晶圆是如何变成CPU的

　　晶圆是非常重要的物件之一，缺少晶圆，目前的大多电子设备都无法使用。在往期文章中，小编对晶圆的结构、单晶晶圆等均有所介绍。本文中，为增进大家对晶圆的了解，小编将阐述晶圆是如何变成CPU的。如果你对晶圆相关内容具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

　　一、晶圆

　　晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆;在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.999999999%。

　　二、CPU的工艺要素

　　1）晶圆尺寸

　　硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如，同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍，出产的处理器个数却是后者的2.385倍，并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少，因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。

　　然而，硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸，那就是在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。

　　（2）蚀刻尺寸

　　蚀刻尺寸是制造设备在一个硅晶圆上所能蚀刻的一个最小尺寸，是CPU核心制造的关键技术参数。在制造工艺相同时，晶体管越多处理器内核尺寸就越大，一块硅晶圆所能生产的芯片的数量就越少，每颗CPU的成本就要随之提高。反之，如果更先进的制造工艺，意味着所能蚀刻的尺寸越小，一块晶圆所能生产的芯片就越多，成本也就随之降低。

　　（3）金属互连层

　　在前面的第5节“重复、分层”中，我们知道了不同CPU的内部互连层数是不同的。这和厂商的设计是有关的，但它也可以间接说明CPU制造工艺的水平。这种设计没有什么好说的了，Intel在这方面已经落后了，当他们在0.13微米制程上使用6层技术时，其他厂商已经使用7层技术了;而当Intel准备好使用7层时，IBM已经开始了8层技术;当Intel在Prescott中引人7层带有Lowk绝缘层的铜连接时，AMD已经用上9层技术了。更多的互连层可以在生产上亿个晶体管的CPU（比如Prescott）时提供更高的灵活性。

　　我们知道当晶体管的尺寸不断减小而处理器上集成的晶体管又越来越多的时候，连接这些晶体管的金属线路就更加重要了。特别是金属线路的容量直接影响信息传送的速度。在90纳米制程上，Intel推出了新的绝缘含碳的二氧化硅来取代氟化硅酸盐玻璃，并同时表示这可以增加18%的内部互连效率。

　　三、CPU生产流程

　　（1）硅提纯

　　生产CPU等芯片的材料是半导体，现阶段主要的材料是硅Si，这是一种非金属元素，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路的材料之一。

　　在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。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。以往的硅锭的直径大都是200毫米，而CPU厂商正在增加300毫米晶圆的生产。

　　（2）切割晶圆

　　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。所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个CPU的内核（Die）。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。

　　（3）影印（Photolithography）

　　在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻（Photoresist）物质，紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。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。这是个相当复杂的过程，每一个遮罩的复杂程度得用10GB数据来描述。

　　（4）蚀刻（Etching）

　　这是CPU生产过程中重要操作，也是CPU工业中的重头技术。蚀刻技术把对光的应用推向了极限。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。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，以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。

　　然后，曝光的硅将被原子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，以制造出N井或P井，结合上面制造的基片，CPU的门电路就完成了。

　　（5）重复、分层

　　为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。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Pentium4处理器有7层，而AMD的Athlon64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。

　　（6）封装

　　这时的CPU是一块块晶圆，它还不能直接被用户使用，必须将它封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。封装结构各有不同，但越高级的CPU封装也越复杂，新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升，并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。

　　（7）多次测试

　　测试是一个CPU制造的重要环节，也是一块CPU出厂前必要的考验。这一步将测试晶圆的电气性能，以检查是否出了什么差错，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核心都将被分开测试。

　　由于SRAM（静态随机存储器，CPU中缓存的基本组成）结构复杂、密度高，所以缓存是CPU中容易出问题的部分，对缓存的测试也是CPU测试中的重要部分。

　　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，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等低端产品。

　　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和缓存的不同，它们被放进不同的包装，销往世界各地。

　　四、晶圆如何变成cpu

　　早在2010年欧盟赞助了一项由德国海森堡大学发起的项目，名字叫BrainScaleS（Brain-inspiredmultiscalecomputationinneuromorphichybridsystems），其实和最近很火的IBMTureNorth处理器有点类似，都是模拟大脑物理结构的东西。不过他们模拟的是老鼠的大脑结构，具体步骤是先将老鼠的大脑用液氮冰冻，然后一层一层用机器磨掉，每磨掉一层就进行一次拍照，然后根据全部的照片去研究老鼠的大脑结构（没错，和山寨手机仿造电路板用的方法一模一样）。

　　然后根据这个使用180nmCMOS工艺，在一整片的8英寸晶圆去复现了老鼠的大脑结构，有20万个神经元、5000万个突触。因为大脑是一个3D状的网络结构，所以实际的CPU是把它平铺到1个2D平面上的，所以在晶圆上有一个个的区域，不同的区域之间使用了专门开发的结构去进行互联。

　　至于为什么使用如此“古董“的工艺，其原因在于这是一个数模混合芯片，我们知道模拟电路由于自身的特征（低噪声和高驱动能力等）而无法使用线宽太小的半导体工艺（否则要么达不到设计指标，要么干脆就烧掉啦），而数字电路则不用考虑这些。所以在CPU工艺已经进步到14nm的今天，模拟电路使用的主流工艺还是130-180nm。

　　实际的系统已经在2013年上线了，不过效果貌似没有预期那么好，这个项目已经于去年停止了。