[转载]沙子变"黄金"! 揭秘CPU制造全过程

xecho · 发表于 2009-10-6 19:57:32

转载自 21IC.com

CPU是计算机的心脏，它是决定计算机性能的最重要的部件。同样CPU也是现代社会飞速运转的动力源泉，在任何电子设备上都可以找到微芯片的身影。不过能完成复杂功能的CPU确是以沙子为原料做成的，不得不惊叹于人类的智慧！Intel公布了大量图文资料，详细展示了从沙子到芯片的全过程，满足你的好奇心。

简单地说，处理器的制造过程可以大致分为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻(平版印刷)、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、包装上市等诸多步骤，而且每一步里边又包含更多细致的过程。

下边就图文结合，一步一步看看：
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CPU制造：第一阶段图文直播：

沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体制造产业的基础。

(原文件名:1.jpg)

硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级，下同。通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭(Ingot)。

(原文件名:2.jpg)

单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99.9999％。

(原文件名:3.jpg)

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CPU制造：第二阶段图文直播：

硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆(Wafer)。顺便说，这下知道为什么晶圆都是圆形的了吧？

(原文件名:4.jpg)

晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。事实上，Intel自己并不生产这种晶圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成品，然后利用自己的生产线进一步加工，比如现在主流的45nm HKMG(高K金属栅极)。值得一提的是，Intel公司创立之初使用的晶圆尺寸只有2英寸/50毫米。

(原文件名:5.jpg)

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CPU制造：第三阶段图文直播：

光刻胶(Photo Resist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。

(原文件名:6.jpg)

光刻一：光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。一般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。

(原文件名:7.jpg)

光刻二：由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大约3000万个。

(原文件名:8.jpg)

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CPU制造：第四阶段图文直播：

溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。

(原文件名:9.jpg)

蚀刻：使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分，而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。

(原文件名:10.jpg)

清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

(原文件名:11.jpg)

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CPU制造：第五阶段图文直播：

光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。

(原文件名:12.jpg)

离子注入(Ion Implantation)：在真空系统中，用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)固体材料，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的硅的导电性。经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过30万千米每小时。

(原文件名:13.jpg)

清除光刻胶：离子注入完成后，光刻胶也被清除，而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。

(原文件名:14.jpg)

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CPU制造：第六阶段图文直播：

晶体管就绪：至此，晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连。

(原文件名:15.jpg)

电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。

(原文件名:16.jpg)

铜层：电镀完成后，铜离子沉积在晶圆表面，形成一个薄薄的铜层。

(原文件名:17.jpg)

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CPU制造：第七阶段图文直播：

抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。

(原文件名:18.jpg)

金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层，具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑，但事实上可能包含20多层复杂的电路，放大之后可以看到极其复杂的电路网络，形如未来派的多层高速公路系统。

(原文件名:19.jpg)

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CPU制造：第八阶段图文直播：

晶圆测试：内核级别，大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部，正在接受第一次功能性测试，使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。

(原文件名:20.jpg)

晶圆切片(Slicing)：晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)。

(原文件名:21.jpg)

丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。

(原文件名:22.jpg)

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CPU制造：第九阶段图文直播：

单个内核：内核级别。从晶圆上切割下来的单个内核，这里展示的是Core i7的核心。

(原文件名:23.jpg)

封装：封装级别，20毫米/1英寸。衬底(基片)、内核、散热片堆叠在一起，就形成了我们看到的处理器的样子。衬底(绿色)相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。散热片(银色)就是负责内核散热的了。

(原文件名:24.jpg)

处理器：至此就得到完整的处理器了(这里是一颗Core i7)。这种在世界上最干净的房间里制造出来的最复杂的产品实际上是经过数百个步骤得来的，这里只是展示了其中的一些关键步骤。

(原文件名:25.jpg)

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CPU制造：第十阶段图文直播：

等级测试：最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级，比如适合做成最高端的Core i7-975 Extreme，还是低端型号Core i7-920。

(原文件名:26.jpg)

装箱：根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。

(原文件名:27.jpg)

零售包装：制造、测试完毕的处理器要么批量交付给OEM厂商，要么放在包装盒里进入零售市场。这里还是以Core i7为例。

(原文件名:28.jpg)

bynce · 发表于 2009-10-6 20:09:08

不错！！！！顶顶！

wolaiye945 · 发表于 2009-10-6 20:16:22

震撼~！

flyunlimit · 发表于 2009-10-6 20:25:56

图小。

hyl175 · 发表于 2009-10-6 20:27:11

了解学习

yl3721 · 发表于 2009-10-6 20:28:13

长知识了

chengpiaopiao · 发表于 2009-10-6 20:29:34

长见识了……

xecho · 发表于 2009-10-6 20:29:38

【3楼】 flyunlimit 飞行无极限
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呵呵，没办法，原图就是这么小的，不过还是可以知道整个IC的制造过程的。

Apache-Zjk · 发表于 2009-10-6 20:46:06

像是视频，如果是的话不知能否共享

zc3909 · 发表于 2009-10-6 20:46:09

长见识

xecho · 发表于 2009-10-6 20:51:52

我找找看有没有视频

three-cat · 发表于 2009-10-6 20:56:28

长见识

Morgery · 发表于 2009-10-6 20:57:50

学微电子的，感觉对这个很是熟悉。

cqsrmxxzyx · 发表于 2009-10-6 21:03:27

顶上

xecho · 发表于 2009-10-6 21:17:21

大连intel工厂能够加工的300mm/12寸晶圆的大小：

(原文件名:300mm_Wafer.png)

99stone · 发表于 2009-10-6 21:20:05

般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。

那怎么搞

kaixiangjun · 发表于 2009-10-6 21:25:54

楼主在哪里搞的东东？让我等小民长见识了！佩服佩服！

xecho · 发表于 2009-10-6 21:36:02

各种不同尺寸的晶圆（wafer）

(原文件名:wafer-ingot.jpg)

Jigsaw · 发表于 2009-10-6 21:58:03

to【15楼】 99stone

积分：375
派别：
等级：------
来自：深圳
般来说，在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。

那怎么搞

使用精密微缩镜头进行掩膜缩放

xecho · 发表于 2009-10-6 22:05:38

精美绝伦的晶圆(wafer)欣赏

(原文件名:intel_wafer_800x600.jpg)

(原文件名:NXP_Wafer_1_800x644.jpg)

(原文件名:NXP_Wafer_2_800x533.jpg)

(原文件名:wafer4-highres_640x637.jpg)

Mayt · 发表于 2009-10-6 22:14:07

不能光看到最原始的沙子，沙子只不过是如此复杂工序与知识的载体了，呵呵。厉害呀

kclc · 发表于 2009-10-6 22:24:48

专业微电子专业普及强帖顶

sbsdys · 发表于 2009-10-6 22:28:20

好贴!

wcm_e · 发表于 2009-10-6 22:34:20

高科技

dragonathust1 · 发表于 2009-10-6 22:55:09

点击此处打开 ourdev_488855.JPG(文件大小:468K，只有400K以内的图片才能直接显示) (原文件名:M5 fab.JPG)

chaochao5107 · 发表于 2009-10-6 23:07:55

有空仔细看

unclewolf · 发表于 2009-10-6 23:20:21

长见识了

dingdao · 发表于 2009-10-6 23:29:32

谢谢楼主，长见识了......

asdasd · 发表于 2009-10-6 23:54:02

不知道设计软件是什么？

bigcha · 发表于 2009-10-6 23:55:01

Oh my God

wangyi1e · 发表于 2009-10-7 00:53:37

MARK

xecho · 发表于 2009-10-7 08:49:53

调整一下24楼的图片:)

(原文件名:ourdev_488855.jpg)

rei1984 · 发表于 2009-10-7 08:56:07

lz真厉害

armok · 发表于 2009-10-7 08:58:04

Cool !

huwuzhao · 发表于 2009-10-7 09:00:40

不错，国人要用这种技术就好了。

xecho · 发表于 2009-10-7 09:14:15

Intel的ATOM CPU，可以清楚地看到从一个大wafer上切割下来的小硅片。
采用Flip-Chip封装。

(原文件名:atom.jpg)

ilikemcu · 发表于 2009-10-7 10:26:05

点石成金早已不是魔术师或神仙的专利！

xiaoyuanlu · 发表于 2009-10-8 16:04:40

这TMD是高高科技啊！

shangxf · 发表于 2009-10-8 17:00:10

看看

icer1 · 发表于 2009-10-8 17:29:54

Ding

atommann · 发表于 2009-10-8 20:24:59

很好的文章，intel 网站上有一些高分辨率的图片。
From Sand to Silicon: the Making of a Chip

86csx · 发表于 2009-10-8 21:42:31

高！

mayitbey · 发表于 2009-10-8 22:30:28

传说中的高科技。

machao · 发表于 2009-10-9 00:52:29

怪不得CPU不值钱，原来是从沙子里面来的。

我的同事说，什么“高科技”？不值钱。一片8位的MCU，10块钱，加上你编的代码，能买多少？15块够多了吧。他买了一个红木的方凳，1500元。

thomasdu · 发表于 2009-10-9 00:53:22

CPU的生产是世界顶尖智慧的集中体现之一！

machao · 发表于 2009-10-9 01:13:36

不值钱的。一个红木方凳，1500元，能买2部手机。

thomasdu · 发表于 2009-10-9 01:27:50

进入大规模工业化生产之后，都可以变得廉价，红木方凳受制于材料产量和手工，也有贵的道理

sio2 · 发表于 2009-10-9 02:31:19

我就是sio2，喜哉，悲哉？电子技术的进程是不会停滞的，会给我们带来更多的惊喜！

xecho · 发表于 2009-10-9 07:59:33

沙子并不值钱，值钱的是技术与创意

richey07 · 发表于 2009-10-9 08:10:23

mark

ldj7501 · 发表于 2009-10-9 09:42:49

mark

czxf · 发表于 2009-10-9 10:42:16

好贴

fy024 · 发表于 2009-10-9 12:17:52

精彩

terminator1983 · 发表于 2009-10-9 12:21:40

好帖

kewxke · 发表于 2009-10-9 13:09:37

高科技

liangbmw · 发表于 2009-10-9 13:12:21

爱上

fooler · 发表于 2009-10-9 13:21:01

长见识了！

xecho · 发表于 2009-10-9 22:51:18

再上图片，图片来自Micron。
wafer的切割，用的是钻石刀片。

(原文件名:wafer_saw.jpg)

bbsniua · 发表于 2009-10-11 20:24:24

黄金本来就是从沙子里面提炼的！
先把矿石碎了-成沙子了，然后放在石灰池泡，进入氰化钠之类的化学药品，
泡上一段时间后出来的水就过滤，得到浓缩体，最后经过硫酸煮一段时间后用不同的金属丝吸附上来就是金了！
加入硝酸铵铸在一起就变成金的颗粒了！
上面是最原始的山寨版提炼金的简陋版!
如有错误请见谅，我爷爷是挖金矿中毒死的！
所以关于提炼一类不严格都会出人命！

racemaker · 发表于 2009-10-13 10:31:25

很好奇，留着漫漫看！

xhero · 发表于 2009-10-13 20:51:25

相信龙芯迟早也能达到这种水平

qzzz · 发表于 2009-10-13 23:48:49

好贴要顶

382383706 · 发表于 2009-11-15 21:58:07

长见识了

tick · 发表于 2009-11-15 22:03:34

mark

emc78ic · 发表于 2009-11-27 11:13:55

黄金我贬值

wdlaoxie · 发表于 2009-11-28 00:44:41

mark

cndongj · 发表于 2009-11-28 08:33:13

长见识了

Soul.art · 发表于 2009-11-28 11:30:00

mark

cooleaf · 发表于 2009-11-28 11:49:11

还真是第一次知道了个大概过程。

plantniu · 发表于 2009-11-28 12:59:37

mark

loopzhong · 发表于 2009-11-30 08:52:12

光刻阶段与感光板的制作，非常类似！！

scadu · 发表于 2009-11-30 09:36:43

mark

pdp806 · 发表于 2009-12-5 10:40:12

很好~很强大

Pyrrho · 发表于 2009-12-5 11:28:37

Mark

fw190d9 · 发表于 2009-12-15 08:21:37

“相信龙芯迟早也能达到这种水平”
要到达这种水平起码要两、三个世纪。

longfeixue · 发表于 2009-12-15 09:14:03

长见识！

理论知识可以通过自己的努力较快达到，但是实际的制造技术却是一点一点积累起来的，想在这方面取得突破性进展很难啊

micropower · 发表于 2009-12-15 09:18:29

"Intel自己并不生产这种晶圆，而是从第三方半导体企业那里直接购买成品"
这就是中国企业的职责,我同学就是从事把从圆柱体切割下来的晶圆进行抛光这一工序的.他拿回来的废品都能当镜子使.

foxsports · 发表于 2009-12-15 09:52:47

留下慢慢欣赏

PPLL028 · 发表于 2009-12-15 13:23:07

长见识了
好帖子，做个记号，慢慢学习！

05021121 · 发表于 2010-4-14 18:24:53

回复【楼主位】xecho 回音
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mark

sunzhaod · 发表于 2010-4-14 18:35:30

mark

yusufu · 发表于 2010-4-14 19:56:47

收藏了

hsztc · 发表于 2010-4-14 21:05:00

真的是沙子变"黄金"吗？

关键是沙子在变的过程中是要负出代价的。

如果有人能用低成本的方法把硅从沙子中提出来的话，那个人有可能是会变成新的世界首富。

superyongzhe · 发表于 2010-4-14 23:34:17

mark

trf007 · 发表于 2010-5-18 22:16:23

太强大了！

qufo · 发表于 2010-5-19 09:31:10

硅锭

灰常熟悉的名词

zzzvvv · 发表于 2010-5-19 10:07:40

办成一件有1+N种方法,其中有些方法有危险

liouravr · 发表于 2010-5-19 14:32:16

我好象已经看到了金子了........

guhenggao · 发表于 2010-5-19 16:31:15

mark

charlie2008 · 发表于 2010-5-20 13:16:14

mark!

jinshawangzi · 发表于 2010-5-20 18:15:18

最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级，比如适合做成最高端的Core i7-975 Extreme，还是低端型号Core i7-920！！！！！！！！现在我终于明白了为什么CPU可以超频，为什么那么多的芯片可以超频！原因就在质量了！

gaoph · 发表于 2010-5-21 23:26:43

太牛了吧

xixiangfeng · 发表于 2010-6-21 21:17:08

好精彩！

KevinLee · 发表于 2010-6-21 21:33:34

厉害啊。

zhu118 · 发表于 2010-6-22 08:49:50

了解学习了

ddlylly · 发表于 2010-7-17 17:20:13

大开眼界啊

unida · 发表于 2010-7-20 11:30:07

强大
真正长见识了

gliet_su · 发表于 2010-7-20 12:45:10

顶，这才是高科技。

catzl7 · 发表于 2010-7-20 13:14:39

长见识了，很牛！

bh7ijm · 发表于 2010-7-20 13:58:42

强帖,MARK

[转载]沙子变"黄金"! 揭秘CPU制造全过程

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