科技原理 CPU處理器工作原理，它是如何生產製造的？

這部智能手機內部有62個微芯片,總共包含900億個晶體管。 這些微芯片功能強大,是所有技術的基石。 但數十億個納米級晶體管是如何被製造成如此微小的芯片的呢? 所有這些微芯片都是在像這樣的半導體制造廠生產的。 工廠內部是一個面積相當於8個足球場的捷徑室, 裏面擺滿了數百臺機器。 這些機器的大小從麪包車到城市公交車不等,造價從數百萬到1.7億美元不等。 在這家微芯片工廠裏,硅晶元在三個月的時間裏, 從一臺機器到另一臺機器,經過大約1000道工序。 而且,到生產結束時,每個硅晶片將被覆蓋數百個CPU芯片。 每個芯片包含260億個晶體管。 放大後,我們可以看到底部納米級的晶體管,以及上方十幾層導線。 然後,這個集成電路從晶片上切下來,經過測試和封裝,這樣它就可以安裝到你的臺式電腦上了。 在本視頻中,我們將探索整個微芯片製造過程, 並向你展示如何在世界上最先進的微芯片工廠之一製造出數十億個納米級晶體管, 以及一個極其複雜的3D導線迷宮。 這是一個極其複雜的過程,所以請繼續關注,讓我們立即開始。 理解微芯片製造的工作原理,需要從兩個方面入手。 首先是構建納米級晶體管和複雜線路所需的步驟和工藝流程的順序。 第二個則是半導體工廠和捷徑式地板上價值數百萬美元的設備是如何工作的。 我們將在這兩個方面之間來回切換,以獲得完整的圖景。 我們先打開這臺臺式電腦,重點關注CPU,看看它裏面有什麼。 這裏有一個集成電路或者說是芯片。 這個芯片有24個核心,一個內存控制器,一個圖形處理器,以及許多其他部分。 在其中一個核心中,我們可以看到它的礦圖和各種元素。 放大這個乘法塊,我們發現它由4.4萬個晶體管組成。 它們在物理上執行32位乘法運算,僅佔CPU中260億個晶體管總數的0.00017%。 進一步放大,我們可以看到多層金屬線或稱互聯線,最底部是構成基本邏輯門的晶體管。 請注意,這些金屬互聯線層並非懸空,而是您看到的空白處填充了絕緣材料, 從而提供了結構,並防止金屬線層相互接觸。 此外,這裏我們只展示了底部的晶體管和5層金屬互聯線,層與層之間有垂直通孔。 實際上,CPU中總共有17層金屬線,並且每一層都使用越來越大的互聯線。 底部是局部互聯線,用於在32位乘法電路中移動數據。 中間是中間互聯線,用於在覈心周圍移動數據。 頂部是全局互聯線,用於在整個CPU中移動數據。 您可能想知道,這些晶體管到底有多小。 再次放大,穿過互聯層,我們可以看到FinFET。 這種晶體管的鉤道尺寸爲36×6×52納米,晶體管間距爲57納米。 顯然,這些晶體管非常小。 以下是一個線粒體,一粒灰塵顆粒和一根人的頭髮,用於尺寸比較。 現在您已經瞭解了晶體管和錯綜複雜的金屬互聯結構是什麼樣子,讓我們來探索它們是如何製造的。 我們先打個比方。 想象一下烘烤一個80層的蛋糕,每一層都被切成獨特的形狀。 製作這款蛋糕需要想象一下烘焙蛋糕的過程940個步驟,耗時3個月,包含數百種奇特的配料。 而且,如果任何劑量、烘焙時間或溫度偏差超過1%,那麼蛋糕就徹底毀了。 這有點像製造微芯片,但微芯片更加複雜。 讓我們看一下這種集成電路的單層並簡化一組步驟來構建它。 首先,微芯片製造的簡化步驟在晶圓頂部沉積一層絕緣二氧化硅,然後在晶圓頂部塗抹一層感光光刻膠。 接下來,使用紫外線和模板在光刻膠上繪製圖案,然後使用溶劑去除被紫外線照射到的區域,從而形成一個帶圖案的眼模層。 使用眼模,將露出的二氧化硅石刻掉直至上一層。 接下來,去除眼模層,並添加一層銅以覆蓋晶圓並填充剛剛石刻掉的區域。 最後,將表面研磨並弄平,露出銅和絕緣體的圖案。 這樣,一個單層就完成了。 爲了構建下一層一組垂直的金屬通孔,我們重複了相同的步驟,但光眼模的圖案有所不同。 由於這些層都使用相同的步驟構建,因此將這些步驟可視化爲一個圓圈,會更有效就像一個時鐘。 爲了構建芯片的全部80層,這個序列不斷重複,總共需要940個步驟。 需要注意的是,底層的FinFET晶體管比金屬線更復雜,因此需要額外的步驟來製造它們。 此外,清潔晶圓以清除可能落在晶圓上的灰塵顆粒,以及檢查晶圓以確保所有部件都正確構建。 這些步驟經常發生,因此需要將這些步驟添加到圓圈中。 每個工藝步驟都需要使用不同的工具來完成。 現在我們已經瞭解了這些步驟,讓我們來看看這個半導體制造工廠。 CPU是在一塊300毫米的硅晶圓上製造的,這塊晶圓可以容納230顆CPU芯片。 相比之下,DRAM芯片的尺寸要小得多,因此一塊晶圓上可以容納952顆DRAM芯片。 這些硅晶圓以25顆爲一疊,使用一種名爲前開式通用晶圓和FOUP的容器進行運輸。 這種密封的塑料晶圓盒通過高架運輸系統在捷徑式地面上移動,該系統將FOUP降低到工具的着陸臺上。 在設備內部,機械必將晶圓運送通過真空裝載所,並送至不同的工藝槍體。 在這些槍體中,材料會被添加移除,或以我們稍後將探討的方式進行加工。 之後,晶圓會被送回晶圓傳送盒,重新密封,然後被提升至高架運輸系統,並被運送至下一個設備,完成下一工序。 爲了構建由80個不同層組成的整個芯片,需要三個月的時間從一個設備運送到另一個設備,每次停留都會完成940個工藝步驟中的一個。 爲了提高半導體制造廠或晶圓廠的微芯片量產能力,通常會有數十臺相同的半導體設備排成一排,執行相同的工藝。 捷徑式的地板上共有435臺半導體設備,使得該晶圓廠的月產能達到5萬片晶圓或1150萬個CPU。 這些設備的名稱相當複雜,因此,我們首先根據其功能對它們進行分類。 一共有6組,製造設備類別製作演磨層,添加材料,去除材料,修改材料,清潔晶圓,以及最終檢查晶圓。 我們用顏色對不同的功能組進行了編碼,以幫助您避免混淆。 接下來,讓我們逐一瞭解這些半導體設備,看看它們是如何以不同的方式處理晶圓的。 我們先從用於在晶圓上製作演磨層或納米級光刻和演磨層模板的工具開始。 這些工具包括光刻膠旋塗機、光刻工具、顯影劑和光刻膠玻璃液。 首先,光刻膠旋塗機將一層感光層塗附到晶圓表面,然後將其送入軟烘烤工藝。 在此過程中,晶圓被加熱,以蒸發掉光刻膠中的溶劑。 接下來,晶圓進入光刻工具,該工具將紫外光照射到模板上,模板在技術上稱爲光演磨。 光線穿過模板,然後被縮小,從而在晶圓上形成納米級的圖案。 當模板上的光線照射到晶圓上時,光刻膠就會被削弱。 然後,晶圓進入顯影液,削弱的光刻膠被沖洗掉,晶圓上只留下圖案化的納米級模板。 隨後,晶圓會被送入硬烘烤室,使剩餘的光刻膠硬化。 接下來,晶圓會被送往其他設備進行處理。 這些工藝完成後,晶圓會被送往光刻膠玻璃器。 該玻璃器使用溶劑溶解並去除光刻膠演磨層。 這就是演磨層的形成和去除過程。 光刻設備是最重要的設備之一,EUV光刻技術我們來了解一下。 光刻設備內部包含一個紫外光源,一組用於聚焦光線的透鏡, 一個包含模板,及帶圖案化層的設計圖的光演磨,以及一個晶圓載體。 光演磨的尺寸爲6×6英寸,根據CPU的尺寸,可以容納兩份單層CPU設計的副本。 使用配備這些超強光學元件的光演磨,是因爲它是一種可靠的方法, 可以在幾分鐘內將數十億納米級晶體管和線路的設計複製並粘貼到單個晶圓上的230個相同的CPU上。 幾分鐘內,光線穿過光演磨後,紫外光會進入更多透鏡,以便將圖案縮小4倍,並將單層圖案印製到光刻膠上。 晶圓載體從一個位置移動到另一個位置,每次停止時都印製光演磨圖像,直到所有230個芯片都完成圖案化。 讓我們來解釋一個細節。 在之前的示例中,我們多次討論過這個擁有80層的CPU。 具體來說,我們指的是用於在晶圓上創建所有不同圖案層的光演磨和演磨層的數量。 因此,一個完整的CPU芯片需要使用80個不同的光演磨,每個光演磨的成本爲30萬美元。 由於每次只對一個演磨層進行圖案化,這個CPU芯片需要經過80次沉積工具光刻設備。 我們本來可以再花一個小時來討論光刻技術,但讓我們先討論下一類工具。 沉積工具用於在晶圓上添加或沉積材料。 很多時候,我們會利用光刻步驟中的演磨層將材料添加到演磨層未覆蓋的區域。 有點像通過模板進行噴漆。 由於用於創建這些層的元素和化合物種類繁多,沉積工具種類繁多,每種工具都有複雜的名稱和縮寫。 但本質上,添加或沉積到晶圓上的材料主要有三類。 晶圓上的金屬,例如銅或鏟,通常稱爲氧化物的絕緣體以及硅晶體層。 每類不同的材料都使用不同的物理和化學原理將材料沉積到晶圓上。 因此,沉積材料的工具也有不同的技術名稱。 沉積材料的工具、沉積設備通常有一箇中央晶圓處理室,其邊緣連接着多個處理室,每個處理室都專用於添加單一元素或化合物。 下一類設備的功能則相反。 石刻設備用於去除材料。 主要有兩種方法。 第一種是石刻。 石刻機使用腐蝕性化學物質或高能等離子體與晶圓表面發生反應,去除晶圓表面的材料。 石刻機通常與眼模層模板一起使用,以去除眼模層暴露的材料,從而形成一個孔洞。 之後可以用沉積設備填充。 第二種去除材料的方法是CMP即化學機械平坦化。 CMP使用研磨漿料並使用研磨墊研磨和拋光晶圓的頂層使其完全平整。 CMP可平整晶圓的頂層通常用作一個工藝循環的最後一步,以便爲添加下一層晶圓做好準備。 第四類是用於修飾硅片的工具,稱爲離子注入機。 這些工具離子注入使用光眼模模板,用靈光體、棚或其他元素烘積未掩蔽的區域,以形成晶體管本身所需的P區和N區。 因此,離子注入僅用於生產線的前端,您可能會認爲這是在添加材料。 然而,離子注入機每注入1萬個硅原子,只會添加大約一個磷原子或硼原子。 此外,其他機器會在晶圓頂部噴塗一層塗層,而離子注入機則會將原子深深地注入硅晶格中。 就像大炮將一顆6英尺外的棒球發射到混凝土牆上一樣,這個過程通常會損壞硅晶格。 因此,接下來的步驟是使用加熱晶圓來修復硅,一種稱爲退火爐的單獨工具。 第五類工具用於清潔並去除晶圓上的任何污染物或顆粒。 晶圓清潔工具,這些晶圓清洗機使用超純水清潔晶圓,然後用氮氣或熱液餅純乾燥。 清潔晶圓的頻率相當高,目的是去除任何可能落到晶圓上的雜散顆粒。 最後,第六類工具用於檢查晶體管和金屬層是否存在缺陷,稱爲計量工具。 一種常見的計量工具是使用納米級分辨率的掃描電子顯微鏡拍攝晶圓頂面的照片,並確定是否存在缺陷。 例如圖案不正確的層或表面顆粒。 在製造一塊需要三個月才能完成的集成電路時,務必反覆監控進度,並確保每個工序都以納米級精度執行。 現在我們已經介紹了每個類別,以下是按顏色編碼的工藝步驟以及半導體制造工廠中設備的佈局。 讓我們來了解一下製造單金屬互聯層的完整步驟。 微芯片製造的詳細步驟。 首先,在晶圓上沉積一層絕緣二氧化硅。 接下來,在晶圓表面塗抹光刻膠,然後送入晶圓進行軟烘烤,去除溶劑。 隨後,晶圓被送往光刻設備。 在此,光眼膜上的圖案通過弱化光刻膠被光照射到的區域,轉移到晶圓上的每個芯片上。 接下來,晶圓進入顯影機,洗去被光刻設備照射到的區域,然後進行硬烘烤,使剩餘的光刻膠硬化。 眼膜層構建完成後,晶圓進入石刻設備。 在此,等離子石刻機去除暴露的二氧化硅層中的垂直柱狀物,直至到達上一層的金屬通孔。 接下來,晶圓被送往光刻膠玻璃機,在此去除眼膜層。 之後,晶圓被送往物理氣箱沉積設備。 在此,一系列金屬填充暴露的圖案,並在晶圓上形成一層金屬塗層。 最後,晶圓被送入化學機械平坦化設備。 金屬在此被研磨,直至只剩下一層平坦的絕緣二氧化硅和導電同戶連線,與光眼膜上的圖案相匹配。 單層金屬層現已完成,晶圓已準備好進入下一個週期,添加絕緣二氧化硅和通孔。 需要注意的是,清潔和晶圓劑量或檢測步驟會穿插在這些步驟之間。 此外,製造晶體管的工藝步驟不那麼簡單,需要用到離子注入機,因此我們將在單獨的晶體管物理和設計視頻中介紹它們。 這些步驟用於在晶圓上構建集成電路。 然而,製造微芯片還有一些其他步驟,我們稍後會進行探討。 但在深入探討之前,需要注意的一點是,半導體行業本視頻的研究和投入時間對於製造晶體管的具體工具佈局以及工藝步驟和配方,我們極其保密。 我們想製作一個關於微芯片製造的最佳視頻,因此我們花了180個小時在互聯網和教科書上搜索信息和參考圖片,並利用這些發現,我們花了205個小時對每個工具集成電路的多層結構以及半導體制造廠進行建模。 此外,編寫腳本耗時約100小時,而製作所有這些視覺效果的動畫則耗時超過825小時。 總而言之,這段視頻耗時超過1300小時製作完成,而且完全免費觀看。 我們希望製作更多像這樣的視頻,探索計算機架構和晶體管的工作原理。 如果沒有您的幫助,我們將無法實現。 您能提供幫助的最佳方式是花幾秒鐘向下滾動頁面,在下方留言,例如點贊視頻。 那麼,製造微芯片還需要哪些步驟呢? 在晶圓廠進行芯片製造之前,我們首先要製造硅晶圓,將石英岩提煉成純硅,然後生長單晶錠並將其切割成晶圓。 作爲參考,這些300毫米晶圓的厚度約爲四分之三毫米。 它們的側面有條形碼,上面還有一個小凹口,用於指示晶格的方向。 此外,這些晶圓極其脆弱,破碎後會碎成數百塊碎片。 一塊晶圓的成本約爲100美元,但裝上CPU後,它的價值接近10萬美元,這相當於黃金的十倍。 價值不菲。 接下來是芯片製造完成後的步驟。 完成的晶圓會被送到一個單獨的廠房,每個CPU都會經過嚴格的測試。 晶圓測試以確定其是否按預期工作。 如果CPU正常工作,那就太好了。 但通常情況下,一個顆粒或光眼膜缺陷會損壞集成電路的某個部分,導致該部分出現缺陷。 然後,這些半功能電路會根據哪些電路仍然正常工作進行分類或裝箱。 這些英特爾第13代處理器以I9,I7,I5或I3的型號出售,具體取決於其核心數量裝箱適用於不同CPU產品線。 且板在集成顯卡部分存在缺陷。 這些晶圓被運送到另一棟建築,在那裏芯片被激光切割出來,翻轉後放置在中介層上。 中介層將連接點分配到印刷電路板上,同時背面蓋有導熱保護蓋。 印刷電路板上裝有與主板接口的着陸刪革陣列以及各種電子元件。 接下來,在頂部安裝一個集成散熱器。 整個組件在包裝出售前要經過最後一次測試。 最後,CPU現在可以安裝到主板上並安裝到您的臺式電腦上了。