探析cpu制造工艺变化和发展

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1、探析CPU制造工艺变化和发展摘要：CPU制造工艺又叫做CPU制程，它的先进与否决定了CPU的性能优劣°CPU的制造是一项极为复杂的过程。CPU的发展史也可以看作是制作工艺的发展史，以CPU为代表的芯片制造水平更是一个国家科研水平的标志，也是一个国家的综合国力反映。本文主要从CPU的生产过程、CPU制造工艺来讲述制约CPU制造技术瓶颈与未来制造工艺的新发展方向。关键词：晶圆蚀刻封装电流泄漏1CPU的生产过程1.1硅提纯生产CPU的材料是半导体硅Si,但必需是纯净的单晶硅才可以适合于制造各种微小的晶体管。首先把含硅元素的原材料放进一个巨大的石英熔炉

2、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。1.2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。1.3影印紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射涂敷晶圆硅基片，被紫外线照射的硅氧化物溶解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

3、些区域。1.4蚀刻蚀刻是CPU制造过程中最重要的技术。首先使用波长很短的紫外光并配合很大的镜头。透过石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光。然后停止光照移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜和紧贴着抗蚀膜的一层硅。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井或P井再结合影印阶段制造的基片，形成晶体管为主体的CPU门电路。1.5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

4、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冲，著名AMD的Athlon64的CPU达到9层数结构。1.6封装前面步骤形成的一块块准CPU是光盘状晶圆,不能直接被用户使用，必须要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。也只有封装后的CPU才能安装在计算机主板上。可以想象层数越多、集成度

5、越高的CPU,故封装也越复杂。1.7测试测试是CPU制造的最后环节，也是CPU出厂前最重要的必要环节。测试内容主要是CPU的电气性能，以检查是哪个步骤出了差错，每个CPU核心都将被分开测试。首先因为CPU中的缓存结构最复杂、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，intel的奔腾因为运行频率较低故被称为中端产品，intel的Celeron可能存在缓存上的功能缺陷，厂商通过屏蔽掉CPU的部分缓存后仍然可以运行，故称为低端产品

6、。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。2日益改进的CPU制造工艺CPU厂商根据CPU制造的各个环节不断改进CPU制造工艺。2.1晶圆尺寸硅晶圆尺寸是CPU生产过程中硅晶圆的直径值。硅晶圆尺寸越大意味着每块、圆能生产更多的CPU芯片。如0.13微米制程在200mm的晶圆上可以生产约179个CPU核，而300mm的晶圆可以制造约427个CPU核，且300mm晶圆的成本和200mm晶圆相比价格略有上升，成本几乎可以略去不计，所以扩大晶圆的尺寸，是所有CPU厂家的目标。但硅晶圆固有特性让厂家随意增加硅

7、晶圆的尺寸目标变得越来越困难，因为在晶圆生产过程中，越远离晶圆中心位置越容易出现坏点。而且离硅晶圆中心越远，坏点几率会越高。由于生产硅晶圆的设备所能生产的硅晶圆尺寸是固定的，如果用改造原设备来生产新尺寸的硅晶圆，其费用几乎可以建造一个新尺寸的晶圆工厂。故CPU厂商总是通过追加投资新建更大尺寸的晶圆工厂，以生产更大尺寸的晶圆，并尽力控制晶圆上坏点的数量，比如8086CPU使用的晶圆尺寸是50mm,Pentium4使用200mm的硅晶圆，Intel酷睿i7采用300mm晶圆22纳米的芯片制造工艺。2.2蚀刻尺寸蚀刻尺寸是光刻机在一个硅晶圆上所能蚀刻

8、的最小尺寸，是CPU核制造关键的技术参数。蚀刻工艺相同时，每一个处理器内核所含晶体管越多，一块硅晶圆所能生产的芯片数量就越少，每颗CPU的成本随之提高