本篇文章可幫助小白瞭解如何製造微處理器和其他積體電路。從一塊矽開始,產生一個具有數百萬個電晶體的裝置,融入我們的日常生活中。
製作晶圓
CPU 主要由稱為矽的元素製成。矽在地殼中相當常見,是一種半導體。這意味著根據您新增的材料,它可以在施加電壓時導電。它是使 CPU 工作的“開關”。現代 CPU 實際上包含數百萬個電晶體。
製造 CPU 的第一階段是製造它們所依賴的晶圓。這個過程開始於在石英坩堝(一種不會在高溫下熔化的容器)中熔化多晶矽以及微量的電活性元素,例如砷、硼、磷或銻。
矽是簡單的 FCC 晶格(面心立方)
一旦熔體達到所需溫度,我們將矽晶
種
或“種子”放入熔體中。熔體緩慢冷卻至所需溫度,晶體在晶種周圍開始生長。隨著持續生長,種子會慢慢地從熔體中提取或“拉出”。當
錠
被拉動時,它會緩緩旋轉。這樣做是為了幫助使熔體中的任何溫度變化正常化。熔體的溫度和提取速度決定了晶錠的直徑,而熔體中電活性元素的濃度決定了由晶錠製成的矽晶片的電學特性。這是一個複雜的專有工藝,需要晶體生長裝置上的許多控制功能。
從熔體中拉出 6“ 錠。這個過程可能需要幾個小時。
這導致了一個看起來像這樣的大
錠
:
為了能夠正常使用,
錠
必須非常純淨。端部和邊緣是雜質含量最高的區域(這是由於退火造成的),因此端部被切斷,邊緣被磨平,因此鑄錠具有適當的直徑。
接下來從錠中切割晶片。它們通常用快速線鋸切割 1-2 毫米厚。然後將這些晶片的邊緣修圓以防止碎裂和邊緣裂紋。然後對晶片進行化學和機械研磨和拋光,以產生非常平坦的鏡面狀表面。
然後可以加熱晶片以幫助去除任何缺陷。(低溫退火)
再用鐳射檢查晶片以發現任何表面缺陷。
之後可以將單晶層(外延層)新增到晶片的表面。
晶圓現在已準備好進行蝕刻。
1.氧化物
在晶片上注入一層氧化物。這經常是透過將晶片暴露在非常高的溫度下的蒸汽中來完成
2.光刻膠
施加一層有機光刻膠。這就像相機裡的膠捲
3 掩蔽
應用掩膜並透過間隙顯示紫外線。現在使用紫外光,因為它的波長較短。較短的波長意味著它可以透過較小的掩模。紫外光硬化(固定)光刻膠。。
4.清潔
用有機溶劑去除未硬化的掩模。
5.蝕刻
氫氟酸(HF)用於蝕刻掉氧化矽。由於 HF 是無機的,它不會腐蝕光刻膠。
6.清潔
剩餘的光刻膠被洗掉。晶圓現在已準備好摻雜另一種型別的矽。
A
p型晶片(矽摻雜硼)具有n型外延層(矽摻雜磷或砷)。
B
掩模用於注入二氧化矽,用於絕緣體。
C
受體原子(硼)擴散到二氧化矽的視窗中
D
使用另一個掩膜會生長額外的二氧化矽。並注入施主原子(如砷等具有過量電子的元素)。
E
另一個掩膜用幹生長額外的二氧化矽。然後使用另一個掩模為觸點注入蒸發的鋁或銅。這是一個雙極結型電晶體(BIT)。
電晶體 這些電晶體用於微處理器和儲存器。它們比 BJT 消耗更少的功率,但以完全相同的方式製造。
這項工作都是在“潔淨室”中完成的,因為即使是最小的灰塵顆粒也會破壞整個晶片!!
工人們穿著“兔子裝”來防止灰塵和面板顆粒進入空氣中。
如今,大部分過程都是自動化,因此技術人員必須監控許多複雜的機器。
晶圓廠需要大量的基礎設施來處理所有的化學品、高溫和壓力。
許多晶片可以安裝在一個 300 毫米晶圓上(如下圖所示)
一旦製造了充滿晶片的晶片,每個晶片
都
在晶片上進行測試。如果發現一個壞的,它會被標記以便不使用。大多數不良晶片往往位於晶圓邊緣。最好的晶片位於中心,有時會選擇用於軍事或工業用途的擴充套件溫度測試。
然後將晶圓切割成單獨的晶片。這些晶片被“繫結”到計算機中的包裝上。
通常,粘合是在勞動力成本低的國家進行的。這樣做的設施可能非常大。
(這是哥斯大黎加的裝配廠)
最終產品可能需要 3 個月才能完成
具有 25+ 百萬個電晶體的CPU以任何標準衡量都令人驚歎。