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半导体是现代电子业的基础,业包括我们热爱的音响业。下面详细展示了Intel从沙子到芯片的全过程,满足你的好奇心。
. N i5 B# k3 U' z. k, X, Z3 |不知道发到这个版块是否合适,不合适的话请版主迁移~~{:soso_e181:}; i% D Q. x3 T' ?4 }& O" f! I
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简单地说,处理器的制造过程可以大致分为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻(平版印刷)、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、包装上市等诸多步骤,而且每一步里边又包含更多细致的过程。
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/ b j( q# b( y l. {下边就图文结合,一步一步看看主要的过程:4 B, ~: y9 c4 B0 p/ W, Y( [/ q
+ x( ?. m# h* g/ ^. I沙子:硅是地壳内第二丰富的元素,而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25%的硅元素,以二氧化硅(SiO2)的形式存在,这也是半导体制造产业的基础。
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硅熔炼:12英寸/300毫米晶圆级,下同。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。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的,最后得到的就是硅锭(Ingot)。! k% u# X& f# a+ D, {6 a* w4 j* M7 g6 E
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单晶硅锭:整体基本呈圆柱形,重约100千克,硅纯度99.9999%。3 \1 }8 F8 m4 K
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1 Q/ P6 y' Z4 r* O% R硅锭切割:横向切割成圆形的单个硅片,也就是我们常说的晶圆(Wafer)。顺便说,这下知道为什么晶圆都是圆形的了吧?$ T6 q" ]' q, S+ L
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- E- L5 a H, p4 I晶圆:切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕,表面甚至可以当镜子。事实上,Intel自己并不生产这种晶圆,而是从第三方半导体企业那里直接购买成品,然后利用自己的生产线进一步加工,比如现在主流的45nm HKMG(高K金属栅极)。值得一提的是,Intel公司创立之初使用的晶圆尺寸只有2英寸/50毫米。" g+ r& [; ~; J |' ~6 m
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光刻胶(Photo Resist):图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体,类似制作传统胶片的那种。晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。
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光刻一: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。一般来说,在晶圆上得到的电路图案是掩模上图案的四分之一。1 C) B7 s6 O2 p- b( ~$ o8 F
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光刻二:由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别。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。现在的晶体管已经如此之小,一个针头上就能放下大约3000万个。
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/ X- S; i) O* K溶解光刻胶: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。
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n3 A i4 j) D( D7 ~蚀刻:使用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分,而剩下的光刻胶保护着不应该蚀刻的部分。) ?/ x: } U! n' | }2 ~
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: r M* c. E/ @% Z6 r2 ?清除光刻胶:蚀刻完成后,光刻胶的使命宣告完成,全部清除后就可以看到设计好的电路图案。: c3 O& j3 C- G _# x G" I3 {
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$ f9 ~- O4 Y4 H9 q: Z# W q. H光刻胶:再次浇上光刻胶(蓝色部分),然后光刻,并洗掉曝光的部分,剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。+ V5 `; n9 Y* C5 T2 {0 P7 M
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离子注入(Ion Implantation):在真空系统中,用经过加速的、要掺杂的原子的离子照射(注入)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。
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清除光刻胶:离子注入完成后,光刻胶也被清除,而注入区域(绿色部分)也已掺杂,注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。8 U- a: }. f: E" c
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晶体管就绪:至此,晶体管已经基本完成。在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞,并填充铜,以便和其它晶体管互连。# k: M# K' O* X9 Y! T3 ~
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5 I0 t$ T$ j" c! G' b. h- t& Z电镀:在晶圆上电镀一层硫酸铜,将铜离子沉淀到晶体管上。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极)。
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4 H @. ^/ `) p- k铜层:电镀完成后,铜离子沉积在晶圆表面,形成一个薄薄的铜层。! t/ {# b; [1 ^: j! |3 }
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抛光:将多余的铜抛光掉,也就是磨光晶圆表面。1 I% K) x' D$ R5 F% Q% T- G2 R- T
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* |$ N2 q2 m, A9 c金属层:晶体管级别,六个晶体管的组合,大约500纳米。在不同晶体管之间形成复合互连金属层,具体布局取决于相应处理器所需要的不同功能性。芯片表面看起来异常平滑,但事实上可能包含20多层复杂的电路,放大之后可以看到极其复杂的电路网络,形如未来派的多层高速公路系统。
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, ^) L( \+ I* U( W& ~晶圆测试:内核级别,大约10毫米/0.5英寸。图中是晶圆的局部,正在接受第一次功能性测试,使用参考电路图案和每一块芯片进行对比。
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