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舌尖上的硬件:边做比萨边看CPU/GPU制造过程
2013-01-11 10:09:35   编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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烘焙出来的半导体芯片

一沙一世界,一树一菩提,我们这个世界的深邃全部蕴藏于一个个普通的平凡当中。小小的厨房所容纳的不仅仅是人们对味道的情感,更有推动整个世界前进的动力。要想理解我们的世界,有的时候只需要细细品味一下我们所喜爱的美食即可。通过对美食的品味和体会,我们可以更好地理解许多硬件相关的原理、内涵甚至是趣闻,我们所需要为此准备的,其实仅仅是一颗平和的心而已。

一张小小的披萨饼,竟然可以将移动芯片设计制造过程的各个环节,以及处在这些环节中的不同厂商之间的关系生动的勾勒出来。这让我们在叹服披萨美味的神奇征服力的同时,对这个世界厚重内在联系的敬畏又增加了一份。

好吧,接下来我们要说的话也许您已经猜到了——这张小小的披萨饼中所蕴含的真实,是远不止仅仅是揭示芯片供应链条背后的关系那么简单的。

披萨的美味源自朴实搭配中蕴藏的和谐,更源自整个加工过程的细致规划与悉心投入。我们曾经说过拥有晶圆厂的半导体供应商是“执掌火的艺术”之人,它的努力是半导体芯片能够成型并为我们进行服务的基础,那么小小的披萨背后,能不能体现出半导体工业最核心的部分——芯片制造过程的内涵呢?ZOL在尝试烘烤自己的比萨饼的同时,对于CPU、GPU芯片的制造过程也来了一次别开生面的揭密之旅。

舌尖上的硬件:CPU/GPU芯片制造揭密
接下来我们将会向您解密披萨,厄……芯片的制造全过程

在今天的文章里,您将会看到一幕前所未见的半导体工业图景。CPU/GPU芯片的制造过程,将会在我们烹制整张披萨饼的过程中自然而然的来到您的面前。下面,就让我们开始今天的烘焙之旅吧。

最困难的部分——“真正的”半导体工艺

要明白披萨跟CPU/GPU你只整个半导体芯片工业的关系,我们可能首先要面对一点困难的内容——比如说,您知道一颗CPU/GPU的基本制造流程么?


舌尖上的硬件:CPU/GPU芯片制造揭密
晶圆生产线

在不考虑多次掺杂顺序、栅极形成于热处理前还是热处理后以及CMP(化学机械研磨)等细节性问题的前提下,半导体的制作流程大体上可以被概括为这样一个链条:单晶硅锭生长—晶圆切割—覆胶—光刻—清洗—蚀刻—清洗—覆胶—光刻—清洗—多次掺杂—多次沉积—芯片切割—封测。

半导体制造过程实际上是一个“自下而上”进行的二维单向过程。人们通过蚀刻形成沟道,透过掺杂形成栅极,经由沉积敷设导线,因为每个过程都需要破坏或者改变一部分晶圆表面区域的结构,而且这种破坏和改变都是不可逆的,如果提前破坏了后续步骤需要加工的区域,整个芯片将无法完成。所以半导体芯片的制造必须而且只能按照设计好的顺序,从最底层向上逐级进行这一系列的破坏和改变。这样的特点,造就了以“覆胶遮盖—光刻—清洗暴露—区域处理”为核心半导体芯片制造的独特过程。


简单的芯片制造工艺流程

对芯片的加工起点是从最基本的沟道形成开始的。在长成单晶硅锭并切割好晶圆之后,我们首先要在晶圆表面敷上一层对特定波长光线非常敏感的溶胶。接下来,我们会用事先标记好需要形成沟道区域位置的掩模作为“底片”对覆胶表面进行特定波长光束的照射。这一过程就是我们所常说的“光刻”,所有被光束照到的溶胶都会发生光化学反应并产生性变,清洗会令其脱落并暴露出需要蚀刻的晶圆表面。

舌尖上的硬件:CPU/GPU芯片制造揭密
光刻过程

在这些暴露的表面通过蚀刻完成沟槽的侵蚀“开挖”之后,我们需要清洗并去除晶圆表面残存的对非沟道区域起保护作用的溶胶,然后在完成一次“覆胶—光刻—清洗”的过程,只不过这次被暴露出来的位置是需要透过渗透掺杂来形成栅极的区域。接下来,我们会根据不同需求以及不同晶圆厂的特点多次完成注入/扩散掺杂过程,以此来创造出不同的电学特征区域,也就是形成栅极。

接下来需要进行的步骤是完成互联,无论是使用CVD还是PVD手段,在现有的铜互连工艺当中,我们都会在需要敷线的空间中事先预留好空白和保护区域,然后将接触材料(在铜中毒敏感场合使用的其他金属材料)以及铜以气相沉积的形式扩散进区域并沉积形成导线。至此,芯片的制造主体过程大体上就算完成了,在经过切割和封装测试之后,它就成了我们所熟悉的半导体芯片。

舌尖上的硬件:CPU/GPU芯片制造揭密
制造完成等待切割的芯片

当然,这样的过程并不是一上手就可以成功的。依旧受“自下而上进行且不可逆的二维单向过程”影响,整个半导体工艺过程中的每一个步骤都会对后面的步骤产生影响,这种影响不仅造成了下游效应这一影响芯片良率的现象,更让半导体制造变成了一个需要多次学习和经验积累的过程。这样的学习过程就是我们通常所说的tape out/retape out,也就是多次流片过程。通过多次流片并观察和调整工艺细节,最终成型的工艺将会被用来部署在流水线上进行批量化的快速芯片加工,但被调整的部分均属细节,整体步骤通常依旧会维持我们前面所接触的这一顺序来进行。

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