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全球无法山寨的产品,CPU制造全过程,一堆沙子的奇妙之旅

CPU——中央处理器,被称为是计算机的大脑,甚至有人认为是工业的大脑,它是世界上单位体积集成度最高的集成电路核心。CUP具有极高的技术壁垒,这也是为数不多不能山寨的物品,它的设计生产也代表了当今世界发展的最高水平。CPU的制造过程可以大致分为选取原料沙子(石英)、提纯成硅锭、晶圆、光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装等等

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。

将硅熔炼成硅锭,在这个过程中要经过多次提纯,以最终达到符合半导体制造的质量,这就是所谓的电子级硅,在这其中每10亿个硅原子中最多只能有一个是不符合要求的,可见其提纯难度

电子级硅的单晶体,重量大约为100千克,硅的纯度达到了99.9999%。

然后将硅锭横向切割成圆形的单个硅片——晶圆(Wafer),随后,晶圆就要进行抛光,直至完美,表面如镜面一样光滑

对晶圆进行光刻胶,其过程是在晶圆旋转的过程中浇上蓝色的光刻胶液体。晶圆在不停的旋转过程中,可以让光刻胶铺的非常薄、平。

涂好光刻胶之后,光刻胶层透过掩模被曝光在UV等下,掩模上预先设计好的电路就可以通过UV灯“印刷”在光刻胶层上。通俗的理解就是微电路的形状“影印”在了晶圆上。制造一个CPU基本上要重复这一过程,直到多层堆叠到顶部为止

一个晶圆可以切割出上百个的处理器。每个处理器又由无数的晶体管组成,晶体管作为开关控制着一个计算机芯片内电流的流动,现在的工艺可以在一个针尖大小的面积内制造30万个晶体管

接下来的步骤就是溶解多余的光刻胶,使被“印刷”上去的电路显现出啦

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。从这时候开始,材料硅将真正与众不同。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。

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。这时候的绿色和之前已经有所不同。

这时晶体管接近完成,晶体管洋红色表面是保温层,上面有三个方形孔,将填充上铜。以便连接到其他晶体管。

在晶圆上电镀一层硫酸铜,将铜离子沉淀到晶体管上。

电镀完成后,铜离子沉积在晶圆表面,形成一个薄薄的铜层。然后将多余的铜抛光掉,也就是磨光晶圆表面

磨光后的晶圆表面下显露出金属层,铜离子金属层属于晶体管级别,大约500纳米。金属层在不同晶体管之间形成复合互连金属层,虽然电脑芯片看起来十分平坦,但实际上可能有超过20层,形成复杂的电路

进行晶圆测试,有瑕疵或者功能不完全的内核将被丢弃。

将晶圆切割成块,每一块就是一个处理器的内核

从晶圆上切割下来的单个内核,由上一道工序切割而成

最后再进行一次等级测试,不同频率,功耗,发热量等决定了处理器的等级,然后根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运,包装,销往世界各地。

 

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