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从沙子到芯片,看看CPU是如何制造出来的

1、沙子 / 硅锭

硅是地壳中含量位居第二的元素。
常识:沙子含硅量很高。
硅 --- 计算机芯片的原料 --- 是一种半导体材料,也就是说通过掺杂,硅可以转变成导电性良好的导体或绝缘体。
[注:半导体是导电性介于导体和绝缘体之间的一种材料。掺杂是一种手段,通常加入少量其它某种元素改变导电性。]
熔融的硅 --- 尺寸:晶圆级 (~300毫米 / 12英寸)

为了能用于制造计算机芯片,硅必须被提纯到很高的纯度(10亿个原子中至多有一个其它原子,也就是99.9999999%以上) 硅在熔融状态被抽取出来后凝固,该固体是一种由单个连续无间断的晶格点阵排列的圆柱,也就是硅锭。
单晶硅锭 --- 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸) 硅锭的直径大约300毫米,重约100千克。
单晶硅就是说整块硅就一个晶体,我们日长生活中见到的金属和非金属单质或化合物多数以多晶体形态存在

2、硅锭 / 晶圆
切割 --- 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)

硅锭被切割成单个的硅片,称之为晶圆。每个晶圆的直径为300毫米,厚度大约1毫米。
晶圆 – 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
晶圆抛光,直到无瑕,能当镜子照。Intel从供货商那里购买晶圆。目前晶圆的供货尺寸比以往有所上长,而平均下来每个芯片的制造成本有所下降。目前供货商提供的晶圆直径300毫米,工业用晶圆有长到450毫米的趋势。

 

 

在一片晶圆上制造芯片需要几百个精确控制的工序,不同的材料上一层覆一层。
下面简要介绍芯片的复杂制造过程中几个比较重要的工序。

3、光刻
光刻胶的使用 --- 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
光刻是用一种特殊的方法把某种图像印到晶圆上的过程。开始时使用一种称为光刻胶的液体,把它均匀的浇注到旋转的晶圆上。光刻胶这个名字的来源于是这样的,人们发现有一种物质对特定频率的光敏感,它能够抵御某种特殊化学物质的腐蚀,蚀刻中涂覆刻它可起到保护作用,蚀掉不想要的材质。
曝光 --- 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
光刻胶硬化后,用一定频率的紫外线照射后变得可溶。曝光过程需要用到膜片,膜片起到印模的作用,如此一来,只有曝光部分的光刻胶可溶。膜片的图像(电路)印到了晶圆上。电路图像要经过透镜缩小,曝光设备在晶圆上来回移动多次,也就是说曝光多次后电路图才能彻底印上去。
[注:跟古老的照相机底片的原理类似]
溶解光刻胶 --- 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
通过化学过程溶解曝光的光刻胶,被膜片盖住的光刻胶保留下来。

 

 

4、离子注入
离子注入 --- 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
覆盖着光刻胶的晶圆经过离子束(带正电荷或负电荷的原子)轰击后,未被光刻胶覆盖的部分嵌入了杂质(高速离子冲进未被光刻胶覆盖的硅的表面),该过程称为掺杂。由于硅里进入了杂质,这会改变某些区域硅的导电性(导电或绝缘,这依赖于使用的离子)。这里展示一下空洞(well)的制作,这些区域将会形成晶体管。
[注:据说这种用于注入的带电粒子被电场加速后可达30万千米/小时]
去除光刻胶--- 尺寸:晶圆级(大约300毫米/12英寸)
离子注入后,光刻胶被清除,在掺杂区形成晶体管。
晶体管形成初期 --- 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
图中是放大晶圆的一个点,此处有一个晶体管。绿色区域代表掺杂硅。现在的晶圆会有几千亿个这样的区域来容纳晶体管。

 

 

5、刻蚀
刻蚀 --- 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
为了给三门晶体管制造一个鳍片(fin),上述光刻过程中,使用一种称为硬膜片(蓝色)的图像材料。
然后用一种化学物质刻蚀掉不想要的硅,留下覆盖着硬膜片的鳍片。



 

6、临时门的形成
二氧化硅门电介质 --- 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)

在光刻阶段,部分晶体管用光刻胶覆盖,把晶圆插入到充满氧的管状熔炉中,产生一薄层二氧化硅(红色),这就造就了一个临时门电介质。
多晶硅门电极 --- 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
在光刻阶段,制造一层多晶硅(黄色),这就造就了一个临时门电极。
绝缘 --- 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
在氧化阶段,整个晶圆的二氧化硅层(红色透明)用于跟其它部分绝缘。
英特尔使用”最后门” (也称为 “替代金属门”)技术制作晶体管金属门。这种做法的目的是确保晶体管不出现稳定性问题,否则高温的工序会导致晶体管不稳定。

 

7、“最后门” 高K/金属门的形成
[注:介电常数K为高还是低是相对的,但英特尔的标准跟业界不同,业界普遍采用IBM的标准,用低K介质能减少漏电流,但是加工困难,目前大规模数字电路多用高K介质。]
牺牲门的去除 --- 尺寸:晶体管级(大约50~200纳米)
用膜片工序里的做法,临时(牺牲)门电极和门电介质被刻蚀掉。真实门现在就会形成了,因为第一门被去掉了,该工序称为“最后门”。
高K电介质的使用 --- 尺寸:晶体管级 (大约50~200纳米)
在称为”原子层”沉积的过程中,晶圆表面覆了一层分子。图中黄色层代表这些层中的两层。使用光刻技术,在不想要的区域(例如透明二氧化硅的上面)里,高K材质被刻蚀掉。
金属门 --- 尺寸:晶体管级 (大约50~200纳米)
晶圆上形成金属电极 (蓝色),不想要的区域用光刻的办法刻蚀掉。 跟高K材料配合(薄薄的黄色层)起来使用,可以改善晶体管性能,减少漏电流的产生,这是使用传统的二氧化硅 / 多晶硅门不能企及的。

 

 

8、金属沉积
晶体管就绪 --- 尺寸:晶体管级 (大约50~200纳米)

晶体管的建造快竣工了。
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