IC晶圓是怎么做成的

ID:128229 · 發(fā)表于 2016-6-27 14:28

第一階段
1. 沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(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，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

2. 硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級(jí)，下同。通過(guò)多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的硅，學(xué)名電子級(jí)硅(EGS)，平均每一百萬(wàn)個(gè)硅原子中最多只有一個(gè)雜質(zhì)原子。此圖展示了是如何通過(guò)硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot)。

3.單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999％。

第二階段
4. 硅錠切割：橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，也就是我們常說(shuō)的晶圓(Wafer)。順便說(shuō)，這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧？

5. 晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過(guò)拋光后變得幾乎完美無(wú)瑕，表面甚至可以當(dāng)鏡子。事實(shí)上，Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導(dǎo)體企業(yè)那里直接購(gòu)買成品，然后利用自己的生產(chǎn)線進(jìn)一步加工，比如現(xiàn)在主流的45nm HKMG(高K金屬柵極)。值得一提的是，Intel公司創(chuàng)立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米。

第三階段
6. 光刻膠(Photo Resist)：圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過(guò)程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

光刻一：光刻膠層隨后透過(guò)掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過(guò)它照在光刻膠層上，就會(huì)形成微處理器的每一層電路圖案。一般來(lái)說(shuō)，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。

光刻二：由此進(jìn)入50-200納米尺寸的晶體管級(jí)別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個(gè)處理器，不過(guò)從這里開(kāi)始把視野縮小到其中一個(gè)上，展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當(dāng)于開(kāi)關(guān)，控制著電流的方向。現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小，一個(gè)針頭上就能放下大約3000萬(wàn)個(gè)。

第四階段
7. 溶解光刻膠：光刻過(guò)程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。

8. 蝕刻：使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來(lái)的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護(hù)著不應(yīng)該蝕刻的部分。

9. 清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計(jì)好的電路圖案。

第五階段
10. 光刻膠：再次澆上光刻膠(藍(lán)色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來(lái)保護(hù)不會(huì)離子注入的那部分材料。

11. 離子注入(Ion Implantation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過(guò)加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速后，注入的離子流的速度可以超過(guò)30萬(wàn)千米每小時(shí)。

12. 清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時(shí)候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。

第六階段
13. 晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個(gè)孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。

14.電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會(huì)從正極(陽(yáng)極)走向負(fù)極(陰極)。

15. 銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個(gè)薄薄的銅層。

第七階段
16.拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

18. 金屬層：晶體管級(jí)別，六個(gè)晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來(lái)異常平滑，但事實(shí)上可能包含20多層復(fù)雜的電路，放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，形如未來(lái)派的多層高速公路系統(tǒng)。

第八階段
19. 晶圓測(cè)試：內(nèi)核級(jí)別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測(cè)試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對(duì)比。

20. 晶圓切片(Slicing)：晶圓級(jí)別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個(gè)處理器的內(nèi)核(Die)。

21. 丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級(jí)別。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準(zhǔn)備進(jìn)入下一步。

第九階段
22. 單個(gè)內(nèi)核：內(nèi)核級(jí)別。從晶圓上切割下來(lái)的單個(gè)內(nèi)核，這里展示的是Core i7的核心。

23.封裝：封裝級(jí)別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當(dāng)于一個(gè)底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機(jī)械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負(fù)責(zé)內(nèi)核散熱的了。

24. 處理器：至此就得到完整的處理器了(這里是一顆Core i7)。這種在世界上最干凈的房間里制造出來(lái)的最復(fù)雜的產(chǎn)品實(shí)際上是經(jīng)過(guò)數(shù)百個(gè)步驟得來(lái)的，這里只是展示了其中的一些關(guān)鍵步驟。

第十階段

25. 等級(jí)測(cè)試：最后一次測(cè)試，可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級(jí)，比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme，還是低端型號(hào)Core i7-920。

26. 裝箱：根據(jù)等級(jí)測(cè)試結(jié)果將同樣級(jí)別的處理器放在一起裝運(yùn)。

27. 零售包裝：制造、測(cè)試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商，要么放在包裝盒里進(jìn)入零售市場(chǎng)。這里還是以Core i7為例。

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