沙子怎样变成CPU---揭开CPU神秘的面纱

oly

大家都知道CPU是PC的大脑，负责一切运算。CPU是怎样制成的呢？俺大致写一下流程，如有不正之处还请专家指正。当然，网上有很多资料讲沙子怎样变成CPU,可是俺发现有很多不明之处，这里俺尽量少拷贝粘贴，也就是说有自己的内容。

首先，制作CPU最主要的原料当然是硅，化学符号Si。硅这种元素在自然界很常见，最常见的就是沙子。当然沙子里的硅不是以单质硅的形式存在，而是以氧化物的形式存在，就是二氧化硅（SiO2）。制作CPU首先就要把SiO2还原成为单质Si,这是一个看起来简单（就还原一下）其实很复杂的过程。因为不仅要还原，还要提纯。制作CPU需要极高纯度的硅，里面杂质的存在会严重影响硅的特性。

具体的还原过程如下（网上搜来的，俺没有亲自做过，也不能100%确定正确）

C+SiO2---->CO+Si
Si+HCl---->SiHCl3+H2
SiHCL3+H2---->Si+HCl

有了高纯单质硅只是万里长征第一步。下一步就要制作单晶硅。制作单晶硅要用到单晶炉。单质硅在单晶炉中熔化，硅液体上方有个能够旋转的臂，上面镶着一块硅籽晶。在制备单晶硅的过程中这个籽晶要浸泡在液态硅中并随悬臂一起匀速旋转并且缓慢上提。这样，硅原子就会按照籽晶的晶体取向沉积在籽晶上，硅单晶就会慢慢生长。制备的难度是和硅单晶的直径成比例的。直径越大，制备的难度也越高。

经过单晶生长会得到一个很大的硅棒。下一步就是切片。切片还起来是最简单的，其实也没有那么简单，因为切片一定要平行于某个晶向。完全平行是最好的。然后还要抛光。如果不是需要直径特别大的单晶硅，经过抛光的单晶硅片很容易就可以买到。4英寸的单晶硅片是目前实验室里非常普及的作为沉积各种薄膜的基体材料。俺就几乎天天都要用到。

切完片后还要进行掺杂。你可以认为这是加入杂质的过程，不过是以一种可控制的过成来完成的。主要目的是为了改变Si的导电性能。经过不用的单晶生长和掺杂，可以得到不同取向的不同性质的硅片，比如p100，p111，n100，n111等等。对于这些代表什么意思，我们不用去关心，只知道是不同导电性质和不同的晶体取向就行了。

为了制备各种晶体管，还要在硅片表面在加上一层SiO2的薄膜。这个比较简单，就是在可控制气氛的炉子中加热一段时间，把表层的Si氧化一下就行。工艺控制的好，能够很精确控制SiO2的厚度。

下面的工艺就比较复杂了。首先是对CPU电路的设计，也就是在硅基体上做什么电路。这都是电子工程师的任务。有了电路，就要把电路做到Si片上去，这就用到关键的技术：光刻。

光刻的原理不是很复杂。具体的过程如下：首先在硅表面用旋转的方法覆盖一层光刻胶。就是滴到硅片表面少许光刻胶，然后硅片旋转，形成薄膜。薄膜的厚度可以用转速和光刻胶的粘度来控制。然后用光（不是可见光，实验室常用的是紫外光，波长段，分辨率高）来选择性的照射。光刻胶在光的照射下发生反应，性质发生变化。光刻胶有positive 和negative之分。Positive是指 光照射的部分在后来的处理过程中可以给溶解掉，没有照射的部分会保留。Negative的正好相反，被光照射的保留，没有被光照射的可以被溶解掉。这样把要制备的电路制成mask，放到带有光刻胶的硅片上，用光照射，然后溶解掉光刻胶，就会形成用光刻胶组成的电路图。下一步要腐蚀硅片，因为我们要的是电路在硅上，而不仅仅是光刻胶。腐蚀分湿腐蚀和干腐蚀（都是俺自己从字面翻译过来的，中文部一定是这样对应的）。反正是把露出来的硅片给腐蚀下去一层，而用光刻胶保护的地方不被腐蚀。然后再用某种溶液溶解掉光刻胶，就形成了一层电路。

对于CPU，这个电路不仅仅是一层，而是立体的，有很多层。每一层都有不同的mask来做不同的线路，很关键的一点是mask的对齐。几层mask一定要对其，不然该连在一起的就连不起来了，不该连的反而连起来了。这样制备了基层电路后要把这立体的电路连接，这难不倒工程师。最后在应该连的地方腐蚀一个洞，一直达到想要的层，然后沉积上金属（常用铝）就把各层都连接起来了。：） -------以上光刻过程俺都亲自做过，不过分辨率没有那么高，在0.5微米左右，也就是500nm。至于intel怎样制备的45纳米工艺，属于绝对的商业机密，俺不知道。还有一点，就是在不同层的电路刻蚀之间还有很复杂的其他工艺，比如沉积材料，氧化，等等等等。但是对于我们来说，只要了解一下就可以了。

沉积上连接的导线后按说CPU就制成了，至少理论上可以工作了。可是要有很多工作要做，要检测，看看合格不。要切割，由于降低成本的需求，一般都是在一个很大的基片上同时制备很多CPU，完事之后要把这些都CPU都分开。然后封装，就成为了我们用的CPU。

正个过程看起来也不是太复杂，对吗？呵呵。

kopo

楼主把物理过程讲的很清楚，楼主是学材料的吗？硬件设计带过了。现在这是国内最缺的人才。
光是在单晶硅上做cpu要上千个步骤。提拉单晶硅也够写好几本书。IC行业最体现人类的合作性。呵呵。
有个朋友的工作就是专门用SEM检验做好的基片，还有个是对做好的芯片建模。这种后端工作就要耗费N多人力。

270400

光刻那步，Intel研发阶段的CPU用的是1比1光刻，所以所有CPU的雏形都是巨大无比的，接下来的，真正出售的CPU使用的是光刻的时候光路上加了一个透镜组，这样才能让芯片缩小到现在这样，这步也是最难的一步了吧，教授随口一提，接下来就不说了！看来大家是同行，这种课程听着挺郁闷，经常是最关键的时候，人家来一句，由于专利或者商业机密的原因，俺不说了！

270400

单晶硅加工那步工艺方法也是挺多的，我就学了2到3种，这步中国现在能自己生产吗？？我们的龙芯，什么时候才能在我们自己的生产线上被生产出来呢？

kopo

１：１光刻可以零距离贴在基片上，非１：１的大概不好对准吧。单晶硅加工？是指提拉还是切片？国内有些代加工厂还不错吧，比如中芯，n多同学毕业后都去那里了。

kopo

和楼上同感，痛恨那些不把过程写清楚的老外。好比把一条鸡腿放在你鼻子上却不让你吃一样

270400

原帖由 kopo 于 11.7.2008 17:21 发表
１：１光刻可以零距离贴在基片上，非１：１的大概不好对准吧。单晶硅加工？是指提拉还是切片？国内有些代加工厂还不错吧，比如中芯，n多同学毕业后都去那里了。

听说过那个公司，但是对那一点都不了解！毕业后还不知道去啥地方呢，我的专业就业面太小了！