晶圓是非常重要的物件之一，缺少晶圓，目前的大多電子設備都無法使用。在往期文章中，小編對晶圓的結構、單晶晶圓等均有所介紹。本文中，為增進大家對晶圓的了解，小編將闡述晶圓是如何變成CPU的。如果你對晶圓相關內(nèi)容具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。
一、晶圓
晶圓是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓;在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結構，而成為有特定電性功能之IC產(chǎn)品。晶圓的原始材料是硅，而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經(jīng)由電弧爐提煉，鹽酸氯化，并經(jīng)蒸餾后，制成了高純度的多晶硅，其純度高達99.999999999%。
二、CPU的工藝要素
1)晶圓尺寸
硅晶圓尺寸是在半導體生產(chǎn)過程中硅晶圓使用的直徑值。硅晶圓尺寸越大越好，因為這樣每塊晶圓能生產(chǎn)更多的芯片。比如，同樣使用0.13微米的制程在200mm的晶圓上可以生產(chǎn)大約179個處理器核心，而使用300mm的晶圓可以制造大約427個處理器核心，300mm直徑的晶圓的面積是200mm直徑晶圓的2.25倍，出產(chǎn)的處理器個數(shù)卻是后者的2.385倍，并且300mm晶圓實際的成本并不會比200mm晶圓來得高多少，因此這種成倍的生產(chǎn)率提高顯然是所有芯片生產(chǎn)商所喜歡的。
然而，硅晶圓具有的一個特性卻限制了生產(chǎn)商隨意增加硅晶圓的尺寸，那就是在晶圓生產(chǎn)過程中，離晶圓中心越遠就越容易出現(xiàn)壞點。因此從硅晶圓中心向外擴展，壞點數(shù)呈上升趨勢，這樣我們就無法隨心所欲地增大晶圓尺寸。
(2)蝕刻尺寸
蝕刻尺寸是制造設備在一個硅晶圓上所能蝕刻的一個最小尺寸，是CPU核心制造的關鍵技術參數(shù)。在制造工藝相同時，晶體管越多處理器內(nèi)核尺寸就越大，一塊硅晶圓所能生產(chǎn)的芯片的數(shù)量就越少，每顆CPU的成本就要隨之提高。反之，如果更先進的制造工藝，意味著所能蝕刻的尺寸越小，一塊晶圓所能生產(chǎn)的芯片就越多，成本也就隨之降低。
(3)金屬互連層
在前面的第5節(jié)“重復、分層”中，我們知道了不同CPU的內(nèi)部互連層數(shù)是不同的。這和廠商的設計是有關的，但它也可以間接說明CPU制造工藝的水平。這種設計沒有什么好說的了，Intel在這方面已經(jīng)落后了，當他們在0.13微米制程上使用6層技術時，其他廠商已經(jīng)使用7層技術了;而當Intel準備好使用7層時，IBM已經(jīng)開始了8層技術;當Intel在Prescott中引人7層帶有Lowk絕緣層的銅連接時，AMD已經(jīng)用上9層技術了。更多的互連層可以在生產(chǎn)上億個晶體管的CPU(比如Prescott)時提供更高的靈活性。
我們知道當晶體管的尺寸不斷減小而處理器上集成的晶體管又越來越多的時候，連接這些晶體管的金屬線路就更加重要了。特別是金屬線路的容量直接影響信息傳送的速度。在90納米制程上，Intel推出了新的絕緣含碳的二氧化硅來取代氟化硅酸鹽玻璃，并同時表示這可以增加18%的內(nèi)部互連效率。
三、CPU生產(chǎn)流程
(1)硅提純
生產(chǎn)CPU等芯片的材料是半導體，現(xiàn)階段主要的材料是硅Si，這是一種非金屬元素，從化學的角度來看，由于它處于元素周期表中金屬元素區(qū)與非金屬元素區(qū)的交界處，所以具有半導體的性質，適合于制造各種微小的晶體管，是目前最適宜于制造現(xiàn)代大規(guī)模集成電路的材料之一。
在硅提純的過程中，原材料硅將被熔化，并放進一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐里放入一顆晶種，以便硅晶體圍著這顆晶種生長，直到形成一個幾近完美的單晶硅。以往的硅錠的直徑大都是200毫米，而CPU廠商正在增加300毫米晶圓的生產(chǎn)。
(2)切割晶圓
硅錠造出來了，并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。晶圓才被真正用于CPU的制造。所謂的“切割晶圓”也就是用機器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規(guī)格的硅晶片，并將其劃分成多個細小的區(qū)域，每個區(qū)域都將成為一個CPU的內(nèi)核(Die)。一般來說，晶圓切得越薄，相同量的硅材料能夠制造的CPU成品就越多。
(3)影印(Photolithography)
在經(jīng)過熱處理得到的硅氧化物層上面涂敷一種光阻(Photoresist)物質，紫外線通過印制著CPU復雜電路結構圖樣的模板照射硅基片，被紫外線照射的地方光阻物質溶解。而為了避免讓不需要被曝光的區(qū)域也受到光的干擾，必須制作遮罩來遮蔽這些區(qū)域。這是個相當復雜的過程，每一個遮罩的復雜程度得用10GB數(shù)據(jù)來描述。
(4)蝕刻(Etching)
這是CPU生產(chǎn)過程中重要操作，也是CPU工業(yè)中的重頭技術。蝕刻技術把對光的應用推向了極限。蝕刻使用的是波長很短的紫外光并配合很大的鏡頭。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。接下來停止光照并移除遮罩，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硅。
然后，曝光的硅將被原子轟擊，使得暴露的硅基片局部摻雜，從而改變這些區(qū)域的導電狀態(tài)，以制造出N井或P井，結合上面制造的基片，CPU的門電路就完成了。
(5)重復、分層
為加工新的一層電路，再次生長硅氧化物，然后沉積一層多晶硅，涂敷光阻物質，重復影印、蝕刻過程，得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結構。重復多遍，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Pentium4處理器有7層，而AMD的Athlon64則達到了9層。層數(shù)決定于設計時CPU的布局，以及通過的電流大小。
(6)封裝
這時的CPU是一塊塊晶圓，它還不能直接被用戶使用，必須將它封入一個陶瓷的或塑料的封殼中，這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。封裝結構各有不同，但越高級的CPU封裝也越復雜，新的封裝往往能帶來芯片電氣性能和穩(wěn)定性的提升，并能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎。
(7)多次測試
測試是一個CPU制造的重要環(huán)節(jié)，也是一塊CPU出廠前必要的考驗。這一步將測試晶圓的電氣性能，以檢查是否出了什么差錯，以及這些差錯出現(xiàn)在哪個步驟(如果可能的話)。接下來，晶圓上的每個CPU核心都將被分開測試。
由于SRAM(靜態(tài)隨機存儲器，CPU中緩存的基本組成)結構復雜、密度高，所以緩存是CPU中容易出問題的部分，對緩存的測試也是CPU測試中的重要部分。
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。最后，個別CPU可能存在某些功能上的缺陷，如果問題出在緩存上，制造商仍然可以屏蔽掉它的部分緩存，這意味著這塊CPU依然能夠出售，只是它可能是Celeron等低端產(chǎn)品。
當CPU被放進包裝盒之前，一般還要進行最后一次測試，以確保之前的工作準確無誤。根據(jù)前面確定的最高運行頻率和緩存的不同，它們被放進不同的包裝，銷往世界各地。
四、晶圓如何變成cpu
早在2010年歐盟贊助了一項由德國海森堡大學發(fā)起的項目，名字叫BrainScaleS(Brain-inspiredmultiscalecomputationinneuromorphichybridsystems)，其實和最近很火的IBMTureNorth處理器有點類似，都是模擬大腦物理結構的東西。不過他們模擬的是老鼠的大腦結構，具體步驟是先將老鼠的大腦用液氮冰凍，然后一層一層用機器磨掉，每磨掉一層就進行一次拍照，然后根據(jù)全部的照片去研究老鼠的大腦結構(沒錯，和山寨手機仿造電路板用的方法一模一樣)。
然后根據(jù)這個使用180nmCMOS工藝，在一整片的8英寸晶圓去復現(xiàn)了老鼠的大腦結構，有20萬個神經(jīng)元、5000萬個突觸。因為大腦是一個3D狀的網(wǎng)絡結構，所以實際的CPU是把它平鋪到1個2D平面上的，所以在晶圓上有一個個的區(qū)域，不同的區(qū)域之間使用了專門開發(fā)的結構去進行互聯(lián)。
至于為什么使用如此“古董“的工藝，其原因在于這是一個數(shù)模混合芯片，我們知道模擬電路由于自身的特征(低噪聲和高驅動能力等)而無法使用線寬太小的半導體工藝(否則要么達不到設計指標，要么干脆就燒掉啦)，而數(shù)字電路則不用考慮這些。所以在CPU工藝已經(jīng)進步到14nm的今天，模擬電路使用的主流工藝還是130-180nm。
實際的系統(tǒng)已經(jīng)在2013年上線了，不過效果貌似沒有預期那么好，這個項目已經(jīng)于去年停止了。
以上便是此次小編帶來的“晶圓”相關內(nèi)容，通過本文，希望大家對晶圓是如何變成CPU具備一定的了解。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關注我們網(wǎng)站哦，小編將于后期帶來更多精彩內(nèi)容。最后，十分感謝大家的閱讀，have a nice day!
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