解析|intel i7 CPU生產全過程圖解

英特爾 中央處理器 化學 設計 智能前沿技術 2019-06-22

沙子:硅是地殼內第二豐富的元素,而脫氧後的沙子(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,這也是半導體制造產業的基礎。

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硅熔鍊:

12英寸/300毫米晶圓級,下同。通過多步淨化得到可用於半導體制造質量的硅,學名電子級硅(EGS),平均每一百萬個硅原子中最多隻有一個雜 質原子。此圖展示了是如何通過硅淨化熔鍊得到大晶體的,最後得到的就是硅錠(Ingot)。

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單晶硅錠:

整體基本呈圓柱形,重約100千克,硅純度 99.9999%。

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硅錠切割:

橫向切割成圓形的單個硅片,也就是我們常說的晶圓 (Wafer)。順便說,這下知道為什麼晶圓都是圓形的了吧?

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晶圓:

切割出的晶圓經過拋光後變得幾乎完美無瑕,表面甚至可以當鏡子。事實上,Intel自己並不生產這種晶圓,而是從第三方半導體企業那裡直接購買成 品,然後利用自己的生產線進一步加工,比如現在主流的45nm HKMG(高K金屬柵極)。值得一提的是,Intel公司創立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米

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光刻膠(Photo Resist):

圖中藍色部分就是在晶圓旋轉過程中澆上去的光刻膠液體,類似製作傳統膠片的那種。晶圓旋轉可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

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光刻:

光刻膠層隨後透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下,變得可溶,期間發生的化學反應類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預 先設計好的電路圖案,紫外線透過它照在光刻膠層上,就會形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說,在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。

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光刻:

由此進入50-200納米尺寸的晶體管級別。一塊晶圓上可以切割出數百個處理器,不過從這裡開始把視野縮小到其中一個上,展示如何製作晶體管等部 件。晶體管相當於開關,控制著電流的方向。現在的晶體管已經如此之小,一個針頭上就能放下大約3000萬個。

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溶解光刻膠:

光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉,清除後留下的圖案和掩模上的一致

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蝕刻:

使用化學物質溶解掉暴露出來的晶圓部分,而剩下的光刻膠保護著不應該蝕刻的部分。

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清除光刻膠:

蝕刻完成後,光刻膠的使命宣告完成,全部清除後就可以看到設計好的電路圖案。

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光刻膠:

再次澆上光刻膠(藍色部分),然後光刻,並洗掉曝光的部分,剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。

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離子注入(Ion Implantation):在真空系統中,用經過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料,從而在被注入的區域形成特殊的注入層,並改變這些區 域的硅的導電性。經過電場加速後,注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時。

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清除光刻膠:

離子注入完成後,光刻膠也被清除,而注入區域(綠色部分)也已摻雜,注入了不同的原子。注意這時候的綠色和之前已經有所不同。

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晶體管就緒:

至此,晶體管已經基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞,並填充銅,以便和其它晶體管互連。

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電鍍:

在晶圓上電鍍一層硫酸銅,將銅離子沉澱到晶體管上。銅離子會從正極(陽極)走向負極(陰極)。

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銅層:

電鍍完成後,銅離子沉積在晶圓表面,形成一個薄薄的銅層。

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拋光:

將多餘的銅拋光掉,也就是磨光晶圓表面。

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金屬層:

晶體管級別,六個晶體管的組合,大約500納米。在不同晶體管之間形成複合互連金屬層,具體佈局取決於相應處理器所需要的不同功能性。芯片表面看 起來異常平滑,但事實上可能包含20多層複雜的電路,放大之後可以看到極其複雜的電路網絡,形如未來派的多層高速公路系統。

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晶圓測試:

內核級別,大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部,正在接受第一次功能性測試,使用參考電路圖案和每一塊芯片進行對比。

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晶圓切片(Slicing):

晶圓級別,300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊,每一塊就是一個處理器的內核(Die)。

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丟棄瑕疵內核:

晶圓級別。測試過程中發現的有瑕疵的內核被拋棄,留下完好的準備進入下一步。

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單個內核:

內核級別。從晶圓上切割下來的單個內核,這裡展示的是Core i7的核心。

封裝:

封裝級別,20毫米/1英寸。襯底(基片)、內核、散熱片堆疊在一起,就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當於一個底座,併為處理器內 核提供電氣與機械界面,便於與PC系統的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負責內核散熱的了。

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等級測試:

最後一次測試,可以鑑別出每一顆處理器的關鍵特性,比如最高頻率、功耗、發熱量等,並決定處理器的等級,比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme,還是低端型號Core i7-920。

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裝箱:

根據等級測試結果將同樣級別的處理器放在一起裝運。

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零售包裝:

製造、測試完畢的處理器要麼批量交付給OEM廠商,要麼放在包裝盒裡進入零售市場

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