造個(gè)CPU有多難

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CPU是每臺(tái)電腦的中樞，相當(dāng)于電腦的“大腦”，不過(guò)想要生產(chǎn)這個(gè)“大腦”是需要極高門檻的。注意，我們說(shuō)的是制造，隨著“代工”行業(yè)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)在能夠設(shè)計(jì)的CPU公司有一些，能制造CPU的公司又是另一部分企業(yè)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)CPU設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造的，那就更是鳳毛麟角了。

我們經(jīng)常能看到一句玩笑話“CPU就是沙子”，理論上這句話沒(méi)有錯(cuò)誤，但是要想實(shí)現(xiàn)從“沙子到CPU”的轉(zhuǎn)變，那真是無(wú)比困難?？傮w來(lái)說(shuō)，CPU的制造過(guò)程需要一個(gè)非常冗長(zhǎng)的制作階段，每一步都是集尖端技術(shù)之大成。

從沙提純開始

目前CPU的制造，是基于一種名為硅（sili con）的化學(xué)元素。它是半導(dǎo)體，CPU的計(jì)算是通過(guò)半導(dǎo)體的不斷“開/關(guān)（導(dǎo)通/斷開）”來(lái)完成的，所以實(shí)際上CPU的最核心部件某種程度上可以被稱作“硅做的半導(dǎo)體開關(guān)總和”。

硅是外觀帶著灰藍(lán)色金屬光澤且堅(jiān)硬易碎的晶體，亦是一種四價(jià)的類金屬半導(dǎo)體。它廣泛分布于我們的地殼中——因此我們通常就是從沙子中對(duì)硅進(jìn)行高度提純，也就是有些人說(shuō)的“沙子變CPU”。這個(gè)提純的過(guò)程并不是用篩子進(jìn)行篩選，它首先需要用焦炭去燒沙子，從而得到粗煉的硅，注意這時(shí)只是硅。接下來(lái)就是精煉提純，主要是使用化學(xué)沉積法實(shí)現(xiàn)，精煉提純步驟完成后，粗煉的硅純度就提升到了99.99%。這還不夠，要讓硅成為硅晶體，還需要通過(guò)石英熔爐進(jìn)行再次提純，并且“塑形”。提純的過(guò)程大致是在一個(gè)巨大的石英熔爐中放入一顆“晶種”，用于沙子中的硅晶體依附其上開始“生長(zhǎng)”，并且通過(guò)提拉手段讓其形成柱體狀。當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程不是如此簡(jiǎn)單，因?yàn)橹圃霤PU需要的硅晶體純度是驚人的99.999999999%。此時(shí)，便是我們說(shuō)的硅晶圓了。

說(shuō)了這么多，為什么半導(dǎo)體需要用硅來(lái)制作呢？除了容易獲得、成本低廉之外，硅具有非常好的熱穩(wěn)定性。舉例來(lái)說(shuō)，CPU超頻在使用液氮散熱時(shí)可以讓其工作在極低的溫度;而在日常使用中，幾十度的“炙烤”下CPU依然可以穩(wěn)定運(yùn)行，這就是硅的特質(zhì)——熱穩(wěn)定性帶來(lái)的好處。

從柱體切割晶圓

有了單晶硅，下一步的工作就是把它變成硅晶圓。在絕對(duì)無(wú)塵的環(huán)境下，通過(guò)“金剛線”切割變成硅晶圓。這個(gè)過(guò)程不是單純的“一切了事”，切的方法也是根據(jù)硅晶圓的尺寸而有所區(qū)別的。

在200mm直徑以下的晶圓上，準(zhǔn)確的說(shuō)它并不是純粹的圓柱體，而是有一個(gè)平切面，作用就是為了更好的定位（后續(xù)工藝使用）。到了200mm以上的晶圓上，為了盡量利用晶圓生產(chǎn)更多的芯片，減少不必要的浪費(fèi)，這個(gè)平切面就“變成”了一個(gè)小切口，這樣可以節(jié)省一部分晶圓面積，用來(lái)制造芯片。

聽起來(lái)很容易，不就是切割成片嗎？實(shí)際不然，在半導(dǎo)體晶圓切割過(guò)程中，由于機(jī)械力的作用，半導(dǎo)體晶圓邊沿容易出現(xiàn)微裂、崩邊和應(yīng)力集中點(diǎn)，半導(dǎo)體晶圓表面也存在應(yīng)力分布不均和損傷，這些缺陷是造成半導(dǎo)體晶圓制造中產(chǎn)生大量滑移線、外延層錯(cuò)、滑移位錯(cuò)、微缺陷等二次缺陷以及半導(dǎo)體晶圓、芯片易破裂的重要因素。所以，這就需要極高技術(shù)水平的切割工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而克服線鋸的晃動(dòng)、提高其穩(wěn)定性，減少對(duì)降低硅片表面損傷、特別是表面較粗糙的缺陷。

聽起來(lái)是不是已經(jīng)非常困難了？實(shí)際在CPU制造過(guò)程中，這點(diǎn)技術(shù)難度還不算什么。更難的事情在后面?，F(xiàn)在這個(gè)切好的薄片并不能做什么，甚至現(xiàn)在它還都不是一個(gè)真正的“半導(dǎo)體”，接下來(lái)的步驟是給這個(gè)切片涂抹光阻劑，這個(gè)光阻劑的涂抹需要非常均勻而且非常薄，相當(dāng)于把這個(gè)晶圓切片成為一個(gè)膠片底板，方便后續(xù)的影印、蝕刻。

“拍照、印刷”制作基板

制造CPU的晶圓切片只能算個(gè)“準(zhǔn)備工作”，接下來(lái)我們就要用這些涂抹了光阻劑的切片進(jìn)行“拍照”。工廠將使用專業(yè)設(shè)備通過(guò)紫外線將印制了CPU復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)圖樣的“模板”照射到這些晶圓切片之上，圖樣的透光部分射出的紫外線，會(huì)讓照射到的部位光阻劑溶解，而模板上不透光的部分會(huì)使得相應(yīng)地點(diǎn)的光阻劑保留下來(lái)，也就是“該曝光的地方曝光、該隱藏的地方隱藏”。之后涂上金屬層，就形成了一個(gè)粗糙的線路或者說(shuō)芯片模塊的雛形，這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于給后續(xù)CPU制造做一個(gè)“基板”。

筆者這個(gè)形容其實(shí)極為簡(jiǎn)化，這個(gè)過(guò)程的復(fù)雜程度超出想象——每個(gè)遮罩、照射的復(fù)雜性，都是以10GB為單位的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，絕非是“拍照曝光”那么簡(jiǎn)單。

蝕刻 電路成“畫”的關(guān)鍵

蝕刻也稱之為光刻（使用光來(lái)蝕刻 ），就是在已經(jīng)做好基板的晶圓切片上，將真正的電路刻畫出來(lái)，這是CPU制造的關(guān)鍵核心步驟，也是最為復(fù)雜的一個(gè)步驟。

蝕刻就是使用一定波長(zhǎng)的光在晶圓上（實(shí)際是已經(jīng)涂上的金屬層）畫出刻痕，由此改變?cè)撎帲毯郏┑幕瘜W(xué)特性，從而實(shí)現(xiàn)真正的電路工作機(jī)能。這一步驟對(duì)光線的波長(zhǎng)要求極為嚴(yán)格，更先進(jìn)的技術(shù)可以生產(chǎn)更小的電路間隙，也就是我們通常意義上看到的CPU制程工藝，如28nm、14nm、7nm乃至5nm。