电镀处理5 _" y9 _- N2 v

1 S. D9 @! d7 z8 ~  11 化学/机械 表面处理  o! f) Y! t* V9 ~/ }/ d& Q
$ N' h( y9 u1 ^
  然后芯片就差不多了, 接下来还要:
" A8 _0 q: a4 P) D' h, i7 X# b2 I& C9 F* f+ ^7 l
   12 晶圆测试
# ^5 ~$ p+ P, q0 q8 }" U) B3 `7 m, W/ E- V3 V
  13 晶圆打磨就可以出厂封装了.我们来一步步看:
: a+ c$ m  ?+ ?
3 t6 z/ Y/ Z: C; G5 \
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1上面是氧化层, 下面是衬底(硅) -- 湿洗
5 N7 Q) M- R8 m) p- Z; H+ K; X# O
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2 一般来说, 先对整个衬底注入少量(10^10 ~ 10^13 / cm^3) 的P型物质(最外层少一个电子), 作为衬底 -- 离子注入

( I/ u% {2 ?  k* @; `  W6 e- a9 Y2 S- }; ?6 E
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3先加入Photo-resist, 保护住不想被蚀刻的地方 -- 光刻
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* D, H. I3 N+ I) C1 B* D
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4.上掩膜! (就是那个标注Cr的地方. 中间空的表示没有遮盖, 黑的表示遮住了.) -- 光刻
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5 Z$ e( j2 s" U  m6 [7 n8 l6 Z0 N; U7 b# v& Z1 X6 U1 O1 a/ ]. {+ s& c
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5 紫外线照上去... 下面被照得那一块就被反应了 -- 光刻

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6.撤去掩膜. -- 光刻
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7 把暴露出来的氧化层洗掉, 露出硅层(就可以注入离子了) -- 光刻

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8 把保护层撤去. 这样就得到了一个准备注入的硅片. 这一步会反复在硅片上进行(几十次甚至上百次).  -- 光刻
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9 然后光刻完毕后, 往里面狠狠地插入一块少量(10^14 ~ 10^16 /cm^3) 注入的N型物质就做成了一个N-well (N-井) -- 离子注入

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10 用干蚀刻把需要P-well的地方也蚀刻出来. 也可以再次使用光刻刻出来. -- 干蚀刻

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11 上图将P-型半导体上部再次氧化出一层薄薄的二氧化硅. -- 热处理

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12 用分子束外延处理长出的一层多晶硅, 该层可导电 -- 分子束外延

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13 进一步的蚀刻, 做出精细的结构. (在退火以及部分CVD) -- 重复3-8光刻 + 湿蚀刻

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14 再次狠狠地插入大量(10^18 ~ 10^20 / cm^3) 注入的P/N型物质, 此时注意MOSFET已经基本成型. -- 离子注入
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15 用气相积淀 形成的氮化物层 -- 化学气相积淀
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16 将氮化物蚀刻出沟道 -- 光刻 + 湿蚀刻
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17 物理气相积淀长出 金属层  -- 物理气相积淀
8 [# X* N, ~7 M1 b! J: r
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18 将多余金属层蚀刻. 光刻 + 湿蚀刻

9 x! Q9 ~5 _- H4 I% k  重复 17-18 长出每个金属层* u7 W6 O- x. `7 ]" o; H- N
& k9 I+ v7 @! s3 d( l, v* c
  哦对了... 最开始那个芯片, 大小大约是1.5mm x 0.8mm
9 X) S. @! W; H5 U. t
. a/ A; F  Z+ Q: _9 r( b  ~~ 找到一本关于光刻的书, 更新一下, 书名: << IC Fabrication Technology >> By BOSE
- I' ?5 Z4 J" M9 i9 b& v) }5 W+ Q  p
7 |2 t" p2 Y4 m- _  细说一下光刻: 小于头发丝直径的操作会很困难, 所以光刻(比如说100nm)是怎么做的呢? 比如说我们要做一个100nm的门电路(90nm technology), 那么实际上是这样的:
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/ m% r8 L2 d0 x) f2 N! t' R
这层掩膜是第一层, 大概是10倍左右的Die Size
) {6 p. L0 d+ p6 L
  有两种方法制作: Emulsion Mask 和 Metal Mask
4 f- B- H/ s6 ?$ M( v: k1 N: k
  Emulsion Mask:
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8 J4 h" U. P8 X
这货分辨率可以达到 2000line / mm (其实挺差劲的... 所以sub-micron ,也即um级别以下的 VLSI不用... )

7 A6 d! }# W0 O% Z
  制作方法: 首先: 需要在Rubylith (不会翻译...) 上面刻出一个比想要的掩膜大个20倍的形状 (大概是真正制作尺寸的200倍), 这个形状就可以用激光什么的刻出来, 只需要微米级别的刻度.
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- c! A  a) m  n* k
然后:
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5 I/ I: T* b) q3 e  e7 U  y. F7 @1 M
给!它!照!相! , 相片就是Emulsion Mask!

0 [( v1 u9 H1 _& A
  如果要拍的"照片"太大, 也有分区域照的方法.
. G3 n+ e7 h5 @  h% J
  Metal Mask:
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( @/ N5 N: d0 g0 Y
  制作过程:

& v$ j8 q" t- H
  1. 先做一个Emulsion Mask, 然后用Emulsion Mask以及我之前提到的17-18步做Metal Mask! 瞬间有种Recursion的感觉有木有!!!
' q8 l7 T8 c4 I7 Z: W  J" z
  2. Electron beam: 大概长这样
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? ffdd8b686a528ea50688087482bb69d2_b.jpg

: D$ h4 N1 u* C/ d
  制作的时候移动的是底下那层. 电子束不移动. 就像打印机一样把底下打一遍.

1 O4 K1 R; f8 Q$ L: V
  好处是精度特别高, 目前大多数高精度的(<100nm技术)都用这个掩膜. 坏处是太慢...
0 J( H3 m3 i9 ?6 R5 |2 q
  做好掩膜后:  
  Feature Size = k*lamda / NAk

3 ^% Y! R( j) B/ o7 }9 ]& ]. S
  一般是0.4, 跟制作过程有关; lamda是所用光的波长; NA是从芯片看上去, 放大镜的倍率. 以目前的技术水平, 这个公式已经变了, 因为随着Feature Size减小, 透镜的厚度也是一个问题了。

9 \6 E6 }* N- ~/ e4 j
  Feature Size = k * lamda / NA^2

; m; |5 i, P* \5 ]* v8 z
  恩.. 所以其实掩膜可以做的比芯片大一些. 至于具体制作方法, 一般是用高精度计算机探针 + 激光直接刻板. Photomask(掩膜) 的材料选择一般也比硅晶片更加灵活, 可以采用很容易被激光汽化的材料进行制作.

. n2 [9 V7 P! D% m% l+ E
  浸没式光刻

/ i3 h4 |0 y5 G* }
  这个光刻的方法绝壁是个黑科技一般的点! 直接把Lamda缩小了一个量级, With no extra cost! 你们说吼不吼啊! Food for Thought: Wikipedia上面关于掩膜的版面给出了这样一幅图, 假设用这样的掩膜最后做出来会是什么形状呢?

" P7 W6 c; [" T7 c# r% J( j
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 8cab30f98037c9a7d9b2174e2487c3c4_b.jpg
于是还没有人理Food for thought...

2 K. w3 U. N! v9 L6 X) Y; Z
  大部分附图, 来自AnandTech | An Introduction to Semiconductor Physics, Technology, and Industry , 附图的步骤在每幅图的下面标注, 一共18步. 如有错误欢迎指教!

/ S3 S$ c0 `" M  k  s. I
  最终成型大概长这样:
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? ae9a992cbd18453fbffff2c2868d221e_b.jpg

/ S  o' @; h: G5 ^0 Q6 ?
  其中, 步骤1-15 属于 前端处理 (FEOL), 也即如何做出场效应管
$ i3 f% B) @7 x, W
  步骤16-18 (加上许许多多的重复) 属于后端处理 (BEOL) , 后端处理主要是用来布线. 最开始那个大芯片里面能看到的基本都是布线! 一般一个高度集中的芯片上几乎看不见底层的硅片, 都会被布线遮挡住.

4 e6 ^( K" s+ H9 U0 S
  版权归原网站 (ANAND TECH) 以及原作者所有, 仅供示意参考
: `1 T9 t( Z! b% i' z
  SOI (Silicon-on-Insulator) 技术: 传统CMOS技术的缺陷在于: 衬底的厚度会影响片上的寄生电容, 间接导致芯片的性能下降. SOI技术主要是将源极/漏极和硅片衬底分开, 以达到(部分)消除寄生电容的目的.
$ l3 G- y8 ?# w) m
  传统:
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6 C" D: J& o, Q* k& {
  SOl:
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 617cbf009bc0ac396a4e0e19e8d245d2_b.jpg
4 U' r: B8 J, x# P
3 a1 l& D9 e1 N4 |
  制作方法主要有以下几种(主要在于制作硅-二氧化硅-硅的结构, 之后的步骤跟传统工艺基本一致.)

/ `) W: B  Q' U" u
  1. 高温氧化退火:
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6 ?- p5 u3 O. z: A! `
  在硅表面离子注入一层氧离子层
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等氧离子渗入硅层, 形成富氧层
& x( O; D8 s8 D7 k
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高温退火

5 Z4 c" Y$ }! L& T5 \! Z. c. t
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成型.
3 v, u4 n! t: P& ]& b' J9 i

0 W+ m7 A1 S! {+ k
  或者是2. Wafer Bonding(用两块! )不是要做夹心饼干一样的结构吗? 爷不差钱! 来两块!

0 ?) N/ s, X0 H, r CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? c5b0059137c9534b9c1142c424127678_b.jpg
# O& `4 }6 [! f2 f; Y3 ~. U% Z
来两块!
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对硅2进行表面氧化
- T7 H( D# q) w  W3 d( \' g8 E

+ I! @- j- p+ ^  d% D CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 46694b59fa4883cc1bd245a2f10162ac_b.jpg
  对硅2进行氢离子注入

7 S9 ^* A7 k1 ]& L+ x# v  w8 K
3 X' \1 r5 ]! ?3 _' N- S
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翻面

( o3 D# E" W$ Z6 ^/ z" S: \2 j8 H
+ o/ d- l. E$ A- m
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将氢离子层处理成气泡层将氢离子层处理成气泡层
+ t7 D/ Z$ D! ?! I# g, f/ n

0 F: c* l* ]; T2 {9 {
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切割掉多余部分

2 @7 t& `* S2 a
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成型! + 再利用成型! + 再利用) b7 f' V( Y7 G3 Q- h" [2 Y/ O
8 g( Q7 u/ x8 l2 h8 n! H9 h
1 E0 ~2 i6 |* ~: p

; T6 m$ n) ?$ U0 U) I  \' g# j2 n
  (原谅我直接视频截图了, 3D图 Visio真心画不出啊!!!)

  ~; v$ h# N$ m# p: C  }
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 06b9575792e3a1920410b2db6be09675_b.jpg
光刻光刻

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CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 7f8c238517c43b27e45b5a7b139a1151_b.jpg
离子注入
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微观图长这样

. d  p! w& p4 s
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再次光刻+蚀刻

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撤去保护, 中间那个就是Fin

$ ~. Z. c" Y, p; R) ]4 f
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 46ec42cf50519090a66bd1ea62a5616d_b.jpg
门部位的多晶硅/高K介质生长

/ V# c5 P+ [7 @/ W) M
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? ee2e33370d842c58c0a918e31bc9af5c_b.jpg
门部位的氧化层生长
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长成这样

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CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 04ad874400ddaa66febafd86591e1c9c_b.jpg
源极 漏极制作(光刻+ 离子注入)

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初层金属/多晶硅贴片
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CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? b16933f98c922c429c75dd3af6a3f311_b.jpg
蚀刻+成型蚀刻+成型

  h& V6 ?* c7 f
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 420d5998522759c38fef985bad443224_b.jpg
物理气相积淀长出表面金属层(因为是三维结构, 所有连线要在上部连出)

+ Z0 m, x* I+ y1 q: ~/ r2 d
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 37eb88bfba58b0ba0b627e34d11a9cc8_b.jpg
机械打磨(对! 不打磨会导致金属层厚度不一致)

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成型! 成型!
( d/ r7 e- f: K% V
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连线

) E" I9 a* \, i0 G9 X' Q
就大概这样子..

# T" H* a. l+ X& f5 h
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哇!小执念被楼主看上了奖励 2 个 金币.

耀眼的阳光 「出类拔萃」 2018-5-1 16:21 来自手机 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

大人,此事必有蹊跷!
柔光的暖阳 「龙战于野」 2018-5-1 16:21 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

  在逐字逐句地看完这个帖子以后,我的心久久不能平静,震撼啊!为什么会有如此好的帖子?!我纵横网络bbs多年,自以为再也不会有任何帖子能打动我,没想到今天看到了如此精妙绝伦的这样一篇帖子。
左岸云烟 「出类拔萃」 2018-5-1 16:21 来自手机 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

第一次评论,
2 Q0 Y* m0 [( M0 C- k) l好紧张啊,
! I5 c0 N9 s) H8 U* x4 M. K% L# o) V
) i: f5 f; ]! D  E& p9 R+ p
该怎么说啊,# k% z- F+ p! U; U3 W9 `
& v- i3 f# d* H
打多少字才显的有文采啊,6 `1 n! J' h: S; |' r( V
这样说好不好啊,
& w/ s- Q. t% T) j- b. e* }, I
! l7 F2 k# a+ j
/ V6 x0 T. o2 M7 g/ p会不会成热贴啊,& b2 j% t6 H4 K. @5 G/ \9 v
, o6 T# t8 @4 g7 i1 {: Y$ F
我写的这么好会不会太招遥,' \1 l( l7 @1 s5 L0 q/ F
写的这么深奥别人会不会看不懂啊,- ]- X( {7 O3 z, k: J
怎样才能写出我博士后的水平呢,
$ B' S' x& G  \* r+ T  W5 P半年写了这么多会不会太快啊,
8 k& u; _! U* m: {* I. r3 }  N好激动啊。#y424:#y424:
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