芯片制造过程中的各个阶段介绍

芯片是指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。从产品种类上来说，芯片的种类有几十种大门类，上千种小门类。但是芯片生产是一个点砂成金的过程，从砂子到晶圆再到芯片，价值密度直线飙升。真正的芯片制造过程十分复杂，下面就图文结合，一步一步看看：

第一阶段

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。

沙子

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)。

硅熔炼

单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，重约100千克，硅纯度99.9999%。

第二阶段

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)。

硅锭切割

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。

晶圆

第三阶段

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。

光刻胶

光刻：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。

光刻

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。

晶体管

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。

第四阶段

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。

溶解光刻胶

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。

蚀刻

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。

清除光刻胶

第五阶段

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。

再次光刻胶(蓝色部分)

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。

离子注入

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。

再次清除光刻胶

第六阶段

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。

晶体管就绪

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)。

电镀

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。

铜层

第七阶段

抛光：将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面。

抛光

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。

金属层

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。

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。

晶圆测试

晶圆切片(Slicing)：晶圆级别，300毫米/12英寸。将晶圆切割成块，每一块就是一个处理器的内核(Die)

晶圆切片

丢弃瑕疵内核：晶圆级别。测试过程中发现的有瑕疵的内核被抛弃，留下完好的准备进入下一步。

丢弃瑕疵内核

第八阶段

单个内核：内核级别。从晶圆上切割下来的单个内核，这里展示的是Core i7的核心。

单个内核

封装：封装级别，20毫米/1英寸。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。衬底(绿色)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。散热片(银色)就是负责内核散热的了。

封装

处理器：至此就得到完整的处理器了(这里是一颗Core i7)。

处理器

第九阶段

等级测试：最后一次测试，可以鉴别出每一颗处理器的关键特性，比如最高频率、功耗、发热量等，并决定处理器的等级，比如适合做成最高端的Core i7-975 Extreme，还是低端型号Core i7-920。

等级测试

装箱：根据等级测试结果将同样级别的处理器放在一起装运。

装箱

本文总结了芯片的制造过程。现在进入了科技时代，极度依赖计算机科学与技术，其中的CPU又是各种计算机必不可少重要部件。暂且不论架构上的设计，仅仅在CPU的制作上就凝聚了全人类的智慧，基本上当今世界上最先进的工艺、生产技术、尖端机械全部都投入到了该产业中。

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