cpu製作工藝

CPU的“製作工藝”指得是在生產CPU過程中，要進行加工各種電路和電子元件，精度越高，生產工藝越先進。在同樣的材料中可以製造更多的電子元件，連線線也越細，提高CPU的集成度，CPU的功耗也越小。

基本介紹

• 中文名：cpu製作工藝
• 屬於：IC內電路與電路之間的距離
• 趨勢：向密集度愈高的方向
• 包含：0.25微米、0.18微米、

簡介

製造工藝的微米是指IC內電路與電路之間的距離。製造工藝的趨勢是向密集度愈高的方向發展。密度愈高的IC電路設計，意味著在同樣大小面積的IC中，可以擁有密度更高、功能更複雜的電路設計。微電子技術的發展與進步，主要是靠工藝技術的不斷改進，使得器件的特徵尺寸不斷縮小，從而集成度不斷提高，功耗降低，器件性能得到提高。晶片製造工藝在1995年以後，從0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90納米、65納米、45納米、32納米、22納米、20納米，一直發展到目前最新的14納米（商用）。

提高處理器的製造工藝具有重大的意義，因為更先進的製造工藝會在CPU內部集成更多的電晶體，使處理器實現更多的功能和更高的性能；更先進的製造工藝會使處理器的核心面積進一步減小，也就是說在相同面積的晶圓上可以製造出更多的CPU產品，直接降低了CPU的產品成本，從而最終會降低CPU的銷售價格使廣大消費者得利；更先進的製造工藝還會減少處理器的功耗，從而減少其發熱量，解決處理器性能提升的障礙.....處理器自身的發展歷史也充分的說明了這一點，先進的製造工藝使CPU的性能和功能一直增強，而價格則一直下滑，也使得電腦從以前大多數人可望而不可及的奢侈品變成了現在所有人的日常消費品和生活必需品。

總體來說，更先進的製成工藝需要更久的研製時間和更高的研製技術，但是更先進的製成工藝可以更好的提高中央處理器的性能和節省處理器的生產成本，以便降低售價。

製作流程

作為計算機的核心組件，CPU（Central Processor Unit，中央處理器）在用戶的心中一直是十分神秘的：在多數用戶的心目中，它都只是一個名詞縮寫，他們甚至連它的全寫都拚不出來；在一些硬體高手的眼裡，CPU也至多是一塊十餘平方厘米，有很多腳的塊塊兒，而CPU的核心部分甚至只有不到一平方厘米大。他們知道這塊不到一平方厘米大的玩意兒是用多少微米工藝製成的，知道它集成了幾億幾千萬電晶體，但鮮有了解CPU的製造流程者。我們來詳細的了解一下，CPU是怎樣練成的。

基本材料

多數人都知道，現代的CPU是使用矽材料製成的。矽是一種非金屬元素，從化學的角度來看，由於它處於元素周期表中金屬元素區與非金屬元素區的交界處，所以具有半導體的性質，適合於製造各種微小的電晶體，是目前最適宜於製造現代大規模積體電路的材料之一。從某種意義上說，沙灘上的沙子的主要成分也是矽（二氧化矽），而生產CPU所使用的矽材料，實際上就是從沙子裡面提取出來的。當然，CPU的製造過程中還要使用到一些其它的材料，這也就是為什麼我們不會看到Intel或者AMD只是把成噸的沙子拉往他們的製造廠。同時，製造CPU對矽材料的純度要求極高，雖然來源於廉價的沙子，但是由於材料提純工藝的複雜，我們還是無法將一百克高純矽和一噸沙子的價格相提並論。

製造CPU的另一種基本材料是金屬。金屬被用於製造CPU內部連線各個元件的電路。鋁是常用的金屬材料之一，因為它廉價，而且性能不差。而現今主流的CPU大都使用了銅來代替鋁，因為鋁的電遷移性太大，已經無法滿足當前飛速發展的CPU製造工藝的需要。所謂電遷移，是指金屬的個別原子在特定條件下（例如高電壓）從原有的地方遷出。

很顯然，如果不斷有原子從連線元件的金屬微電路上遷出，電路很快就會變得千瘡百孔，直到斷路。這也就是為什麼超頻者嘗試對Northwood Pentium 4的電壓進行大幅度提升時，這塊悲命的CPU經常在“突發性Northwood死亡綜合症（Sudden Northwood Death Syndrome，SNDS）”中休克甚至犧牲的原因。SNDS使得Intel第一次將銅互連（Copper Interconnect）技術套用到CPU的生產工藝中。銅互連技術能夠明顯的減少電遷移現象，同時還能比鋁工藝製造的電路更小，這也是在納米級製造工藝中不可忽視的一個問題。

不僅僅如此，銅比鋁的電阻還要小得多。種種優勢讓銅互連工藝迅速取代了鋁的位置，成為CPU製造的主流之選。除了矽和一定的金屬材料之外，還有很多複雜的化學材料也參加了CPU的製造工作。

準備工作

解決製造CPU的材料的問題之後，我們開始進入準備工作。在準備工作的過程中，一些原料將要被加工，以便使其電氣性能達到製造CPU的要求。其一就是矽。首先，它將被通過化學的方法提純，純到幾乎沒有任何雜質。同時它還得被轉化成矽晶體，從本質上和海灘上的沙子劃清界限。

在這個過程中，原材料矽將被熔化，並放進一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐里放入一顆晶種，以便矽晶體圍著這顆晶種生長，直到形成一個幾近完美的單晶矽。如果你在高中時把硫酸銅結晶實驗做的很好，或者看到過單晶冰糖是怎么製造的，相信這個過程不難理解。同時你需要理解的是，很多固體物質都具有晶體結構，例如食鹽。CPU製造過程中的矽也是這樣。小心而緩慢的攪拌矽的熔漿，矽晶體包圍著晶種向同一個方向生長。最終，一塊矽錠產生了。

過去，矽錠的直徑大都是200毫米，而現在，CPU廠商已經能夠製造300毫米直徑的矽錠。在確保質量不變的前提下製造更大的矽錠難度顯然更大，但CPU廠商的投資解決了這個技術難題。建造一個生產300毫米直徑矽錠的製造廠大約需要35億美元，Intel將用其產出的矽材料製造更加複雜的CPU。而建造一個相似的生產200毫米直徑矽錠的製造廠只要15億美元。作為第一個吃螃蟹的人，Intel顯然需要付出更大的代價。花兩倍多的錢建造這樣一個製造廠似乎很划不來，但從下文可以看出，這個投資是值得的。矽錠的製造方法還有很多，上面介紹的只是其中一種，叫做CZ製造法。

矽錠造出來了，並被整型成一個完美的圓柱體，接下來將被切割成片狀，稱為晶圓。晶圓才被真正用於CPU的製造。一般來說，晶圓切得越薄，相同量的矽材料能夠製造的CPU成品就越多。接下來晶圓將被磨光，並被檢查是否有變形或者其它問題。在這裡，質量檢查直接決定著CPU的最終良品率，是極為重要的。

有問題的晶圓將被摻入適當的其它材料，用以在上面製造出各種電晶體。摻入的材料沉積在矽原子之間的縫隙中。目前普遍使用的電晶體製造技術叫做CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductors，互補式金屬氧化物半導體）技術，相信這個詞你經常見到。簡單的解釋一下，CMOS中的C（Complementary）是指兩種不同的MOS電路“N”電路和“P”電路之間的關係：它們是互補的。

在電子學中，“N”和“P”分別是Negative和Positive的縮寫，用於表示極性。可以簡單的這么理解，在“N”型的基片上可以安裝“P”井製造“P”型的電晶體，而在“P”型基片上則可以安裝“N”井製造“N”型電晶體。在多數情況下，製造廠向晶圓里摻入相關材料以製造“P”基片，因為在“P”基片上能夠製造出具有更優良的性能，並且能有效的節省空間的“N”型電晶體；而這個過程中，製造廠會儘量避免產生“P”型電晶體。

接下來這塊晶圓將被送入一個高溫熔爐，當然這次我們不能再讓它熔化了。通過密切監控熔爐內的溫度、壓力和加熱時間，晶圓的表面將被氧化成一層特定厚度的二氧化矽（SiO2），作為電晶體門電路的一部分—基片。如果你學過邏輯電路之類的，你一定會很清楚門電路這個概念。通過門電路，輸入一定的電平將得到一定的輸出電平，輸出電平根據門電路的不同而有所差異。電平的高低被形象的用0和1表示，這也就是計算機使用二進制的原因。在Intel使用90納米工藝製造的CPU中，這層門電路只有5個原子那么厚。

準備工作的最後一步是在晶圓上塗上一層光敏抗蝕膜，它具有光敏性，並且感光的部分能夠被特定的化學物質清洗掉，以此與沒有曝光的部分分離。

完成門電路

這是CPU製造過程中最複雜的一個環節，這次使用到的是光微刻技術。可以這么說，光微刻技術把對光的套用推向了極限。CPU製造商將會把晶圓上覆蓋的光敏抗蝕膜的特定區域曝光，並改變它們的化學性質。而為了避免讓不需要被曝光的區域也受到光的干擾，必須製作遮罩來遮蔽這些區域。想必你已經在Photoshop之類的軟體裡面認識到了遮罩這個概念，在這裡也大同小異。

在這裡，即使使用波長很短的紫外光並使用很大的鏡頭，也就是說，進行最好的聚焦，遮罩的邊緣依然會受到影響，可以簡單的想像成邊緣變模糊了。請注意我們現在討論的尺度，每一個遮罩都複雜到不可想像，如果要描述它，至少得用10GB的數據，而製造一塊CPU，至少要用到20個這樣的遮罩。對於任意一個遮罩，請嘗試想像一下北京市的地圖，包括它的郊區；然後將它縮小到一塊一平方厘米的小紙片上。最後，別忘了把每塊地圖都連線起來，當然，說的不是用一條線連連那么簡單。

當遮罩製作完成後，它們將被覆蓋在晶圓上，短波長的光將透過這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上，使之曝光。接下來停止光照並移除遮罩，使用特定的化學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矽。

當剩餘的光敏抗蝕膜也被去除之後，晶圓上留下了起伏不平的二氧化矽山脈，當然你不可能看見它們。接下來添加另一層二氧化矽，並加上了一層多晶矽，然後再覆蓋一層光敏抗蝕膜。多晶矽是上面提到的門電路的另一部分，而以前這是用金屬製造而成的（即CMOS里的M：Metal）。光敏抗蝕膜再次被蓋上決定這些多晶矽去留的遮罩，接受光的洗禮。然後，曝光的矽將被原子轟擊，以製造出N井或P井，結合上面製造的基片，門電路就完成了。

重複

可能你會以為經過上面複雜的步驟，一塊CPU就已經差不多製造完成了。實際上，到這個時候，CPU的完成度還不到五分之一。接下來的步驟與上面所說的一樣複雜，那就是再次添加二氧化矽層，再次蝕刻，再次添加……重複多遍，形成一個3D的結構，這才是最終的CPU的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導體。Intel的Pentium 4處理器有7層，而AMD的Athlon 64則達到了9層。層數決定於設計時CPU的布局，以及通過的電流大小。

測試

在經過幾個星期的從最初的晶圓到一層層矽、金屬和其它材料的CPU核心的製造過程之後，該是看看製造出來的這個怪物的時候了。這一步將測試晶圓的電氣性能，以檢查是否出了什麼差錯，以及這些差錯出現在哪個步驟（如果可能的話）。接下來，晶圓上的每個CPU核心都將被分開（不是切開）測試。

通過測試的晶圓將被切分成若干單獨的CPU核心，上面的測試里找到的無效的核心將被放在一邊。接下來核心將被封裝，安裝在基板上。然後，多數主流的CPU將在核心上安裝一塊集成散熱反變形片（Integrated Heat Spreader，IHS）。每塊CPU將被進行完全測試，以檢驗其全部功能。某些CPU能夠在較高的頻率下運行，所以被標上了較高的頻率；而有些CPU因為種種原因運行頻率較低，所以被標上了較低的頻率。最後，個別CPU可能存在某些功能上的缺陷，如果問題出在快取上（快取占CPU核心面積的一半以上），製造商仍然可以禁止掉它的部分快取，這意味著這塊CPU依然能夠出售，只是它可能是Celeron，可能是Sempron，或者是其它的了。

當CPU被放進包裝盒之前，一般還要進行最後一次測試，以確保之前的工作準確無誤。根據前面確定的最高運行頻率不同，它們被放進不同的包裝，銷往世界各地。