傻白入门芯片设计，一颗芯片的诞生（九）

CPU生产和制造似乎很神秘，技术含量很高。许多对电脑知识略知一二的朋友大多会知道CPU里面最重要的东西就是晶体管了，提高CPU的速度，最重要的一点说白了提高主频并塞入更多的晶体管。由于CPU实在太小，太精密，里面组成了数目相当多的晶体管，所以人手是绝对不可能完成的，只能够通过光刻工艺来进行加工的。这就是为什么一块CPU里面为什么可以数量如此之多的晶体管。接下来我们一起回顾一下整个CPU制造过程。

目录

Step1 挖沙子，然后做成硅锭

Step2 硅锭切成硅片

Step3 光刻

Step4 刻蚀与粒子注入

Step5 金属线制作

Sep6 硅片测试与切片

Step7 封装（Packaging）

Step8 Bining

补充：芯片为什么这么贵？

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Step1 挖沙子，然后做成硅锭

如果问及CPU的原料是什么，大家都会轻而易举的给出答案—是硅。这是不假，但硅又来自哪里呢？其实就是那些最不起眼的沙子。不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选，硅要足够的纯，要个9,99.9999999%纯度。我们为什么要用Si做芯片？也简单，硅是半导体，能做开关，世界上沙子也多，还容易提纯，与是就决定是它了。

如何将原料进行高温溶化。整块硅原料必须高度纯净，即单晶硅。然后从高温容器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出，此时一个圆柱体的硅锭就产生了。注意这里硅锭尺寸不一，常见的有200mm,300mm直到450mm。在保留硅锭的各种特性不变的情况下增加横截面的面积是具有相当的难度的。

Step2 硅锭切成硅片

将硅锭切成1mm左右一片片的wafer（晶圆）。晶圆尺寸有大有小，比如8inch, 12inch的晶圆，光刻的时候直接刻整个圆，然后切下来好多小芯片。硅片切好以后，需要在上面氧化一层二氧化硅，用来做栅极。我们来看看下面的剖面图，红色的就是二氧化硅。

Step3 光刻

这个步骤首先在硅片上抹上一层光刻胶，一般来讲光一照，光刻胶就溶解（正胶）。然后用做好的掩模mask来照射wafer。

我们看上面这个剖面图，绿色的就是我们加入的光刻胶。黑色是我们根据版图制作出来的模板。然后用UV光去照，把光刻胶镂空。

Step4 刻蚀与粒子注入

这个步骤，我们用药水把oxide刻蚀了，然后把光刻胶洗掉，最后注入离子。

我们看剖面图，（f）就是刻好的oxide。然后在洞里注入离子，形成源极和漏极。至此我们的晶体管就造好了。此处要插播一个小知识。我们平时说的工艺制程，比如28nm, 14nm指的是晶体管栅极宽度，也就是导电沟道的长度，不是指的线宽，最小线宽一般比制程要粗了现在。但是超过28nm就不是指沟道长度了，是一个很复杂的数据

Step5 金属线制作

 

这个步骤主要是上硅片上连上金属线。这个过程我们依旧看下面的剖面图比较清楚。

看（b）图，首先在上面电镀一层金属，c图用光刻胶和掩膜版再刻蚀一遍得到d图，然后一层一层刻蚀叠加起来就行，层与层之间只有固定的通孔via用于连接。 

Sep6 硅片测试与切片

接下来代工厂还要做几个事儿。第一件事儿是先检查一下晶圆和芯片是不是好的。主要包含了两个测试：（1）WAT （Wafer Acceptance Test）, 这个主要是测试一下晶圆的电学特性是不是正常的。WAT测试电路代工厂在流片的时候就直接加入到晶圆里了，主要包括了各种晶体管参数比如阈值电压，漏电流，电阻，电容是不是正常的。WAT的测试向量是代工厂自己搞的。（2）CP(Chip Probing）测试。WAT测试没问题以后，接下来进行CP测试，先用探针看看芯片是不是好的，有问题的芯片直接扔掉，免得浪费封装成本。一般会用到前面讲的DFT三把斧，sacn chain, JTAG, BIST。CP测试向量由设计商提供。如果CP不合格，直接标记出来，扔掉。CP测试完了以后，就把芯片按照划片槽切成一个个小的芯片，如此得到了CPU的核心：Die，裸片。

Step7 封装（Packaging）

到这里所有的步骤都一样的，白牌CPU生产出来了。值得注意的是这些白牌CPU都是经过基础测试并工作正常的，但这并不代表它们是合格的产品，i7,i5和部分i3的分野也在其后发生。封装又是一个非常非常复杂的事情了，具体可以参考：

傻白入门芯片设计，芯片键合(Die Bonding)（四）_好啊啊啊啊的博客-CSDN博客

(8条消息) 傻白入门芯片设计，先进封装技术（五）_好啊啊啊啊的博客-CSDN博客

Step8 Bining

是骡子是马该拉出来遛遛了。这个步骤是封测的最后一步，它通过测量电压、频率、散热、性能、cache等等来为该CPU分类（这步应该是FT测试，是芯片出厂前的最后一道拦截）。最差当然是废品，其次有很多个SKU（Stock Keeping Unit，是产品入库后一种编码归类方法，也是库存控制的最小单位），远远不止i3、i5和i7这么粗枝大叶。例如i5还分有很多不同的细类，大家可以看intel的CPU，i5也有很多种，对应不同的市场segment。然后进行分拣，最后就可以上市了！为什么不只做CP，而忽略FT？这个是因为CP测试完毕后，在封装过程中还会引入芯片失效，所以还需要做FT来将失效的芯片去掉。

补充：芯片为什么这么贵？

此外，芯片流片贵（步骤Step~Step6），主要贵在掩膜版和晶圆，这两项价格不菲且都是消耗品，其中掩膜版最贵，一套中端工艺制程的掩膜版价格大约在50万美元左右，而一片晶圆的价额也在数千美元。光刻需要用到掩膜版，掩膜版就是把设计好的电路图雕刻在上面，让光通过后，在晶圆上刻出图形。掩膜版的质量会直接影响光刻的质量，掩膜版上的制造缺陷和误差也会伴随着光刻工艺被引入到芯片制造中。因此，掩膜版是下游产品精度和质量的决定因素之一。

掩膜版的价格主要取决于芯片所选用的“工艺节点”，工艺节点越高、流片价格就越贵。这是因为越先进的工艺节点，所需要使用的掩膜版层数就越多。据了解，在14nm工艺制程上，大约需要60张掩膜版，7nm可能需要80张甚至上百张掩膜版。

掩膜版层数多了，不仅仅是因为掩膜板的价格贵，还因为每多出一层 “掩膜板”，就要多进行一次“光刻”，就要再多涂抹一次 “光刻胶”，就要再多一次 “曝光”，然后再来一次 “显影” ...，整个流程下来耗费的成本就大大增加了。

 典型的集成电路工艺流程

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参考资料：

CPU制造的那些事之一：i7和i5其实是孪生兄弟！？ - 知乎 (zhihu.com)

一颗芯片的前世今生（4）——流片制造 - 知乎 (zhihu.com)

芯片流片为什么这么贵？ - 知乎 (zhihu.com)