沙子做的CPU憑什么賣那么貴？ - 全文

　　一般來說，我們對(duì)IC芯片的了解僅限于它概念，但是對(duì)于已經(jīng)應(yīng)用到各式各樣的數(shù)碼產(chǎn)品中IC芯片是怎么來的？大家可能只知道制作IC芯片的硅來源于沙子，但是為什么沙子做的CPU卻賣那么貴？下面將會(huì)以常見的Intel、AMD CPU作為例子，講述沙子到CPU簡要的生產(chǎn)工序流程，希望大家對(duì)CPU制作的過程有一個(gè)大體認(rèn)識(shí)，解開CPU憑什么賣那么貴之謎！

　　硅圓片的制作

　　1.硅的重要來源：沙子

　　作為半導(dǎo)體材料，使用得最多的就是硅元素，其在地球表面的元素中儲(chǔ)量僅次于氧，含硅量在27.72%，其主要表現(xiàn)形式就是沙子（主要成分為二氧化硅），沙子里面就含有相當(dāng)量的硅。因此硅作為IC制作的原材料最合適不過，想想看地球上有幾個(gè)浩瀚無垠的沙漠，來源既便宜又方便。

　　2.硅熔煉、提純

　　不過實(shí)際在IC產(chǎn)業(yè)中使用的硅純度要求必須高達(dá)99.999999999%。目前主要通過將二氧化硅與焦煤在1600-1800℃中，將二氧化硅還原成純度為98%的冶金級(jí)單質(zhì)硅，緊接著使用氯化氫提純出99.99%的多晶硅。雖然此時(shí)的硅純度已經(jīng)很高，但是其內(nèi)部混亂的晶體結(jié)構(gòu)并不適合半導(dǎo)體的制作，還需要經(jīng)過進(jìn)一步提純、形成固定一致形態(tài)的單晶硅。

　　3.制備單晶硅錠

　　單晶的意思是指原子在三維空間中呈現(xiàn)規(guī)則有序的排列結(jié)構(gòu)，而單晶硅擁有“金剛石結(jié)構(gòu)”，每個(gè)晶胞含有8個(gè)原子，其晶體結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。

　　單晶硅的“金剛石”結(jié)構(gòu)

　　通常單晶硅錠都是采用直拉法制備，在仍是液體狀態(tài)的硅中加入一個(gè)籽晶，提供晶體生長的中心，通過適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂?，就開始慢慢將晶體向上提升并且逐漸增大拉速，上升同時(shí)以一定速度繞提升軸旋轉(zhuǎn)，以便將硅錠控制在所需直徑內(nèi)。結(jié)束時(shí)，只要提升單晶硅爐溫度，硅錠就會(huì)自動(dòng)形成一個(gè)錐形尾部，制備就完成了，一次性產(chǎn)出的IC芯片更多。

　　制備好的單晶硅錠直徑約在300mm左右，重約100kg。而目前全球范圍內(nèi)都在生產(chǎn)直徑12寸的硅圓片，硅圓片尺寸越大，效益越高。

　　4.硅錠切片

　　將制備好的單晶硅錠一頭一尾切削掉，并且對(duì)其直徑修整至目標(biāo)直徑，同時(shí)使用金剛石鋸把硅錠切割成一片片厚薄均勻的晶圓（1mm）。有時(shí)候?yàn)榱硕ǔ龉鑸A片的晶體學(xué)取向，并適應(yīng)IC制作過程中的裝卸需要，會(huì)在硅錠邊緣切割出“取向平面”或“缺口”標(biāo)記。

　　5.研磨硅圓片

　　切割后的晶圓其表面依然是不光滑的，需要經(jīng)過仔細(xì)的研磨，減少切割時(shí)造成的表面凹凸不平，期間會(huì)用到特殊的化學(xué)液體清洗晶圓表面，最后進(jìn)行拋光研磨處理，還可以在進(jìn)行熱處理，在硅圓片表面成為“無缺陷層”。一塊塊亮晶晶的硅圓片就這樣被制作出來，裝入特制固定盒中密封包裝。

　　制作完成的硅圓片

　　通常半導(dǎo)體IC廠商是不會(huì)自行生產(chǎn)這種晶圓，通常都是直接從硅圓片廠中直接采購回來進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)。

　　前工程——制作帶有電路的芯片

　　6.涂抹光刻膠

　　買回來的硅圓片經(jīng)過檢查無破損后即可投入生產(chǎn)線上，前期可能還有各種成膜工藝，然后就進(jìn)入到涂抹光刻膠環(huán)節(jié)。微影光刻工藝是一種圖形影印技術(shù)，也是集成電路制造工藝中一項(xiàng)關(guān)鍵工藝。首先將光刻膠（感光性樹脂）滴在硅晶圓片上，通過高速旋轉(zhuǎn)均勻涂抹成光刻膠薄膜，并施加以適當(dāng)?shù)臏囟裙袒饪棠z薄膜。

　　光刻膠是一種對(duì)光線、溫度、濕度十分敏感的材料，可以在光照后發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的改變，這是整個(gè)工藝的基礎(chǔ)。

　　7.紫外線曝光

　　就單項(xiàng)技術(shù)工藝來說，光刻工藝環(huán)節(jié)是最為復(fù)雜的，成本最為高昂的。因?yàn)楣饪棠０濉⑼哥R、光源共同決定了“印”在光刻膠上晶體管的尺寸大小。

　　將涂好光刻膠的晶圓放入步進(jìn)重復(fù)曝光機(jī)的曝光裝置中進(jìn)行掩模圖形的“復(fù)制”。掩模中有預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過掩模經(jīng)過特制透鏡折射后，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(jìn)重復(fù)曝光機(jī)也稱為“縮小投影曝光裝置”。

　　一般來說，決定步進(jìn)重復(fù)曝光機(jī)性能有兩大要素：一個(gè)是光的波長，另一個(gè)是透鏡的數(shù)值孔徑。如果想要縮小晶圓上的晶體管尺寸，就需要尋找能合理使用的波長更短的光（EUV，極紫外線）和數(shù)值孔徑更大的透鏡（受透鏡材質(zhì)影響，有極限值）。

　　目前最先進(jìn)的ASML公司 TWINSCAN NXE:3300B

　　8.溶解部分光刻膠

　　對(duì)曝光后的晶圓進(jìn)行顯影處理。以正光刻膠為例，噴射強(qiáng)堿性顯影液后，經(jīng)紫外光照射的光刻膠會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在堿溶液作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶解于顯影液中，而未被照射到的光刻膠圖形則會(huì)完整保留。顯影完畢后，要對(duì)晶圓表面的進(jìn)行沖洗，送入烘箱進(jìn)行熱處理，蒸發(fā)水分以及固化光刻膠。

　　9.蝕刻

　　將晶圓浸入內(nèi)含蝕刻藥劑的特制刻蝕槽內(nèi)，可以溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護(hù)著不需要蝕刻的部分。期間施加超聲振動(dòng)，加速去除晶圓表面附著的雜質(zhì)，防止刻蝕產(chǎn)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(duì)光刻膠進(jìn)行灰化處理，去除所有光刻膠。此時(shí)就可以完成第一層設(shè)計(jì)好的電路圖案。

　　11.重復(fù)第6-8步

　　由于現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)3D FinFET設(shè)計(jì)，不可能一次性就能制作出所需的圖形，需要重復(fù)第6-8步進(jìn)行處理，中間還會(huì)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晶體管。

　　12.離子注入

　　在特定的區(qū)域，有意識(shí)地導(dǎo)入特定雜質(zhì)的過程稱為“雜質(zhì)擴(kuò)散”。通過雜質(zhì)擴(kuò)散可以控制導(dǎo)電類型（P結(jié)、N結(jié)）之外，還可以用來控制雜質(zhì)濃度以及分布。

　　現(xiàn)在一般采用離子注入法進(jìn)行雜質(zhì)擴(kuò)散，在離子注入機(jī)中，將需要摻雜的導(dǎo)電性雜質(zhì)導(dǎo)入電弧室，通過放電使其離子化，經(jīng)過電場加速后，將數(shù)十到數(shù)千keV能量的離子束由晶圓表面注入。離子注入完畢后的晶圓還需要經(jīng)過熱處理，一方面利用熱擴(kuò)散原理進(jìn)一步將雜質(zhì)“壓入”硅中，另一方面恢復(fù)晶格完整性，活化雜質(zhì)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(zhì)，易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此成為超大規(guī)模集成電路中不可缺少的工藝。

　　10.再次清除光刻膠

　　完成離子注入后，可以清除掉選擇性摻雜殘留下來的光刻膠掩模。此時(shí)，單晶硅內(nèi)部一小部分硅原子已經(jīng)被替換成“雜質(zhì)”元素，從而產(chǎn)生可自由電子或空穴。

　　左：硅原子結(jié)構(gòu)；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(shí)晶體管雛形已經(jīng)基本完成，利用氣相沉積法，在硅晶圓表面全面地沉積一層氧化硅膜，形成絕緣層。同樣利用光刻掩模技術(shù)在層間絕緣膜上開孔，以便引出導(dǎo)體電極。

　　12.沉淀銅層

　　利用濺射沉積法，在晶圓整個(gè)表面上沉積布線用的銅層，繼續(xù)使用光刻掩模技術(shù)對(duì)銅層進(jìn)行雕刻，形成場效應(yīng)管的源極、漏極、柵極。最后在整個(gè)晶圓表面沉積一層絕緣層以保護(hù)晶體管。

　　13.構(gòu)建晶體管之間連接電路

　　經(jīng)過漫長的工藝，數(shù)以十億計(jì)的晶體管已經(jīng)制作完成。剩下的就是如何將這些晶體管連接起來的問題了。同樣是先形成一層銅層，然后光刻掩模、蝕刻開孔等精細(xì)操作，再沉積下一層銅層。。。。。。這樣的工序反復(fù)進(jìn)行多次，這要視乎芯片的晶體管規(guī)模、復(fù)制程度而定。最終形成極其復(fù)雜的多層連接電路網(wǎng)絡(luò)。

　　由于現(xiàn)在IC包含各種精細(xì)化的元件以及龐大的互聯(lián)電路，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，實(shí)際電路層數(shù)已經(jīng)高達(dá)30層，表面各種凹凸不平越來越多，高低差異很大，因此開發(fā)出CMP化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)。每完成一層電路就進(jìn)行CMP磨平。

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

　　大馬士革法多層布線

　　芯片電路到此已經(jīng)基本完成，其中經(jīng)歷幾百道不同工藝加工，而且全部都是基于精細(xì)化操作，任何一個(gè)地方出錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致整片晶圓報(bào)廢，在100多平方毫米的晶圓上制造出數(shù)十億個(gè)晶體管，是人類有文明以來的所有智慧的結(jié)晶。

　　后工程——從劃片到成品銷售

　　14. 晶圓級(jí)測試

　　前工程與后工程之間，夾著一個(gè)Good-Chip/Wafer檢測工程，簡稱G/W檢測。目的在于檢測每一塊晶圓上制造的一個(gè)個(gè)芯片是否合格。通常會(huì)使用探針與IC的電極焊盤接觸進(jìn)行檢測，傳輸預(yù)先編訂的輸入信號(hào)，檢測IC輸出端的信號(hào)是否正常，以此確認(rèn)芯片是否合格。

　　由于目前IC制造廣泛采用冗余度設(shè)計(jì)，即便是“不合格”芯片，也可以采用冗余單元置換成合格品，只需要使用激光切斷預(yù)先設(shè)計(jì)好的熔斷器即可。當(dāng)然，芯片有著無法挽回的嚴(yán)重問題，將會(huì)被標(biāo)記上丟棄標(biāo)簽。

　　15.晶圓切片、外觀檢查

　　IC內(nèi)核在晶圓上制作完成并通過檢測后后，就進(jìn)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，其厚度僅為人類頭發(fā)的1/3。將晶圓上的每一個(gè)IC芯片切劃下來，形成一個(gè)內(nèi)核Die。

　　裂片完成后還會(huì)對(duì)芯片進(jìn)行外觀檢查，一旦有破損和傷痕就會(huì)拋棄，前期G/W檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的瑕疵品也將一并去除。

　　未裂片的一個(gè)個(gè)CPU內(nèi)核

　　16.裝片

　　芯片進(jìn)行檢測完成后只能算是一個(gè)半成品，因?yàn)椴荒鼙幌M(fèi)者直接使用。還需要經(jīng)過裝片作業(yè)，將內(nèi)核裝配固定到基片電路上。裝片作業(yè)全程由于計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)固晶機(jī)進(jìn)行精細(xì)化操作。

　　17.封裝

　　裝片作業(yè)僅僅是完成了芯片的固定，還未實(shí)現(xiàn)電氣的連接，因此還需要與封裝基板上的觸點(diǎn)結(jié)合?，F(xiàn)在通常使用倒裝片形式，即有觸點(diǎn)的正面朝下，并預(yù)先用焊料形成凸點(diǎn)，使得凸點(diǎn)與相應(yīng)的焊盤對(duì)準(zhǔn)，通過熱回流焊或超聲壓焊進(jìn)行連接。

　　封裝也可以說是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼，它不僅起著安放、固定、密封、保護(hù)芯片，還可以增強(qiáng)導(dǎo)熱性能的作用。目前像Intel近些年都采用LGA封裝，在核心與封裝基板上的觸點(diǎn)連接后，在核心涂抹散熱硅脂或者填充釬焊材料，最后封裝上金屬外殼，增大核心散熱面積，保護(hù)芯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(jí)測試

　　CPU制造完成后，還會(huì)進(jìn)行一次全面的測試。測試出每一顆芯片的穩(wěn)定頻率、功耗、發(fā)熱，如果發(fā)現(xiàn)芯片內(nèi)部有硬件性缺陷，將會(huì)做硬件屏蔽措施，因此劃分出不同等級(jí)類型CPU，例如Core i7、i5、i3。

　　19.裝箱零售

　　CPU完成最終的等級(jí)劃測試后，就會(huì)分箱進(jìn)行包裝，進(jìn)入OEM、零售等渠道。

　　現(xiàn)在進(jìn)入了科技時(shí)代，極度依賴計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，其中的CPU又是各種計(jì)算機(jī)必不可少重要部件。暫且不論架構(gòu)上的設(shè)計(jì)，僅僅在CPU的制作上就凝聚了全人類的智慧，基本上當(dāng)今世界上最先進(jìn)的工藝、生產(chǎn)技術(shù)、尖端機(jī)械全部都投入到了該產(chǎn)業(yè)中。因此半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集知識(shí)密集型、資本密集型于一身的高端工業(yè)。

　　一條完整而最先進(jìn)CPU生產(chǎn)線投資起碼要數(shù)十億人民幣，而且其中占大頭的是前工程里面的光刻機(jī)、掩膜板、成膜機(jī)器、擴(kuò)散設(shè)備，占到總投資的70%，這些都是世界上最精密的儀器，每一臺(tái)都價(jià)值不菲。作為參照，CPU工廠建設(shè)、輔助設(shè)備、超凈間建設(shè)費(fèi)用才占到20%。

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