【cpu芯片制程】cpu芯片制程是什么 cpu芯片的制作工藝

cpu芯片制程是什么

要了解CPU的生產(chǎn)工藝，我們需要先知道CPU是怎么被制造出來(lái)的。

（1） 硅提純

生產(chǎn)CPU等芯片的材料是半導(dǎo)體，現(xiàn)階段主要的材料是硅Si，這是一種非金屬元素，從化學(xué)的角度來(lái)看，由于它處于元素周期表中金屬元素區(qū)與非金屬元素區(qū)的交界處，所以具有半導(dǎo)體的性質(zhì)，適合于制造各種微小的晶體管，是目前最適宜于制造現(xiàn)代大規(guī)模集成電路的材料之一。

在硅提純的過(guò)程中，原材料硅將被熔化，并放進(jìn)一個(gè)巨大的石英熔爐。這時(shí)向熔爐里放入一顆晶種，以便硅晶體圍著這顆晶種生長(zhǎng)，直到形成一個(gè)幾近完美的單晶硅。以往的硅錠的直徑大都是200毫米，而CPU廠商正在增加300毫米晶圓的生產(chǎn)。

（2）切割晶圓

硅錠造出來(lái)了，并被整型成一個(gè)完美的圓柱體，接下來(lái)將被切割成片狀，稱為晶圓。晶圓才被真正用于CPU的制造。所謂的“切割晶圓”也就是用機(jī)器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規(guī)格的硅晶片，并將其劃分成多個(gè)細(xì)小的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都將成為一個(gè)CPU的內(nèi)核(Die)。一般來(lái)說(shuō)，晶圓切得越薄，相同量的硅材料能夠制造的CPU成品就越多。

（3）影?。≒hotolithography）

在經(jīng)過(guò)熱處理得到的硅氧化物層上面涂敷一種光阻(Photoresist)物質(zhì)，紫外線通過(guò)印制著CPU復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)圖樣的模板照射硅基片，被紫外線照射的地方光阻物質(zhì)溶解。而為了避免讓不需要被曝光的區(qū)域也受到光的干擾，必須制作遮罩來(lái)遮蔽這些區(qū)域。這是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，每一個(gè)遮罩的復(fù)雜程度得用10GB數(shù)據(jù)來(lái)描述。

（4）蝕刻(Etching)

這是CPU生產(chǎn)過(guò)程中重要操作，也是CPU工業(yè)中的重頭技術(shù)。蝕刻技術(shù)把對(duì)光的應(yīng)用推向了極限。蝕刻使用的是波長(zhǎng)很短的紫外光并配合很大的鏡頭。短波長(zhǎng)的光將透過(guò)這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上，使之曝光。接下來(lái)停止光照并移除遮罩，使用特定的化學(xué)溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜，以及在下面緊貼著抗蝕膜的一層硅。

然后，曝光的硅將被原子轟擊，使得暴露的硅基片局部摻雜，從而改變這些區(qū)域的導(dǎo)電狀態(tài)，以制造出N井或P井，結(jié)合上面制造的基片，CPU的門(mén)電路就完成了。

（5）重復(fù)、分層

為加工新的一層電路，再次生長(zhǎng)硅氧化物，然后沉積一層多晶硅，涂敷光阻物質(zhì)，重復(fù)影印、蝕刻過(guò)程，得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結(jié)構(gòu)。重復(fù)多遍，形成一個(gè)3D的結(jié)構(gòu)，這才是最終的CPU的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導(dǎo)體。Intel的Pentium 4處理器有7層，而AMD的Athlon 64則達(dá)到了9層。層數(shù)決定于設(shè)計(jì)時(shí)CPU的布局，以及通過(guò)的電流大小。

（6）封裝

這時(shí)的CPU是一塊塊晶圓，它還不能直接被用戶使用，必須將它封入一個(gè)陶瓷的或塑料的封殼中，這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。封裝結(jié)構(gòu)各有不同，但越高級(jí)的CPU封裝也越復(fù)雜，新的封裝往往能帶來(lái)芯片電氣性能和穩(wěn)定性的提升，并能間接地為主頻的提升提供堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。

（7）多次測(cè)試

測(cè)試是一個(gè)CPU制造的重要環(huán)節(jié)，也是一塊CPU出廠前必要的考驗(yàn)。這一步將測(cè)試晶圓的電氣性能，以檢查是否出了什么差錯(cuò)，以及這些差錯(cuò)出現(xiàn)在哪個(gè)步驟（如果可能的話）。接下來(lái)，晶圓上的每個(gè)CPU核心都將被分開(kāi)測(cè)試。

由于SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，CPU中緩存的基本組成）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密度高，所以緩存是CPU中容易出問(wèn)題的部分，對(duì)緩存的測(cè)試也是CPU測(cè)試中的重要部分。

每塊CPU將被進(jìn)行完全測(cè)試，以檢驗(yàn)其全部功能。某些CPU能夠在較高的頻率下運(yùn)行，所以被標(biāo)上了較高的頻率；而有些CPU因?yàn)榉N種原因運(yùn)行頻率較低，所以被標(biāo)上了較低的頻率。最后，個(gè)別CPU可能存在某些功能上的缺陷，如果問(wèn)題出在緩存上，制造商仍然可以屏蔽掉它的部分緩存，這意味著這塊CPU依然能夠出售，只是它可能是Celeron等低端產(chǎn)品。

當(dāng)CPU被放進(jìn)包裝盒之前，一般還要進(jìn)行最后一次測(cè)試，以確保之前的工作準(zhǔn)確無(wú)誤。根據(jù)前面確定的最高運(yùn)行頻率和緩存的不同，它們被放進(jìn)不同的包裝，銷(xiāo)往世界各地。

cpu芯片的制作工藝

隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，CPU應(yīng)該是越做越??？可為什么現(xiàn)在CPU好像尺寸并沒(méi)有減少多少，那么是什么原因呢？實(shí)際上CPU廠商很希望把CPU的集成度進(jìn)一步提高，同樣也需要把CPU做得更小，但是因?yàn)楝F(xiàn)在的生產(chǎn)工藝還達(dá)不到這個(gè)要求。

生產(chǎn)工藝這4個(gè)字到底包含些什么內(nèi)容呢，這其中有多少高精尖技術(shù)的匯聚，CPU生產(chǎn)廠商是如何應(yīng)對(duì)的呢？下文將根據(jù)上面CPU制造的7個(gè)步驟展開(kāi)敘述，讓我們一起了解當(dāng)今不斷進(jìn)步的CPU生產(chǎn)工藝。

（1）晶圓尺寸

硅晶圓尺寸是在半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中硅晶圓使用的直徑值。硅晶圓尺寸越大越好，因?yàn)檫@樣每塊晶圓能生產(chǎn)更多的芯片。比如，同樣使用0.13微米的制程在200mm的晶圓上可以生產(chǎn)大約179個(gè)處理器核心，而使用300mm的晶圓可以制造大約427個(gè)處理器核心，300mm直徑的晶圓的面積是200mm直徑晶圓的2.25倍，出產(chǎn)的處理器個(gè)數(shù)卻是后者的2.385倍，并且300mm晶圓實(shí)際的成本并不會(huì)比200mm晶圓來(lái)得高多少，因此這種成倍的生產(chǎn)率提高顯然是所有芯片生產(chǎn)商所喜歡的。

然而，硅晶圓具有的一個(gè)特性卻限制了生產(chǎn)商隨意增加硅晶圓的尺寸，那就是在晶圓生產(chǎn)過(guò)程中，離晶圓中心越遠(yuǎn)就越容易出現(xiàn)壞點(diǎn)。因此從硅晶圓中心向外擴(kuò)展，壞點(diǎn)數(shù)呈上升趨勢(shì)，這樣我們就無(wú)法隨心所欲地增大晶圓尺寸。

總的來(lái)說(shuō)，一套特定的硅晶圓生產(chǎn)設(shè)備所能生產(chǎn)的硅晶圓尺寸是固定的，如果對(duì)原設(shè)備進(jìn)行改造來(lái)生產(chǎn)新尺寸的硅晶圓的話，花費(fèi)的資金是相當(dāng)驚人的，這些費(fèi)用幾乎可以建造一個(gè)新的生產(chǎn)工廠。不過(guò)半導(dǎo)體生產(chǎn)商們也總是盡最大努力控制晶圓上壞點(diǎn)的數(shù)量，生產(chǎn)更大尺寸的晶圓，比如8086 CPU制造時(shí)最初所使用的晶圓尺寸是50mm，生產(chǎn)Pentium 4時(shí)使用200mm的硅晶圓，而Intel新一代Pentium 4 Prescott則使用300mm尺寸硅晶圓生產(chǎn)。300mm晶圓被主要使用在90納米以及65納米的芯片制造上。

（2）蝕刻尺寸

蝕刻尺寸是制造設(shè)備在一個(gè)硅晶圓上所能蝕刻的一個(gè)最小尺寸，是CPU核心制造的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。在制造工藝相同時(shí)，晶體管越多處理器內(nèi)核尺寸就越大，一塊硅晶圓所能生產(chǎn)的芯片的數(shù)量就越少，每顆CPU的成本就要隨之提高。反之，如果更先進(jìn)的制造工藝，意味著所能蝕刻的尺寸越小，一塊晶圓所能生產(chǎn)的芯片就越多，成本也就隨之降低。比如8086的蝕刻尺寸為3μm，Pentium的蝕刻尺寸是0.90μm，而Pentium 4的蝕刻尺寸當(dāng)前是0.09μm（90納米）。2006年初intel酷睿發(fā)布，采用65nm蝕刻尺寸，到2008年酷睿2已經(jīng)發(fā)展到45nm蝕刻尺寸，2010年1月英特爾發(fā)布第一代Core i系列處理器采用32nm的蝕刻尺寸，2012年4月，英特爾發(fā)布第三代Core i系列處理器采用22nm蝕刻尺寸，2015年初第五代Core i系列處理器采用14nm蝕刻尺寸，直到2016年第七代Core i系列KabyLake架構(gòu)的處理器還在延續(xù)使用14nm蝕刻尺寸。

此外，每一款CPU在研發(fā)完畢時(shí)其內(nèi)核架構(gòu)就已經(jīng)固定了，后期并不能對(duì)核心邏輯再作過(guò)大的修改。因此，隨著頻率的提升，它所產(chǎn)生的熱量也隨之提高，而更先進(jìn)的蝕刻技術(shù)另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是可以減小晶體管間電阻，讓CPU所需的電壓降低，從而使驅(qū)動(dòng)它們所需要的功率也大幅度減小。所以我們看到每一款新CPU核心，其電壓較前一代產(chǎn)品都有相應(yīng)降低，又由于很多因素的抵消，這種下降趨勢(shì)并不明顯。

我們前面提到了蝕刻這個(gè)過(guò)程是由光完成的，所以用于蝕刻的光的波長(zhǎng)就是該技術(shù)提升的關(guān)鍵。目前在CPU制造中主要是采用2489埃和1930埃（1埃=0.1納米）波長(zhǎng)的氪/氟紫外線，1930埃的波長(zhǎng)用在芯片的關(guān)鍵點(diǎn)上，主要應(yīng)用于0.18微米和0.13微米制程中，而目前Intel是最新的90納米制程則采用了波長(zhǎng)更短的1930埃的氬/氟紫外線。

以上兩點(diǎn)就是CPU制造工藝中的兩個(gè)因素決定，也是基礎(chǔ)的生產(chǎn)工藝。這里有些問(wèn)題要說(shuō)明一下。Intel是全球制造技術(shù)最先進(jìn)且擁有工廠最多的公司（Intel有10家以上的工廠做CPU），它掌握的技術(shù)也相當(dāng)多，后面有詳細(xì)敘述。AMD和Intel相比則是一家小公司，加上新工廠Fab36，它有3家左右的CPU制造工廠。同時(shí)AMD沒(méi)有能力自己研發(fā)很多新技術(shù)，它主要是通過(guò)戰(zhàn)略合作關(guān)系獲取技術(shù)。

在0.25微米制程上，AMD和Intel在技術(shù)上處于同一水平，不過(guò)在向0.18微米轉(zhuǎn)移時(shí)落在了后面。在感覺(jué)無(wú)法獨(dú)自趕上Intel之后，AMD和摩托羅拉建立了戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。摩托羅拉擁有很多先進(jìn)的電子制造技術(shù)，用于Apple電腦PowerPC的芯片HiPerMOS7(HiP7)就是他們完成的；AMD在獲得授權(quán)后一下子就擁有了很多新技術(shù)，其中部分技術(shù)甚至比Intel的0.13微米技術(shù)還要好。現(xiàn)在AMD選擇了IBM來(lái)共同開(kāi)發(fā)65納米和45納米制造技術(shù)。它選擇的這些都是相當(dāng)有前景的合作伙伴，特別是IBM，一直作為業(yè)界的技術(shù)領(lǐng)袖，它是第一個(gè)使用銅互連、第一個(gè)使用低K值介電物質(zhì)、第一個(gè)使用SOI等技術(shù)的公司。AMD獲得的大多數(shù)技術(shù)很先進(jìn)，而且對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求不高，生產(chǎn)成本控制的很低，這也是AMD的優(yōu)勢(shì)。

圖為AMD的新工廠Fab36中采用的APM 3.0 (Automated Precision Manufacturing)技術(shù)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)制造的自動(dòng)化，效率化。同時(shí)AMD還建造了自己的無(wú)塵實(shí)驗(yàn)室。

（3）金屬互連層

在前面的第5節(jié)“重復(fù)、分層”中，我們知道了不同CPU的內(nèi)部互連層數(shù)是不同的。這和廠商的設(shè)計(jì)是有關(guān)的，但它也可以間接說(shuō)明CPU制造工藝的水平。這種設(shè)計(jì)沒(méi)有什么好說(shuō)的了，Intel在這方面已經(jīng)落后了，當(dāng)他們?cè)?.13微米制程上使用6層技術(shù)時(shí)，其他廠商已經(jīng)使用7層技術(shù)了；而當(dāng)Intel準(zhǔn)備好使用7層時(shí)，IBM已經(jīng)開(kāi)始了8層技術(shù)；當(dāng)Intel在Prescott中引人7層帶有Low k絕緣層的銅連接時(shí)，AMD已經(jīng)用上9層技術(shù)了。更多的互連層可以在生產(chǎn)上億個(gè)晶體管的CPU(比如Prescott)時(shí)提供更高的靈活性。

我們知道當(dāng)晶體管的尺寸不斷減小而處理器上集成的晶體管又越來(lái)越多的時(shí)候，連接這些晶體管的金屬線路就更加重要了。特別是金屬線路的容量直接影響信息傳送的速度。在90納米制程上，Intel推出了新的絕緣含碳的二氧化硅來(lái)取代氟化硅酸鹽玻璃，并同時(shí)表示這可以增加18%的內(nèi)部互連效率。