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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，旦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，通常用石英遮罩来遮蔽这些区域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，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in tel的酷睿i7能够在较 高的频率下运行，故称为高端产品，ntel的奔腾因为运行频率较低故被称为中端产品，ntel 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 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，Pen tium 4使用200mm的硅晶圆，In tel酷睿 i7 采用 300mm 晶圆 22 纳米的芯片制造工艺2.2蚀刻尺寸蚀刻尺寸是光刻机在一个硅晶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3呵而Pen tium 4的蚀刻尺寸当前是90纳米最新 In tel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"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， In tel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In tel 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In tel 45纳米制作工艺在原先的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In tel选择 低介电常数的low k材料作为介电材料单纯采用铜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 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，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1995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。

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