1、1探讨 CPU 制造工艺变化与发展摘要：CPU 制造工艺又叫做 CPU 制程，它的先进与否决定了 CPU 的性能优劣。CPU 的制造是一项极为复杂的过程。CPU 的发展史也可以看作是制作工艺的发展史，以 CPU 为代表的芯片制造水平更是一个国家科研水平的标志，也是一个国家的综合国力反映。本文主要从 CPU 的生产过程、CPU 制造工艺来讲述制约 CPU 制造技术瓶颈与未来制造工艺的新发展方向。 关键词：晶圆 蚀刻 封装 电流泄漏 1 CPU 的生产过程 1.1 硅提纯 生产 CPU 的材料是半导体硅 Si，但必需是纯净的单晶硅才可以适合于制造各种微小的晶体管。首先把含硅元素的原材料放进一个巨大
2、的石英熔炉熔化。然后向熔炉里放入一颗晶种，硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成圆柱型的单晶硅锭。此操作被称为硅提纯。 1.2 切割硅锭 圆柱体硅锭被切割形成类似光盘状的片状硅晶片被称为晶圆。晶圆被用于 CPU 的制造，将其划分成数十或数百个细小的区域，每个区域都将成为一个 CPU 的内核，切割出来的晶圆越薄，每个圆柱体硅锭形成的晶圆就会越多，每个硅锭制造的 CPU 内核就会越多。 1.3 影印 紫外线通过印制着 CPU 复杂电路结构图样的模板照射涂敷晶圆硅基片，被紫外线照射的硅氧化物溶解从而在晶圆表面形成 CPU 复杂电路结构图。为避免不需要曝光的区域也受到光的干扰，通常用石英2遮罩来遮蔽这些区域
3、。 1.4 蚀刻 蚀刻是 CPU 制造过程中最重要的技术。首先使用波长很短的紫外光并配合很大的镜头。透过石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光。然后停止光照移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜和紧贴着抗蚀膜的一层硅。然后用原子轰击曝光的硅基片实现掺杂，进而改变这些区域的导电状态，制造出 N 井或 P 井再结合影印阶段制造的基片，形成晶体管为主体的 CPU 门电路。 1.5 重复、分层 为了在硅基片上形成新的一层电路，需再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷硅氧化物，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复数十遍，最终形成一个 3D 结构的晶体管及附属电路，
4、这是最终的核心 CPU。依据 CPU 的晶体管及线路布局，以及通过 CPU 的电流大小决定 CPU 层数。层与层中间用金属铜或铝填冲，著名 AMD 的 Athlon 64 的 CPU 达到 9 层数结构。 1.6 封装 前面步骤形成的一块块准 CPU 是光盘状晶圆，不能直接被用户使用，必须要切割成几十或数百块单独的 CPU 内核，进而被封入陶瓷的或塑料的封壳中，此过程称 CPU 的封装。封装后的 CPU 内核，既可以防止外界灰尘对内部的影响，又能带来 CPU 芯片电气性能的提升，并能间接地提升 CPU 主频稳定性。也只有封装后的 CPU 才能安装在计算机主板上。可以想象层数越多、集成度越高的
5、CPU，故封装也越复杂。 1.7 测试 测试是 CPU 制造的最后环节，也是 CPU 出厂前最重要的必要环节。测试内容主要是 CPU 的电气性能，以检查是哪个步骤出了差错，每个 CPU 核心都将被分开测试。首先因为 CPU 中的缓存结构最复杂、密3度高，容易出问题，故对 CPU 缓存的测试会是重点。 然后是对整块 CPU进行完全测试，以检验其全部性能指标。intel 的酷睿 i7 能够在较高的频率下运行，故称为高端产品，intel 的奔腾因为运行频率较低故被称为中端产品，intel 的 Celeron 可能存在缓存上的功能缺陷，厂商通过屏蔽掉 CPU 的部分缓存后仍然可以运行，故称为低端产品。
6、CPU 被装入包装盒后，根据不同的运行频率和缓存，标识成性能不同的产品，销往全球各地市场。 2 日益改进的 CPU 制造工艺 CPU 厂商根据 CPU 制造的各个环节不断改进 CPU 制造工艺。 2.1 晶圆尺寸 硅晶圆尺寸是 CPU 生产过程中硅晶圆的直径值。硅晶圆尺寸越大意味着每块、圆能生产更多的 CPU 芯片。如 0.13 微米制程在200mm 的晶圆上可以生产约 179 个 CPU 核，而 300mm 的晶圆可以制造约427 个 CPU 核，且 300mm 晶圆的成本和 200mm 晶圆相比价格略有上升，成本几乎可以略去不计，所以扩大晶圆的尺寸，是所有 CPU 厂家的目标。 但硅晶圆固
7、有特性让厂家随意增加硅晶圆的尺寸目标变得越来越困难，因为在晶圆生产过程中，越远离晶圆中心位置越容易出现坏点。而且离硅晶圆中心越远，坏点几率会越高。 由于生产硅晶圆的设备所能生产的硅晶圆尺寸是固定的，如果用改造原设备来生产新尺寸的硅晶圆，其费用几乎可以建造一个新尺寸的晶圆工厂。故 CPU 厂商总是通过追加投资新建更大尺寸的晶圆工厂，以生产更大尺寸的晶圆，并尽力控制晶圆上坏点的数量，比如 8086 CPU 使用的晶圆尺寸是 50mm，Pentium 4 使用200mm 的硅晶圆，Intel 酷睿 i7 采用 300mm 晶圆 22 纳米的芯片制造工艺。42.2 蚀刻尺寸 蚀刻尺寸是光刻机在一个硅晶
8、圆上所能蚀刻的最小尺寸，是 CPU 核制造关键的技术参数。蚀刻工艺相同时，每一个处理器内核所含晶体管越多，一块硅晶圆所能生产的芯片数量就越少，每颗 CPU的成本随之提高。所以提升蚀刻工艺，使光刻机所能蚀刻的尺寸越小，从而让一片晶圆所能生产的芯片就越多，单片 CPU 成本也就随之降低。比如 8086 的蚀刻尺寸为 3m，而 Pentium 4 的蚀刻尺寸当前是 90 纳米。最新 Intel 的 300mm 尺寸硅晶圆厂可以做到 22 纳米的蚀刻尺寸。 蚀刻这个过程是由光刻机来完成的，所以光刻机采用蚀刻的光的波长越短，即蚀刻尺寸越短，蚀刻出的 CPU 成本越低。 2.3 金属互连层 “重复、分层”
9、中，不同厂家设计的 CPU 其内部互连层数是不同的。互连层的层数越多，意味着厂家在生产上亿个晶体管的 CPU 时可提供更高的灵活性。当晶体管的尺寸不断减小而处理器上集成的晶体管又越来越多的时候，连接这些晶体管的金属互连层线路越发重要。金属互连分层层数与金属线路的材质将直接影响信息传送的速度。3 制约 CPU 工艺的技术瓶颈 首先，晶体管由硅原子制造出来的，无论是提高主频还是集成更多的缓存又或是改进新的核心，这些都需要强大的制作工艺作为支撑，CPU 纳米制作工艺，实际上指的是一种工艺尺寸，代表在一块硅晶圆片上集成数以万计的晶体管之间的连线宽度。也就是指芯片上最基本功能单元门电路和门电路间连线的宽
10、度。以 90 纳米制造工艺为例，此时门电路间的连线宽度为 90 纳米。CPU 生产厂商不5遗余力地减小晶体管间的连线宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。但是，晶体管连线宽度的降低最终容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行的从负极流向正极的运动。被称作电流泄漏，随着芯片中晶体管数量增加，原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层会变得更薄进而导致泄漏更多电流，随后泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。事实上，不仅仅是 90 纳米制作工艺遇到晶体管漏电的难题，65 纳米和 45 纳米工艺更是面临艰巨的挑战。未来 CPU 的制作工艺改革必须建立在降低工作电压的基础上，而这也逼迫 CPU 厂
11、商通过其它途径来解决晶体管漏电问题。 4 不断发展的 CPU 工艺技术 4.1 高介电薄膜解决漏电问题 晶体管漏电至少造成明显的功耗提升，这不仅带来晶体管本身额外的发热量，还包括 CPU 为了解决信号模糊问题而不得不提高的核心电压。为此，Intel 在其 45 纳米工艺中融合了高介电薄膜和金属门集成电路，有效解决了漏电危机。尽管最新的制作工艺还没有办法来解决高功耗问题，但是 Intel 将会在新处理器上推出被称为“Deep Power Down”的技术，实现更低的 C6 节电状态。新的 C6 状态可以将处理器的核心电压降至其所采用制程技术的极限，在该状态下除了降低处理器核心频率以外还将会关闭所
12、有的高速缓存。在这种情况下，其功耗非常低，并且将会在新一代 Penryn 处理器上得到应用。 4.2 铜导互连技术 目前的 Intel Core2 以及 AMD K8 处理器都采用金属铜导互连技术，更多的金属铜线互连可以优化电路板并提高制造密度，从而大幅度降低成本的同时为性能提升开辟道路。Intel 45 纳米制6作工艺在原先的 65 纳米基础上更进一步，采用了 10 层铜互连技术，使硅晶圆上的晶体管集成度再次提高。经过近几年的发展，铜工艺已经日臻成熟，进入量产阶段。但是更多的铜导互连层也会导致互联电路部分的信号延迟，此时 Intel 选择低介电常数的 low k 材料作为介电材料。单纯采用铜
13、来代替铝作为互联材料可以降低信号延迟大约 40%，而新型low k 材料工艺能够在此基础上进一步使信号延迟降低 20%左右，只不过这与控制晶体管漏电又是一对矛盾。随着密度的增加，信号延迟问题变得越来越难以解决，而且即便是最新型的 low k 材料也难以满足未来的需求。 4.3 光互连技术 光互连是一种利用各种光传输介质作为取代 low k材料的新型材料，从而从根本上解决晶体管漏电问题，可以看作是光学与物理学以及 IC 制造的交叉性新领域。光互连并不像生物芯片或是其它技术那样遥远，将会成为未来主流发展趋势。 4.4 LADI 技术 制作工艺提升的最终目的与光刻蚀十密切相关，LADI是目前唯一在研
14、发上有较大进展的取代光刻蚀技术，已经成为芯片制造商的关注焦点。和传统的光刻蚀相比，LADI 更像是用于生产光碟的方法。它通过电子流蚀刻方法在一块透明的石英晶体上刻上极微小的反向图案，再将该石英晶体和一块硅晶片紧紧靠在一起，然后用高能量紫外激光照射，由于石英能够让 308 纳米波长的紫外线激光通过，硅晶片就会吸收该激光的能量并受热融化。这样激光就透过石英并融化了硅晶片最上层几纳米到几十纳米厚度的硅，等于无形中大幅度提升了制作工艺。 当硅晶片融化到指定深度的时候，石英晶体就成为了一个铸造模具，7比水的流动性好 3 倍的液态硅迅速地填充到石英晶体表面微细结构的空隙里并形成既定的图案。当把石英晶体移开
15、以后，这些来自石英晶体的电路和结构图案将被保留下来，用来组装处理器芯片的精微晶体管。整个 LADI 工序只需要不到 250ns 的时间，比眨一下眼睛都快了 100 万倍，由于 LADI 不再需要在硅层镀上腐蚀性的化学药剂，因此这个过程就变得非常环保而且更节约成本。不过可以肯定的是，目前 LADI 技术还比较超前，只有当光刻蚀技术配合 30 纳米发展到极限之后，它才会正式进入实质性应用。 5 总结 5.1 CPU 制造工艺是当代高科技领域的发展最新科研成果的代表，随着 CPU 工艺技术的不断改进，使得元器件的特征尺寸不断缩小，集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。CPU 芯片制造工艺在 1
16、995 年从 0.5 微米、0.35 微米、0.25 微米、0.18 微米、0.15 微米、0.13 微米、90 纳米一直发展到目前最新的 22 纳米。生产厂商们不断的突破一个又一个的 IC 制造业的技术难题，创造了一个又一个奇迹。 5.2 提高 CPU 的制造工艺具有重大的现实意义，先进的制造工艺会在 CPU 内部集成更多的晶体管，使处理器实现更多的功能和更高的性能；更先进的制造工艺会使处理器的核心面积进一步减小，也就是说在相同面积的晶圆上可以制造出更多的 CPU 产品，直接降低了 CPU 的产品成本。光互连技术应用将会成为 CPU 制造工艺最终解决方案。 5.3 新的 CPU 制造工艺及相
17、关技术研究对于一个国家综合国力的提升是一个重大的标志，打造我国自己的芯片制造产业，占领高科技领域8制高点，利用国内人力资源优势，实现后来居上，成为世界一流强国，研发并制造出来的国产的“芯”将成为中国新四化建设必然选择与必由之路，中国必需在高科技领域拥有自己的核心技术与核心产业。 参考文献： 1马恕.纳米时代向我们走来从微米向纳米发展的 CPU 制造工艺J.电脑自做，2003-05-15. 2Cfan.挺进纳米时代看未来 CPU 的制造工艺J.电脑爱好者，2004-01-01. 3潘晓辉.GPU 加速随机线性网络编码的研究J.价值工程， 2012（29）. 作者简介：康瑞锋（1973-） ，男，安徽宿州人，本科，讲师，主要研究方向：计算机网络技术，计算机网络安全与应用。
