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cpu制作有多难 cpu制作过程图文

日期:2021/11/16 22:00:17

【新智元导读】想学会自己制作CPU吗?最近外国一个小哥手把手教学,用19步从石头里抠出一个CPU来,看完你也可以自己动手做微米级CPU!


CPU不光是沙子做的,也是石头做的!


半导体产业中用的最多的是硅元素,而硅元素在地球上的储量仅次于氧元素,数据显示地球的硅元素含量在28%左右。得益于硅元素巨大的储量和良好的半导体性质,它也就成为了制作集成电路的最优秀的原材料。


而沙漠这种能大量提供沙子的地方自然就成为了优质硅元素的重要来源。


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一般石头里也主要由二氧化硅、碳酸钙构成,所以含有硅元素的石头也可以被用来做CPU。


最近外国一个小哥图文并茂地教你如何从一块石头开始制作CPU。


首先,我们要去野外找一块喜欢的石头。


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第二步,把石头砸碎。


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现在你就有了纯度为98%的二氧化硅了。


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第三步,把二氧化硅提纯到99.9%。


手把手教你,19步从石头里抠出一块CPU


目前主要的提纯手段是将二氧化硅与焦煤置于1600-1800℃的环境中,将二氧化硅还原成纯度为98%左右的冶金级单质硅,紧接着使用氯化氢继续提纯出99.99%的多晶硅。


虽然此时的硅纯度已经很高,但是其内部混乱的晶体结构并不适合半导体的制作,还需要经过进一步提纯、形成固定一致形态的单晶硅。


第四步,继续提纯,直到获得99.9999999%多晶硅金属(polysilicon metal)。


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第五步,把多晶硅锭放入坩埚中。


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第六步,将硅片加热至1698°K,即1424.85摄氏度。需要注意,不要在自己家的厨房烤箱中尝试达到1500度来熔化硅。


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第七步,取一点单晶硅,将其浸入熔化硅(molten silcon)的缸中。


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第八步,慢慢地把单晶硅拉出来直到冷却。


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冷却后就获得一个高纯度的单晶硅片。


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目前制备单晶硅锭的方法主要是直拉法。在高温液态化的硅元素里加入籽晶,提供晶体生长的中心,慢慢将晶体向上提升,上升同时以一定速度绕提升轴旋转,以便将硅锭控制在所需直径内。结束时,只要提升单晶硅炉温度,硅锭就会自动形成一个锥形尾部,单晶硅锭的制备就完成了。


第九步,把它切成薄片。


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就会获得一些新鲜的硅晶圆(silcon wafer)。


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这一步会把制备完成的硅锭切割成1mm厚的圆片,也就是平常所说的晶圆。由于单晶硅性质稳定,所以切割工具用的是金刚石锯,也就是钻石锯。


一般一座晶圆厂能生产的硅晶圆的直径越大,代表著这座晶圆厂有更好的技术。另外还有scaling技术可以将电晶体与导线的尺寸缩小,这两种方式都可以在一片晶圆上,制作出更多的硅晶粒,提高品质与降低成本。生产晶圆的过程当中,良品率也是很重要的指标。


第十步,可以选择在里面加入一些硼、磷或者其他掺杂剂(dopant)。


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因为磷的属性比较易燃易爆炸,作者表示并不敢买磷元素,所以用火柴示意一下。


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第十一步,把光刻胶(photoresist)放到硅晶圆上。


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由于切割出的晶圆表面依然不光滑,所以需要经过仔细研磨来减少切割时造成的凹凸不平的表面。研磨的时候会用到一些特殊的化学液体来对晶圆表面进行清洗,最后抛光。到这一步为止晶圆的制备就算完成了。之后晶圆会被装进特殊的盒子里密封保存运输。


光刻胶(Photoresist)又称光致抗蚀剂,是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。由感光树脂、增感剂和溶剂3种主要成分组成的对光敏感的混合液体。


在光刻工艺过程中,用作抗腐蚀涂层材料。半导体材料在表面加工时,若采用适当的有选择性的光刻胶,可在表面上得到所需的图像。


第十二步,拿取一块所需的电路图案取铬蚀刻的光刻石英掩模(chromium-etched photo-lithographic quartz mask),并向他射一束激光,将电路图案照射到晶圆上。


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第十三步,光遮罩(photo-mask)产生的阴影位置将会影响硅晶圆表面光刻胶的化学变化,取决于使用的是positive 还是negative 的光刻胶(photoresist)。


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光刻胶按其形成的图像分类有正性、负性两大类。


在光刻胶工艺过程中,涂层曝光、显影后,曝光部分被溶解,未曝光部分留下来,该涂层材料为正性光刻胶。


如果曝光部分被保留下来,而未曝光被溶解,该涂层材料为负性光刻胶。


第十四步,加入一些神奇的化学物质来改善(develop)一下光刻胶。


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第十五步,用酸(acid)来腐蚀掉硅晶圆暴露出来的部分。


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第十六步,重复进行同质外延(homo-epitaxy)、异质外延(hetero-epitaxy)、假外延(pesudo-epitaxy)、扩散掺杂(diffusion doping)、铜互连层(copper interconnect layers)、化学机械抛光(chemical mechanical polishing)、光刻胶应用(photoresist application)、酸蚀(acid etching)和光掩模(photomask),直到硅晶圆达到要求。


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然后就完成了硅晶圆的制作。


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第十七步,把硅晶圆切成片。


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切完片以后就是还没有包装起来的硅模具了(un-packaged silicon dies)。


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第十八步,在硅芯片上找到焊盘,并把导线连接起来,或者像大多数现代处理器一样使用倒装芯片方法(flip-chip)。


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Flip chip又称倒装片,是在I/O pad上沉积锡铅球,然后将芯片翻转加热利用熔融的锡铅球与陶瓷基板相结合此技术替换常规打线接合,逐渐成为未来的封装主流,当前主要应用于高时脉的CPU、GPU(Graphic Processor Unit)及Chipset 等产品为主。


与COB相比,该封装形式的芯片结构和I/O端(锡球)方向朝下,由于I/O引出端分布于整个芯片表面,故在封装密度和处理速度上Flip chip已达到顶峰,特别是它可以采用类似SMT技术的手段来加工,因此是芯片封装技术及高密度安装的最终方向。


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倒装芯片是一种无引脚结构,一般含有电路单元。设计用于通过适当数量的位于其面上的锡球(导电性粘合剂所覆盖),在电气上和机械上连接于电路。


第十九步,使用连接线或焊球在芯片组上的引脚和硅模上的焊盘之间提供电流连接。


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至此,一块从石头中制作得到的CPU就完成了!


但显然随着时代的发展,现代CPU的制作更加复杂,并且每一代新的芯片通常都会改变芯片上的功能,很多重要的细节和步骤在文中也没有提到。


当然,那些重要的细节,例如各种化学用品的成分和浓度是非常绝密的,不可能在新闻、Reddit 中看到任何人披露出来。


制作过程中有许多步骤也包含不止一种常用的方法,例如硅的采购来源和纯化方法,只需要在搜索引擎中搜索光刻中的高级光学(Advanced Optics For Photolithography)、化学沉积纳米制剂(Chemical Deposition Nanofabrication)、光刻计量(Lithographic Metrology)就可以了解到更多内容。


虽然业余爱好者无法独自造出来最尖端的纳米芯片工艺,但微米级的业余芯片制造还是相当可行的。


在Youtube 已经有人在教你制作芯片了,按照他的教程可以自己动手做出一些基础的芯片。


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