25張圖直觀看懂從石英砂到芯片全過程
現代生(sheng)活中，人們已被各種電子設備圍(wei)繞，手機、電腦、電視(shi)……那(nei)么，這(zhe)些電子設備是(shi)靠什么運作的呢？
答(da)案就是芯(xin)片！簡單來說，芯(xin)片之(zhi)于(yu)電子設備(bei)的(de)(de)地位等同于(yu)發動機之(zhi)于(yu)汽車，而(er)制備(bei)芯(xin)片的(de)(de)原材(cai)料，就是最普(pu)通不過的(de)(de)石(shi)(shi)英砂(sha)。下面，我們就來看一看，石(shi)(shi)英砂(sha)是怎(zen)么(me)變成芯(xin)片的(de)(de)？
1.石英砂
硅是地殼內第二豐富的元素，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(de)形(xing)式存在，這(zhe)也是半導體制造產業的(de)基礎。
2.硅(gui)熔煉
12英寸/300毫米(mi)晶圓(yuan)級，通過多步(bu)凈化(hua)得(de)到(dao)可(ke)用于半導體(ti)知道質量的(de)(de)硅(gui)(gui)，學(xue)名電子級硅(gui)(gui)（EGS），平均每一(yi)百(bai)萬(wan)個(ge)硅(gui)(gui)原子中最(zui)多只(zhi)有一(yi)個(ge)雜質原子。下圖(tu)展示的(de)(de)是如(ru)何通過硅(gui)(gui)凈化(hua)熔煉得(de)到(dao)大晶體(ti)的(de)(de)，最(zui)后得(de)到(dao)的(de)(de)就是硅(gui)(gui)錠（ingot）。
3.單晶硅錠
整(zheng)體(ti)基本呈圓柱形，重約100千(qian)克，硅純度(du) 99.9999％。
4.硅錠(ding)切割
橫向切割成圓(yuan)形的單個(ge)硅片，也(ye)就是(shi)我們常說的晶圓(yuan) （Wafer）。順便(bian)說，這下(xia)知(zhi)道(dao)為什(shen)么晶圓(yuan)都是(shi)圓(yuan)形的了(le)吧(ba)？
5.晶(jing)圓
切(qie)割(ge)出(chu)的(de)是(shi)晶圓經(jing)過拋光后變得(de)幾乎完美無(wu)瑕，表面甚(shen)至可以當(dang)鏡子。事實上(shang)，intel自己并不生(sheng)產這種晶圓，而(er)是(shi)從第三方半導體企(qi)業那里直接購(gou)買成品，然后利用直接的(de)生(sheng)產線進一步加工(gong)，比如(ru)現(xian)在主流的(de)45nm HKMG（高K金(jin)屬柵(zha)極(ji)）。值(zhi)得(de)一提的(de)是(shi)，intel公司創(chuang)立之初使(shi)用的(de)晶圓尺寸(cun)只(zhi)有(you)2英寸(cun)/50毫(hao)米。
6.光刻膠（Photo Resist）
下圖(tu)中(zhong)藍色部分就是在晶(jing)圓旋轉(zhuan)過程(cheng)中(zhong)澆(jiao)上(shang)去的(de)光刻膠液體，類似制作傳(chuan)統膠片的(de)那種。晶(jing)圓旋轉(zhuan)可以讓光刻膠鋪的(de)非常薄(bo)、非常平。
光刻一：光刻(ke)膠層隨后透(tou)過掩(yan)模（Mask）被(bei)曝光在紫(zi)外線（UV）之下，變得可溶，期(qi)間發生的化學(xue)反(fan)應類似(si)按下機械(xie)相機快門那(nei)一(yi)刻(ke)膠片的變化。掩(yan)模上(shang)印著預 先設計好的電路(lu)圖(tu)(tu)案，紫(zi)外線透(tou)過它(ta)照在光刻(ke)膠層上(shang)，就會形成微處理器的每一(yi)層電路(lu)圖(tu)(tu)案。一(yi)般(ban)來(lai)說，在晶圓上(shang)得到(dao)的電路(lu)圖(tu)(tu)案是掩(yan)模上(shang)圖(tu)(tu)案的四分之一(yi)。
光刻(ke)二(er)：由(you)此進入納米尺(chi)寸的(de)晶(jing)體(ti)(ti)(ti)管級(ji)別。一塊晶(jing)圓上可以切割出(chu)數百(bai)個(ge)處理器(qi)，不過從這里開始(shi)把視野縮小到其中一個(ge)上，展示如(ru)何制作晶(jing)體(ti)(ti)(ti)管等(deng)部(bu)件。晶(jing)體(ti)(ti)(ti)管相當于開關，控(kong)制著電流的(de)方向。現在的(de)晶(jing)體(ti)(ti)(ti)管已經如(ru)此之小，一個(ge)針頭上就能放下大約(yue)3000萬個(ge)。
7.溶(rong)解光刻膠(jiao)
光刻(ke)過程中(zhong)曝(pu)光在(zai)紫外線(xian)下的(de)光刻(ke)膠被溶解掉(diao)，清除后留下的(de)圖案和掩(yan)模上的(de)一致。
8.蝕刻(ke)
使用化(hua)學(xue)物質溶解(jie)掉暴露出(chu)來的(de)晶圓部分，而剩下的(de)光刻(ke)膠保護著不應該蝕刻(ke)的(de)部分。
9.清除光刻膠
蝕刻完成后(hou)，光(guang)刻膠(jiao)的(de)(de)使命宣告完成，全部清除后(hou)就可以(yi)看到設(she)計好的(de)(de)電(dian)路(lu)圖案。
10.光(guang)刻膠
再次澆上光(guang)刻(ke)膠(jiao)（藍色部分），然(ran)后光(guang)刻(ke)，并(bing)洗掉(diao)曝光(guang)的(de)部分，剩下(xia)的(de)光(guang)刻(ke)膠(jiao)還是用來保護(hu)不會離(li)子注入的(de)那部分材料。
11.離子注(zhu)入（ion implantation）
在(zai)真(zhen)空系統中，用經(jing)過加(jia)速(su)(su)的(de)，要摻(chan)雜的(de)院(yuan)子的(de)離(li)子照射（注(zhu)入(ru)(ru)）固(gu)體材料(liao)，從(cong)而(er)在(zai)被注(zhu)入(ru)(ru)的(de)區域(yu)形(xing)成(cheng)特殊(shu)的(de)注(zhu)入(ru)(ru)層(ceng)，并改變這些區域(yu)的(de)硅(gui)的(de)導電(dian)性。經(jing)過電(dian)場(chang)加(jia)速(su)(su)后(hou)，注(zhu)入(ru)(ru)的(de)離(li)子流的(de)速(su)(su)度可以超過30萬(wan)千(qian)米每小時。
12.清除光刻膠
離(li)子注(zhu)入(ru)完成(cheng)后，光(guang)刻膠也(ye)被清除(chu)，而注(zhu)入(ru)區域（綠色(se)部分）也(ye)已摻雜，注(zhu)入(ru)了不(bu)同(tong)的原子。注(zhu)意這時候(hou)的綠色(se)和之前已經有所不(bu)同(tong)。
13.晶體管就(jiu)緒
至此(ci)，晶體(ti)(ti)管(guan)已經基本完成。在(zai)絕緣材(品紅色)上(shang)蝕(shi)刻出(chu)三個(ge)孔洞(dong)，并填充銅，以(yi)便和(he)其它晶體(ti)(ti)管(guan)互連。
14.電(dian)鍍
在晶圓上電鍍一層硫酸銅(tong)，將銅(tong)離(li)子(zi)(zi)沉淀(dian)到晶體管上。銅(tong)離(li)子(zi)(zi)會從正極走向負極。
15.銅(tong)層(ceng)
電(dian)鍍完成后，銅離子沉積在(zai)晶圓表面，形成一個(ge)薄薄的(de)銅層。
16.拋(pao)光
將多余的(de)銅(tong)拋光掉，也就是磨光晶圓表面。
17.金屬層
晶體(ti)管級別(bie)，留個晶體(ti)管的(de)組合(he)，大約(yue)500納米。在不同(tong)(tong)晶體(ti)管之(zhi)間形成復合(he)互連(lian)金(jin)屬層，具體(ti)布局(ju)取決(jue)于相應處理器(qi)所需要(yao)的(de)不同(tong)(tong)功能性。芯(xin)片表(biao)面(mian)看起來(lai)異常平滑，但事實上可能包含20多層復雜的(de)電路(lu)，放大之(zhi)后可以(yi)看到極其復雜的(de)電路(lu)網絡(luo)，形如未來(lai)派的(de)多層高速公路(lu)系統。
18.晶圓(yuan)測(ce)試(shi)
內核(he)級別(bie)，大(da)約10毫(hao)米/0.5英寸。圖中(zhong)是晶圓的局部，正在接受第一(yi)次功能性測(ce)試，使用參考電(dian)路(lu)圖案和每一(yi)塊芯片進行對比(bi)。
19.晶圓切(qie)片（Slicing）
晶圓(yuan)級別，300毫米/12英寸。將(jiang)晶圓(yuan)切割成塊(kuai)，每一塊(kuai)就是一個處理器的內(nei)核（Die）。
20.丟棄瑕(xia)疵內(nei)核
晶(jing)圓級別。測試過程中(zhong)發現的(de)(de)有瑕疵的(de)(de)內核被拋棄，留下完好的(de)(de)準備進入下一步。
21.單個(ge)內核
內(nei)核(he)(he)級(ji)別。從晶圓上(shang)切(qie)割下(xia)來的單個內(nei)核(he)(he)，這里(li)展示的是Core i7的核(he)(he)心。
22.封(feng)裝
封裝級(ji)別，20毫(hao)米(mi)/1英寸。襯底、內(nei)核、散熱片堆疊在一起，就(jiu)形成(cheng)了我們看到(dao)的(de)處(chu)理器(qi)的(de)樣(yang)子。襯底相(xiang)當于一個底座，并為處(chu)理器(qi)內(nei)核提供電(dian)氣(qi)與機械界(jie)面，便于與PC系(xi)統的(de)其它(ta)部分交互。散熱片就(jiu)是負責內(nei)核散熱的(de)了。
23.處理器(qi)
至(zhi)此就得(de)到完整(zheng)的(de)(de)(de)處理器了（這(zhe)里是(shi)一顆Core i7）。這(zhe)種在(zai)世界(jie)上(shang)(shang)最干凈的(de)(de)(de)房間里制造出來(lai)的(de)(de)(de)最復(fu)雜(za)的(de)(de)(de)產(chan)品實際上(shang)(shang)是(shi)經過數百個步驟(zou)得(de)來(lai)的(de)(de)(de)，這(zhe)里只是(shi)展(zhan)示了其中(zhong)的(de)(de)(de)一些關(guan)鍵步驟(zou)。
24.等級測試
最(zui)后一次測試，可以(yi)鑒別出每一顆(ke)處(chu)理(li)器的關(guan)鍵特性，比如(ru)最(zui)高(gao)頻(pin)率(lv)、功耗(hao)、發(fa)熱(re)量等(deng)，并決定(ding)處(chu)理(li)器的等(deng)級，比如(ru)適合做成最(zui)高(gao)端的Core i7-975 Extreme，還是低端型號Core i7-920。
25.裝箱
根據等級(ji)(ji)測(ce)試結果(guo)將(jiang)同樣(yang)級(ji)(ji)別的處理(li)器放在(zai)一(yi)起裝運。制造、測(ce)試完畢的處理(li)器要么批(pi)量交付給OEM廠商，要么放在(zai)包裝盒里進入(ru)零售市場(chang)。