CPU制造工艺

TheManufacturingProcessOfCentralProcessingUnit(CPU)——CPU制程现代制造姓名：谢雪范学号：2016412033CPU制造工艺CPU制造工艺，又称为CPU制程，该工艺决定CPU性能的优劣。CPU的发展史也可以视为其制作工艺的发展史，以CPU为代表的芯片制造水平是一个国家科研水平的标志。当今世界仅少数几家厂商具备CPU研发和生产能力，PC用CPU领域主要为Intel、AMD；手机用CPU主要有Qualcomm（骁龙）、MediaTek.Inc（MT系列）、Apple（A系列，由三星或台积电代工）、TI、SAMSUNG、华为（海思）等。下面以Intel的产品为例，了解CPU的制造过程和纳米制作工艺。CPU的生产过程1.硅提纯生产CPU的材料是半导体硅Si，且须是纯净的单晶硅才适合于制造各种微小的晶体管。首先把含硅元素的原材料（如石英）放进石英熔炉熔化。然后向熔炉里放入一颗晶种，硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成圆柱型的单晶硅锭。此操作被称为硅提纯，提纯后的硅纯度在99.99%以上。CPU生产过程2.切割硅锭圆柱体硅锭被切割形成类似光盘状的片状硅晶片被称为晶圆。晶圆被用于CPU的制造，将其划分成数十或数百个细小的区域，每个区域都将成为一个CPU的内核，切割出来的晶圆越薄，每个圆柱体硅锭形成的晶圆就会越多，每个硅锭制造的CPU内核就会越多，利用率越高。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。工艺要素：晶圆尺寸晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。CPU生产过程晶圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。但晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点，因此晶圆中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，无法随意地增大晶圆尺寸。3.影印紫外线透过印制着CPU复杂电路结构图样的掩模(Mask)照射涂敷光刻胶(PhotoResist)的晶圆上，被紫外线照射的光刻胶溶解并发生化学反应，类似于机械相机的曝光，从而在晶圆表面形成CPU复杂电路结构图。为避免不需要曝光的区域也受到光的干扰，通常用石英遮罩来遮蔽这些区域。CPU生产过程CPU生产过程蓝色部分为光刻胶掩模蚀刻4.蚀刻蚀刻是CPU制造过程中最重要的技术。即在影印后，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光刻胶和紧贴着光刻胶的一层硅。然后用原子轰击曝光的硅基片实现掺杂，进而改变这些区域的导电状态，制造出N井（Nwell）或P井(Pwell)，再结合影印阶段制造的基片，形成以晶体管为主体的CPU门电路。工艺要素：蚀刻尺寸蚀刻尺寸是制造设备在一个硅晶圆上所能蚀刻的一个最小尺寸，是CPU核心制造的关键技术参数。CPU生产过程在制造工艺相同时，晶体管越多处理器内核尺寸就越大，一块晶圆所能生产的芯片的数量就越少，每颗CPU的成本就要随之提高。反之，如果更先进的制造工艺，意味着所能蚀刻的尺寸越小，一块晶圆所能生产的芯片就越多，成本也就随之降低。比如8086的蚀刻尺寸为3μm，Pentium的蚀刻尺寸是0.90μm，而Pentium4的蚀刻尺寸当前是0.09μm（90纳米）。目前Intel的300mm尺寸硅晶圆厂可以做到0.065μm（65纳米）的蚀刻尺寸。CPU生产过程离子注入原理离子注入(IonImplantation)：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（即形成N井或P井）经过电场加速后，注入的离子流的速度可以超过300000km/h。MOS管相较于一般晶体管体积小、重量轻、能耗小、寿命长，且易于集成，因此在大规模、超大规模数字集成电路中应用广泛。例—MOS管N沟道增强型MOS管工作原理CPU生产过程5.重复、分层为了在硅基片上形成新的一层电路，需再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷硅氧化物，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复数十遍，最终形成一个3D结构的晶体管及附属电路，这是最终的核心CPU。依据CPU的晶体管及线路布局，以及通过CPU的电流大小决定CPU层数，层与层中间用金属铜或铝填充。如AMD的Athlon64，其CPU达到9层结构。CPU的多层结构6.电镀、抛光电镀即在晶圆上电镀一层薄薄的铜。将多余的铜抛光掉，磨光晶圆表面。CPU生产过程7.封装将光盘状晶圆，切割成几十或数百块单独的CPU内核，进而被封入陶瓷的或塑料的封壳中，此过程称CPU的封装。封装后的CPU内核，既可以防止外界灰尘对内部的影响，又能带来CPU芯片电气性能的提升，并能间接地提升CPU主频稳定性。衬底(基片)、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。其中衬底相当于一个底座，并为处理器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它部分交互。CPU生产过程单个内核晶圆测试切割封装8.等级测试测试是CPU制造的最后环节，也是出厂前的必要环节。测试时每个CPU核心都将被分开测试，测试内容主要是CPU的电气性能。首先因为CPU中的缓存结构（Cache）最复杂、密度高，容易出问题，故对CPU缓存的测试会是重点。然后是对整块CPU进行完全测试，以检验其全部性能指标。Intel的酷睿i7能够在较高的频率下运行，故称为高端产品，而奔腾因为运行频率较低故被称为中端产品。CPU被装入包装盒后，根据不同的运行频率和缓存，标识成性能不同的产品，销往全球各地市场。CPU生产过程ThanksforyourattentionCPU纳米制作工艺，实际上指的是一种工艺尺寸，代表在一块硅晶圆片上集成数以万计的晶体管之间的连线宽度。也就是指芯片上最基本功能单元门电路和门电路间连线的宽度。以65纳米制造工艺为例，此时门电路间的连线宽度为65纳米。CPU纳米制作工艺简述CPU纳米制作工艺简述随着CPU工艺技术的不断改进，元器件的特征尺寸不断缩小，集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。CPU芯片制造工艺在1995年从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纳米、65纳米、45纳米，一直发展到目前最新的22纳米。晶体管连线宽度的降低最终容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行从负极流向正极的运动，该现象被称作电流泄漏，随着芯片中晶体管数量增加，原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层会变得更薄进而导致泄漏更多电流，随后泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。这是制约CPU工艺的技术瓶颈。为解决该问题，Intel在其45纳米工艺中融合了高介电薄膜和金属门集成电路，有效解决了漏电危机。