CPU——中央处理器，世界上单位体积集成度最大的集成电路核心，也是唯一无法山寨的物品。CPU的制造过程代表了当今世界科技发展的最高水平。

 

 

 

那CPU处理器到底是怎样的一个制作过程呢？

 

处理器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、等级测试、包装上市等几个基本步骤。 

 

 

 

 

 

下面向你们一一介绍这几个步骤的具体过程。

 

 

 

重要来源——沙（石英）

 

作为半导体材料，使用得最多的就是硅元素，其在地球表面的元素中储量仅次于氧，含硅量在27.72%，其主要表现形式就是沙子（主要成分为二氧化硅），沙子里面就含有相当量的硅。因此硅作为IC制作的原材料最合适不过。

 

 

 

 

 

硅熔炼、提纯

 

实际在IC产业中使用的硅纯度要求必须高达99.9999%。目前主要通过将二氧化硅与焦煤在1600-1800℃中，将二氧化硅还原成纯度为98%的冶金级单质硅，紧接着使用氯化氢提纯出99.99%的多晶硅。虽然此时的硅纯度已经很高，但是其内部混乱的晶体结构并不适合半导体的制作，还需要经过进一步提纯、形成固定一致形态的单晶硅。

 

 

 

 

 

制备单晶硅锭

 

单晶的意思是指原子在三维空间中呈现规则有序的排列结构，而单晶硅拥有“金刚石结构”，每个晶胞含有8个原子，其晶体结构十分稳定。

 

 

 

 

 

 

 

 

硅熔炼成硅锭：通过多步净化得到可用于半导体制造质量的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。通常单晶硅锭都是采用直拉法制备，在仍是液体状态的硅中加入一个籽晶，提供晶体生长的中心，通过适当的温度控制，就开始慢慢将晶体向上提升并且逐渐增大拉速，上升同时以一定速度绕提升轴旋转，以便将硅锭控制在所需直径内。结束时，只要提升单晶硅炉温度，硅锭就会自动形成一个锥形尾部，制备就完成了，一次性产出的IC芯片更多。

 

 

 

 

 

制备好的单晶硅锭直径约在300mm左右，重约100kg。而目前全球范围内都在生产直径12寸的硅圆片，硅圆片尺寸越大，效益越高。

 

 

 

硅锭切片

 

将硅锭横向切割成圆形的单个硅片——晶圆(Wafer)。切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕。

 

 

 

 

 

 

 

涂抹光刻胶

 

对晶圆进行光刻胶(Photo Resist)，在晶圆旋转过程中浇上蓝色的的光刻胶液体，晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、平。

 

 

 

 

 

 

 

紫外线曝光

 

光刻胶层随后透过掩模(Mask)被曝光在紫外线(UV)之下，变得可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上印着预先设计好的电路图案，紫外线透过它照在光刻胶层上，就会形成微处理器的每一层电路图案。

 

 

 

 

 

一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到其中一个上，展示如何制作晶体管等部件。晶体管相当于开关，控制着电流的方向。晶体管及其微小，一个针头上就能放下大约3000万个。

 

 

 

溶解部分光刻胶

 

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。

 

 

 

 

 

离子注入

 

在特定的区域，有意识地导入特定杂质的过程称为“杂质扩散”。通过杂质扩散可以控制导电类型（P结、N结）之外，还可以用来控制杂质浓度以及分布。

 

现在一般采用离子注入法进行杂质扩散，在离子注入机中，将需要掺杂的导电性杂质导入电弧室，通过放电使其离子化，经过电场加速后，将数十到数千keV能量的离子束由晶圆表面注入。离子注入完毕后的晶圆还需要经过热处理，一方面利用热扩散原理进一步将杂质“压入”硅中，另一方面恢复晶格完整性，活化杂质电气特性。

 

 

 

 在真空系统中，用经过加速，并掺杂原子的离子照射固体材料，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。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。

 

 

 

沉淀铜层

 

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，沉积在晶圆表面的铜离子形成一个薄薄的铜层。

 

 

 

 

 

 

 

构建晶体管之间连接电路

 

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，尽管芯片表面看起来异常平滑，但事实上包含20多层复杂的电路，形如未来世界的多层高速公路系统。

 

 

 

 

 

 

 

晶圆级测试

 

使用参考电路图案和每一块芯片进行功能性测试，然后丢弃瑕疵内核。

 

 

 

 

将晶圆切割成块，尺寸300毫米/12英寸，每一块就是一个处理器的内核(Die)。

 

 

 

 

封装

 

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。封装级别，20毫米/1英寸。

 

 

 

 

 

 

 

等级测试

 

CPU制造完成后，还会进行一次全面的测试。测试出每一颗芯片的稳定频率、功耗、发热，如果发现芯片内部有硬件性缺陷，将会做硬件屏蔽措施，因此划分出不同等级类型CPU，例如Core i7、i5、i3。

 

 

 

 

 

 

 

装箱零售

 

制造、测试完毕的处理器包装好后进入市场。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

离子注入法具有加工温度低，可均匀、大面积注入杂质，易于控制等优点，因此成为超大规模集成电路中不可缺少的工艺。

 

 

 

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