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全球唯一无法山寨的产品,从一堆沙子到CPU的制作全过程

 兲行健 2017-11-28

全球唯一无法山寨的产品,从一堆沙子到CPU的制作全过程

中央处理器(CPU)是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据,这也是为数不多不能山寨的物品。当然,CPU的制造过程代表了当今世界科技发展的最高水平

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硅是地壳内第二丰富的元素,沙中含有25%的硅,是地壳中第二多元素,在经过氧化之后就成为了二氧化硅,在沙,尤其是石英中二氧化硅的含量非常高,这就是制造半导体的基础。

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在采购原材料沙子后,将其中的硅进行分离,多余的材料被废弃,再经过多个步骤进行提纯,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。它的纯度是非常大的,每10亿个硅原子中只有一个是不符合要求的。

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一个被铸成锭后的电子级硅的单晶体,重量大约为100千克,硅的纯度达到了99.9999%

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铸好锭后,将进入切割阶段,将整个锭切成一片一片的圆盘,也就是我们俗称的晶圆,这样求切割出来的是非常薄的,随后,晶圆就要进行抛光,直至完美,表面如镜面一样光滑

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晶圆上有蓝色液体,这是类似胶片拍照时的光阻剂,晶圆不停旋转,以使其将液体均匀涂抹在晶圆上,并且涂层也是非常薄的

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用紫外光照射晶圆。紫外光先通过一个带有“图案”的“挡板”,其功能在于遮掉部分光线,使光线特定的形状照射在晶圆上。中间的透镜用于将光线汇聚于一个很小的范围。紫外光照射到感光物质上,发生类似于胶片感光的化学反应,使感光物质变得可溶。这样其实就将“挡板”上的“图案”,其实就是微电路的形状“影印”在了晶圆上。

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晶体管相当于开关,控制着电流的方向。晶体管是CPU的基本组成单位。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

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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。然后光刻,并洗掉曝光的部分。

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再重新涂上蓝色的光阻剂(蓝色),并为下一步做好准备。图中蓝色部分为有感光材料保护的部分

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离子注入,也就是用离子轰击暴露地区的硅片,用离子撞击植入硅片的方式来改变这些地区硅的导电性,离子需要非常高速的撞击到晶圆表面上,通过电场加速后的离子速度可以达到每小时30万公里

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当离子注入后,光阻层将被移除,绿色部分的材料会掺入晚来的原子。

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这时晶体管是接近完成,晶体管洋红色表面是保温层,上面有三个洞,这三个洞将用来填补铜,以便连接到其他晶体管。

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在晶圆放入硫酸铜溶液这个阶段,铜离子的沉积到晶体管,这个过程被称为电镀。游离的铜离子分别到晶圆的积极终端(阳极)和消极终端(阴极)

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将多余的铜抛光掉,留下了非常薄的一层铜

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多金属层是建立各种晶体管的互连,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。

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在这部分准备将晶圆建立第一个功能测试,在这个阶段的测试模式中输入每个单芯片,并监测比较芯片的反应,然后丢弃瑕疵内核。

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将晶圆切割成块,每一块就是一个处理器的内核。

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这是一个被分离出来的的核心,Core i7,由上一道工序切割而成

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将衬底(基片针脚)、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。

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最后会对每个CPU进行测试。基于测试的结果,将具有相同的能力的处理器归属一类,分级确定了处理器的最高工作频率,根据稳定性等规格制定价格

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