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【搬运】[综合][Asuka讲堂之补充]CPU是如何制造的

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发表于 2014-5-19 23:19:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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帖子出处:PCEVA(http://bbs.pceva.com.cn/
原帖子的网址:http://bbs.pceva.com.cn/thread-41326-1-1.html
转载请注明出处

看到Asuka的CPU讲堂,新潮澎湃,也希望分享一下我这一段时间看的一些东西;我的东西太散乱了,好不容易能够拼凑成一篇胡诌的文字,通过bit-tech上的一篇关于CPU制造的文章,用我自己的理解,盗用bit-tech的图片,插入一些工艺的补充,整理出来,希望能帮助到PCEVA的各位,不仅对半导体的基础知识,而且对半导体的制造工艺及技术能够有一个初步的了解。

目前半导体工业所使用的原材料还是硅,是经过特别选择的非常纯净的沙子

其实这些沙子的初步加工都是沿海进行的,限于技术水平和设备,不得不使用非常污染环境的方法加工到99.9%纯度的硅;然后低价卖给国外企业,进行进一步提纯,其纯度提升了几个数量级,达到99.9999999%的纯度。所以技术决定一切啊...

然后,将得到的高纯硅缓慢注入一个模具里面,以一定的速度冷却,得到一整块单晶硅,如下,右图。

1.png

单晶硅的结晶速度,纯度,杂质含量都是有关系的,晶圆(wafer)越大,单片晶圆所能切割出来的芯片也就越多,对单晶硅提供者和芯片制造厂商的技术要求也就越高。最近好像逐渐过渡到18inch wafer了。

这些单晶硅被切割成片状,用于下一步制造。

2.png

接下来是离子注入技术(ion implanter),离子注入技术是使用被剥夺了电子的金属离子在电场之内加速,轰击硅片表面,由于速度很快,能量很高,离子能够直接进入硅内部,从而改变局部导电性。

3.png

我相信这里反复使用了lithography(掩膜光刻技术),由于离子注入的深度只有数十个原子厚度,所以能够用光刻胶很好阻挡。

一般通过光刻机进行,光刻机数亿美元一台,里面最贵的基本就是大家都很喜欢的莱卡“镜头”;莱卡这些镜头厂商出品单反镜头只是给消费者福利而已,并不指望能赚多少钱,大多数的利润还是在光刻机里。德国工业凭借其严谨的态度,镜头品质非常赞!

光刻机使用镜头将掩膜所留下来的斑驳光影缩小数倍,投射在光刻胶上,改变其化学性质,让其容易被洗掉。下面是操作步骤:

4.png

没有曝光的光刻胶等通过精密抛光除去。

掩膜光刻的优势在于,使用一个有数亿个窟窿的模板可以在几步操作内形成数亿个晶体管。

离子注入步骤之后,晶体管的source和drain等成型,借用Asuka的图:

6.png

接下来是大名鼎鼎的High-K金属绝缘层,High-K金属材质通过替代传统二氧化硅让Intel从65nm成功过渡到45nm,并应用在32nm工艺上。如下图,是整个晶圆上都覆盖了一层。我估计这里用的是CVD,化学气相沉积。

5.png

继续使用掩膜光刻技术,左图:通过旋转在表面均匀分布一层光刻胶,右图:掩膜光刻

7.png

现在我们开始关注单个晶体管及其线缆连接如何制造:
左图:已经覆盖了光刻胶的单个晶体管表面;右图:曝光然后洗掉光刻胶,只留下闸级上面覆盖的光刻胶

8.png

左图:使用溶液溶解掉暴露的High-K金属;右图:晶体管基本成型,就剩下接线了;

9.png

铜互连:
继续使用掩膜光刻,形成入下左图的绝缘层形貌(注意在源级,栅极和漏级留下的坑);
接下来使用电镀,使用金属铜填满那些坑;

A.png

左图:不可避免得多了一层全覆盖的铜,为了保证所有的坑都被填满;
右图:仔细得抛光去掉上面那层全覆盖的铜,留下晶体管的三个接触点。

B.png

接下来继续进行掩膜光刻、电化学沉积、精密抛光的反复步骤,最终形成这种四通八达的铜线互联道路,新一代CPU的这种道路可以达到20层甚至更多。在显微镜下,这是人类设计的最复杂,最庞大的多层交通路线。(下左图)
右图:此时,所有的CPU已经布线完成,通过特殊手段检测芯片质量,如果这个芯片只有一个QPI通道正常工作,那么它就只能到Core i7 980X的封装车间去,而不能当Xeon X5667使用了~

C.png

一个18inch的晶圆上可以切割出数百颗芯片,但可以肯定不是用这种圆锯切割的。

D.png

bit-tech发表这篇文章的时候还是胶水CPU和集成GPU的上一代i5 6xx系列吧~

接下来是封装,现在Intel和AMD都采用IHS了,在CPU上覆盖一个盖子,主要是出于保护CPU核心不被压碎的目的,使用铜盖是为了保证散热,然后Ivy Bridge悲剧到了,应该是IHS的悲剧,不过没有人去测定是否是IHS的问题吧?拿掉IHS后脆性的芯片直接被大型塔式散热器压碎了...

E.png

继续由特定的仪器鉴定CPU体质,我相信这里才进行了2500, 2500K, 2600, 2600K的分化,然后通过一次性的写入MicroCode屏蔽相关功能。

F.png

图片来源:http://www.bit-tech.net/hardware ... rom-sand-to-shelf/1

显卡的制造也是如此,如果有谬误或者没有解释清楚的地方请各位看官指出啊。
——一个从2003年(初二生)开始玩电脑的爱好者

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发表于 2014-5-20 11:00:41 | 显示全部楼层
系统提示:图挂了

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图片已经补上。  发表于 2014-5-20 12:36

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发表于 2018-8-11 21:05:07 | 显示全部楼层
学到了,谢谢科普

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