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沙子怎样变成CPU---揭开CPU神秘的面纱（转）

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0楼发表于: 2008-06-29 12:59:22

大家都知道CPU是PC的大脑，负责一切运算。CPU是怎样制成的呢？俺大致写一下流程，如有不正之处还请专家指正。当然，网上有很多资料讲沙子怎样变成CPU,可是俺发现有很多不明之处，这里俺尽量少拷贝粘贴，也就是说有自己的内容。

首先，制作CPU最主要的原料当然是硅，化学符号Si。硅这种元素在自然界很常见，最常见的就是沙子。当然沙子里的硅不是以单质硅的形式存在，而是以氧化物的形式存在，就是二氧化硅（SiO2）。制作CPU首先就要把SiO2还原成为单质Si,这是一个看起来简单（就还原一下）其实很复杂的过程。因为不仅要还原，还要提纯。制作CPU需要极高纯度的硅，里面杂质的存在会严重影响硅的特性。

具体的还原过程如下（网上搜来的，俺没有亲自做过，也不能100%确定正确）

C+SiO2---->CO+Si
Si+HCl---->SiHCl3+H2
SiHCL3+H2---->Si+HCl

有了高纯单质硅只是万里长征第一步。下一步就要制作单晶硅。制作单晶硅要用到单晶炉。单质硅在单晶炉中熔化，硅液体上方有个能够旋转的臂，上面镶着一块硅籽晶。在制备单晶硅的过程中这个籽晶要浸泡在液态硅中并随悬臂一起匀速旋转并且缓慢上提。这样，硅原子就会按照籽晶的晶体取向沉积在籽晶上，硅单晶就会慢慢生长。制备的难度是和硅单晶的直径成比例的。直径越大，制备的难度也越高。

经过单晶生长会得到一个很大的硅棒。下一步就是切片。切片还起来是最简单的，其实也没有那么简单，因为切片一定要平行于某个晶向。完全平行是最好的。然后还要抛光。如果不是需要直径特别大的单晶硅，经过抛光的单晶硅片很容易就可以买到。4英寸的单晶硅片是目前实验室里非常普及的作为沉积各种薄膜的基体材料。俺就几乎天天都要用到。

切完片后还要进行掺杂。你可以认为这是加入杂质的过程，不过是以一种可控制的过成来完成的。主要目的是为了改变Si的导电性能。经过不用的单晶生长和掺杂，可以得到不同取向的不同性质的硅片，比如p100，p111，n100，n111等等。对于这些代表什么意思，我们不用去关心，只知道是不同导电性质和不同的晶体取向就行了。

为了制备各种晶体管，还要在硅片表面在加上一层SiO2的薄膜。这个比较简单，就是在可控制气氛的炉子中加热一段时间，把表层的Si氧化一下就行。工艺控制的好，能够很精确控制SiO2的厚度。

下面的工艺就比较复杂了。首先是对CPU电路的设计，也就是在硅基体上做什么电路。这都是电子工程师的任务。有了电路，就要把电路做到Si片上去，这就用到关键的技术：光刻。

光刻的原理不是很复杂。具体的过程如下：首先在硅表面用旋转的方法覆盖一层光刻胶。就是滴到硅片表面少许光刻胶，然后硅片旋转，形成薄膜。薄膜的厚度可以用转速和光刻胶的粘度来控制。然后用光（不是可见光，实验室常用的是紫外光，波长段，分辨率高）来选择性的照射。光刻胶在光的照射下发生反应，性质发生变化。光刻胶有positive 和negative之分。Positive是指光照射的部分在后来的处理过程中可以给溶解掉，没有照射的部分会保留。Negative的正好相反，被光照射的保留，没有被光照射的可以被溶解掉。这样把要制备的电路制成mask，放到带有光刻胶的硅片上，用光照射，然后溶解掉光刻胶，就会形成用光刻胶组成的电路图。下一步要腐蚀硅片，因为我们要的是电路在硅上，而不仅仅是光刻胶。腐蚀分湿腐蚀和干腐蚀（都是俺自己从字面翻译过来的，中文部一定是这样对应的）。反正是把露出来的硅片给腐蚀下去一层，而用光刻胶保护的地方不被腐蚀。然后再用某种溶液溶解掉光刻胶，就形成了一层电路。

对于CPU，这个电路不仅仅是一层，而是立体的，有很多层。每一层都有不同的mask来做不同的线路，很关键的一点是mask的对齐。几层mask一定要对其，不然该连在一起的就连不起来了，不该连的反而连起来了。这样制备了基层电路后要把这立体的电路连接，这难不倒工程师。最后在应该连的地方腐蚀一个洞，一直达到想要的层，然后沉积上金属（常用铝）就把各层都连接起来了。：） -------以上光刻过程俺都亲自做过，不过分辨率没有那么高，在0.5微米左右，也就是500nm。至于intel怎样制备的45纳米工艺，属于绝对的商业机密，俺不知道。还有一点，就是在不同层的电路刻蚀之间还有很复 ..

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wudawolf

rf币 +2

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2008-06-29

离线myshuixiang

路は曼曼として其れ修远なり

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