中央 解决器(CPU，central processing unit)作为计算机系统的运算和操纵核心，是信息 解决、程序运行的最后执行单元，是运算和 解决数据的核心，又称为“微 解决器” 。现如今，关于 PC ，甚至手机而言，CPU的规格与频率甚至直接被用来 衡量电脑及手机性能强弱主要指标 。

CPU里面最主要的东西就是晶体管了， 遍及CPU的速度，最主要的就是 遍及单位面积里晶体管的数量，因为CPU 着实太周密，里面构成了数目相当多的晶体管，早在多年前就不得不通过光刻工艺来进行加工了 。

晶体管 能够在逻辑上直接 了解为一个开关：假如您回顾起 根本计算的时代，那就是一台计算机需求进行工作的全部 。两种 取舍，开和关，关于机器来说即0和1，而这些开关能构建门电路，进而组合成复杂的大规模运算器，就成了CPU 。

创造CPU的 根本原料

沙子：硅是地壳内第二 丰盛的元素，而脱氧后的沙子(尤其是石英)最多包括25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的 模式存在，这也是半导体创造产业的 根底 。

硅熔炼：12英寸/300毫米晶圆级，下同 。通过多步净化得到可用于半导体创造 品质的硅，学名电子级硅(EGS)， 均匀每一百万个硅原子中最多惟 唯一个杂质原子 。此图 展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭(Ingot) 。

制备单晶硅锭

单晶的意思是指原子在三维空间中出现 规定有序的罗列 构造，而单晶硅 占有“金刚石 构造”，每个晶胞含有8个原子，其晶体 构造十分 巩固 。

单晶硅的“金刚石” 构造

通常单晶硅锭都是采纳直拉法治备，在仍是液体状态的硅中加入一个籽晶，提供晶体 成长的 核心，通过适当的温度操纵，就开始 渐渐将晶体向上 晋升并且逐步增大拉速， 回升同时以 定然速度绕 晋升轴旋转，以便将硅锭操纵在所需直径内 。这一步是通过熔化硅原料， 而后将液态硅注入大型高温石英容器而 实现的 。 结束时， 只有 晋升单晶硅炉温度，硅锭就会自动 构成一个锥形尾部，制备就 实现了，一次性产出的IC芯片更多 。

制备好的单晶硅锭直径约在300mm左右，重约100kg 。而当前 寰球 规模内都在生产直径12寸的硅圆片，硅圆片尺寸越大，效益越高 。

将制备好的单晶硅锭一头一尾切削掉，并且对其直径修整至 指标直径，同时 使用金刚石锯把硅锭切割成一片片厚薄 匀称的晶圆(1mm) 。有时候为了定出硅圆片的晶体学取向，并适应IC制作过程中的装卸需求，会在硅锭边缘切割出“取向平面”或“缺口”标记 。

研磨硅圆片

切割后的晶圆其表面依旧是不 光滑的，需求 通过 细心的研磨，削减切割时造成的表面凹凸不平，期间会用到特别的化学液体 荡涤晶圆表面，最后进行抛光研磨 解决，还 能够在进行热 解决，在硅圆片表面成为“无缺点层” 。一块块亮晶晶的硅圆片就这样被制作出来，装入特制固定盒中密封包装

在掺入化学物质的工作 实现之后， 标准的切片就 实现了 。 而后将每一个切片放入高温炉中加热，通过操纵加温 工夫而使得切片表面生成一层二氧化硅膜 。通过紧密监测温度，空气成分和加温 工夫，该二氧化硅层的厚度是 能够操纵的 。在intel的90纳米创造工艺中，门氧化物的宽度小到了惊人的5个原子厚度 。这一层门电路也是晶体管门电路的一 部分，晶体管门电路的作用是操纵其间电子的流动，通过对门电压的操纵，电子的流动被严格操纵，而 不管输入输出端口电压的大小 。

预备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上 遮蔽一个感光层 。这一层物质用于同一层中的其它操纵 利用 。这层物质在干燥时 存在很好的感光 动机，并且在光刻蚀过程 结束之后， 能够通过化学 步骤将其溶解并除去 。

前工程——制作带有电路的芯片

涂抹光刻胶

买回来的硅圆片 通过 审查无破损后即可投入生产线上，前期可能还有各种成膜工艺， 而后就进入到涂抹光刻胶环节 。微影光刻工艺是一种图形影印技术，也是集成电路创造工艺中一项 要害工艺 。首先将光刻胶(感光性树脂)滴在硅晶圆片上，通过高速旋转 匀称涂抹成光刻胶薄膜，并施加以适当的温度固化光刻胶薄膜 。

光刻胶是一种对光线、温度、湿度十分敏感的 材料， 能够在光照后 产生化学性质的转变，这是整个工艺的 根底 。

光刻蚀

这是当前的CPU创造过程当中工艺十分复杂的一个步骤，光刻蚀过程是 使用 定然波长的光在感光层中刻出相应的刻痕， 由此转变该处 材料的化学 特点 。这项技术关于所用光的波长要求极为严格，需求 使用短波长的紫外线和大曲率的透镜 。刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响 。每一步刻蚀都是一个复杂而 细致的过程 。

当这些刻蚀工作全部 实现之后，晶圆被翻转过来 。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照耀到晶圆的感光层上， 而后撤掉光线和模板 。通过化学 步骤除去 裸露在外边的感光层物质，而二氧化硅即将在陋空位置的下方生成 。

光刻胶(Photo Resist)：图中蓝色 部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体， 类似制作传统胶片的那种 。晶圆旋转 能够让光刻胶铺的十分薄、十分平 。

就单项技术工艺来说，光刻工艺环节是最为复杂的，成本最为昂贵的 。因为光刻模板、透镜、光源一起决定了“印”在光刻胶上晶体管的尺寸大小 。

将涂好光刻胶的晶圆放入步进 反复曝光机的曝光 安装中进行掩模图形的“复制” 。掩模中有预先设计好的电路图案，紫外线透过掩模 通过特制透镜折射后，在光刻胶层上 构成掩模中的电路图案 。普通来说在晶圆上得到的电路图案是掩模上的图案1/10、1/5、1/4， 因而步进 反复曝光机也称为“缩短投影曝光 安装” 。

普通来说，决定步进 反复曝光机性能有两大 因素：一个是光的波长，另一个是透镜的数值孔径 。假如想要缩短晶圆上的晶体管尺寸，就需求寻觅能 正当 使用的波长更短的光(EUV，极紫外线)和数值孔径更大的透镜(受透镜材质影响，有极限值) 。

ASML公司TWINSCAN NXE:3300B

由此进入50-200纳米尺寸的晶体管级别 。一块晶圆上 能够切割出数百个 解决器，不过从这里开始把 视线缩短到其中一个上， 展示如何制作晶体管等部 件 。晶体管相当于开关，操纵着电流的方向 。现在的晶体管已经如此之小，一个针头上就能放下大概3000万个 。

溶解光刻胶

对曝光后的晶圆进行显影 解决 。以正光刻胶为例，喷射强碱性显影液后，经紫外光照耀的光刻胶会 产生化学 反响，在碱溶液作用下 产生化学 反响，溶解于显影液中，而未被照耀到的光刻胶图形则会 完全保留 。显影 结束后，要对晶圆表面的进行冲洗，送入烘箱进行热 解决，蒸发水分以及固化光刻胶 。

蚀刻

将晶圆浸入内含蚀刻药剂的特制刻蚀槽内， 能够溶解掉 裸露出来的晶圆 部分，而剩下的光刻胶 掩护着不需求蚀刻的 部分 。期间施加超声振动，加快去除晶圆表面附着的杂质， 预防刻蚀产物在晶圆表面停留造成刻蚀不 匀称 。

革除光刻胶

通过氧等离子体对光刻胶进行灰化 解决，去除全部光刻胶 。此时就 能够 实现第一层设计好的电路图案 。

光刻胶

再次浇上光刻胶(蓝色 部分)， 而后光刻，并洗掉曝光的 部分，剩下的光刻胶还是用来 掩护不会离子注入的那 部分 材料 。因为现在的晶体管已经3D FinFET设计，不可能一次性就能制作出所需的图形，需求 反复之前的步骤进行 解决，中间还会有各种成膜工艺(绝缘膜、金属膜) 参加到其中，以 获得最后的3D晶体管 。

离子注入(Ion Implantation)

在真空系统中，用 通过加快的、要掺杂的原子的离子照耀(注入)固体 材料，从而在被注入的区域 构成特别的注入层，并转变这些区 域的硅的导电性 。 通过电场加快后，注入的离子流的速度 能够超过30万千米每小时 。

在特定的区域，故意识地导入特定杂质的过程称为“杂质扩散” 。通过杂质扩散 能够操纵导电类型(P结、N结)之外，还 能够用来操纵杂质浓度以及 分布 。

现在普通采纳离子注入法进行杂质扩散，在离子注入机中，将需求掺杂的导电性杂质导入电弧室，通过放电使其离子化， 通过电场加快后，将数十到数千keV能量的离子束由晶圆表面注入 。离子注入 结束后的晶圆还需求 通过热 解决，一方面利用热扩散原理进一步将杂质“压入”硅中，另一方面 复原晶格 完全性，活化杂质电气 特点 。

离子注入法

离子注入法 存在加工温度低，可 匀称、大面积注入杂质，易于操纵等 长处， 因而成为超大规模集成电路中不可 缺乏的工艺 。

革除光刻胶

实现离子注入后， 能够 革除掉 取舍性掺杂残留下来的光刻胶掩模 。此时，单晶硅内部一小 部分硅原子已经被替换成“杂质”元素，从而产生可 自由电子或空穴 。

左：硅原子 构造；中：掺杂砷，多出 自由电子；右：掺杂硼， 构成电子空穴

而注入区域(绿色 部分)也已掺杂，注入了不同的原子 。 留神这时候的绿色和之前已经有所不同 。

绝缘层 解决

此时晶体管雏形已经 根本 实现，利用气相沉积法，在硅晶圆表面全面地沉积一层氧化硅膜， 构成绝缘层 。同样利用光刻掩模技术在层间绝缘膜上开孔，以便引出导体电极 。

在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连 。

在绝缘材(品红色)上蚀刻出三个孔洞，并填充铜，以便和其它晶体管互连 。

积淀铜层

利用溅射沉积法，在晶圆整个表面上沉积布线用的铜层， 接续 使用光刻掩模技术对铜层进行雕刻， 构成场效应管的源极、漏极、栅极 。最后在整个晶圆表面沉积一层绝缘层以 掩护晶体管 。

电镀：在晶圆上电镀一层硫酸铜，将铜离子 积淀到晶体管上 。铜离子会从正极(阳极)走向负极(阴极) 。

铜层：电镀 实现后，铜离子沉积在晶圆表面， 构成一个薄薄的铜层 。

抛光

将多余的铜抛光掉，也就是磨光晶圆表面 。

构建晶体管中间衔接电路

通过漫长的工艺，数以十亿计的晶体管已经制作 实现 。剩下的就是如何将这些晶体管衔接起来的问题了 。同样是先 构成一层铜层， 而后光刻掩模、蚀刻开孔等 细致操作，再沉积下一层铜层......，这样的工序 反复进行 屡次，这要视乎芯片的晶体管规模、复制程度而定 。最后 构成极其复杂的多层衔接电路网络 。

金属层：晶体管级别，六个晶体管的组合，大概500纳米 。在不同晶体管中间 构成复合互连金属层，具体布局取决于相应 解决器所需求的不同 性能性 。芯片表面看 起来 异样平滑，但事实上可能包括20多层复杂的电路，放大之后 能够看到极其复杂的电路网络，形如 将来派的多层高速公路系统 。

后工程——从划片到成品销售

晶圆级测试

前工程与后工程中间，夹着一个Good-Chip/Wafer检测工程，简称G/W检测 。 目标在于检测每一块晶圆上创造的一个个芯片是不是合格 。通常会 使用探针与IC的电极焊盘接触进行检测，传输预先编订的输入信号，检测IC输出端的信号是不是 畸形，以此确认芯片是不是合格 。

因为当前IC创造 宽泛采纳冗余度设计，即就是“不合格”芯片，也 能够采纳冗余单元置换成合格品， 只有求 使用激光切断预先设计好的熔断器即可 。固然，芯片有着 无奈挽回的严峻问题，将会被标记上 抛弃标签 。

内核级别，大概10毫米/0.5英寸 。图中是晶圆的 部分，正在 承受第一次 性能性测试， 使用参考电路图案和每一块芯片进行对照 。

晶圆切片(Slicing)

IC内核在晶圆上制作 实现并通过检测后后，就进入了划片阶段 。划片 使用的划刀是粘附有金刚石颗粒的极薄的圆片刀，其厚度仅为人类头发的1/3 。将晶圆上的每一个IC芯片切划下来， 构成一个内核Die 。

裂片 实现后还会对芯片进行外观 审查，一旦有破损和 创痕就会放弃，前期G/W 审查时发现的瑕疵品也将一并去除 。

晶圆级别，300毫米/12英寸 。将晶圆切割成块，每一块就是一个 解决器的内核(Die) 。

抛弃瑕疵内核：晶圆级别 。测试过程中发现的有瑕疵的内核被放弃，留下 完全的 预备进入下一步 。

单个内核：内核级别 。从晶圆上切割下来的单个内核，这里 展示的是Core i7的核心 。

封装：封装级别，20毫米/1英寸 。衬底(基片)、内核、散热片 重叠在一起，就 构成了我们看到的 解决器的样子 。衬底(绿色)相当于一个底座，并为 解决器内核提供电气与机械界面，便于与PC系统的其它 部分交互 。散热片(银色)就是负责内核散热的了 。

芯片进行检测 实现后不得不算是一个半成品，因为不能被用户直接 使用 。还需求 通过装片作业，将内核 拆卸固定到基片电路上 。装片作业全程因为计算机操纵的自动固晶机进行 细致化操作 。

等级测试

CPU创造 实现后，还会进行一次全面的测试 。测试出每一颗芯片的 巩固频率、功耗、发热，假如发现芯片内部有硬件性缺点，将会做硬件屏蔽措施， 因而划分出不 等同级类型CPU，例如Core i7、i5、i3 。这里 注明一下，高中低档的cpu制作成本是一样的，只不过最后测试时，性能高的就是高端，性能低的就是入门级 。

装箱：依据等级测试 后果将同样级别的 解决器放在一起装运 。

零售包装：创造、测试 结束的 解决器要么批量交付给OEM厂商，要么放在包装盒里进入零售市场 。

当CPU被放进包装盒之前，普通还要进行最后一次测试，以确保之前的工作精确无误 。依据前面确定的最高运行频率不同，它们被放进不同的包装，销往世界各地 。