造个CPU有多难

2021-09-09超载

电脑爱好者 2021年24期

超载

CPU是每台电脑的中枢，相当于电脑的“大脑”，不过想要生产这个“大脑”是需要极高门槛的。注意，我们说的是制造，随着“代工”行业的蓬勃发展，现在能够设计的CPU公司有一些，能制造CPU的公司又是另一部分企业，能够同时实现CPU设计、生产制造的，那就更是凤毛麟角了。

我们经常能看到一句玩笑话“CPU就是沙子”，理论上这句话没有错误，但是要想实现从“沙子到CPU”的转变，那真是无比困难。总体来说，CPU的制造过程需要一个非常冗长的制作阶段，每一步都是集尖端技术之大成。

从沙提纯开始

目前CPU的制造，是基于一种名为硅（sili con）的化学元素。它是半导体，CPU的计算是通过半导体的不断“开/关（导通/断开）”来完成的，所以实际上CPU的最核心部件某种程度上可以被称作“硅做的半导体开关总和”。

硅是外观带着灰蓝色金属光泽且坚硬易碎的晶体，亦是一种四价的类金属半导体。它广泛分布于我们的地壳中——因此我们通常就是从沙子中对硅进行高度提纯，也就是有些人说的“沙子变CPU”。这个提纯的过程并不是用筛子进行筛选，它首先需要用焦炭去烧沙子，从而得到粗炼的硅，注意这时只是硅。接下来就是精炼提纯，主要是使用化学沉积法实现，精炼提纯步骤完成后，粗炼的硅纯度就提升到了99.99%。这还不够，要让硅成为硅晶体，还需要通过石英熔炉进行再次提纯，并且“塑形”。提纯的过程大致是在一个巨大的石英熔炉中放入一颗“晶种”，用于沙子中的硅晶体依附其上开始“生长”，并且通过提拉手段让其形成柱体状。当然，这个过程不是如此简单，因为制造CPU需要的硅晶体纯度是惊人的99.999999999%。此时，便是我们说的硅晶圆了。

说了这么多，为什么半导体需要用硅来制作呢？除了容易获得、成本低廉之外，硅具有非常好的热稳定性。举例来说，CPU超频在使用液氮散热时可以让其工作在极低的温度;而在日常使用中，几十度的“炙烤”下CPU依然可以稳定运行，这就是硅的特质——热稳定性带来的好处。

从柱体切割晶圆

有了单晶硅，下一步的工作就是把它变成硅晶圆。在绝对无尘的环境下，通过“金刚线”切割变成硅晶圆。这个过程不是单纯的“一切了事”，切的方法也是根据硅晶圆的尺寸而有所区别的。

在200mm直径以下的晶圆上，准确的说它并不是纯粹的圆柱体，而是有一个平切面，作用就是为了更好的定位（后续工艺使用）。到了200mm以上的晶圆上，为了尽量利用晶圆生产更多的芯片，减少不必要的浪费，这个平切面就“变成”了一个小切口，这样可以节省一部分晶圆面积，用来制造芯片。

听起来很容易，不就是切割成片吗？实际不然，在半导体晶圆切割过程中，由于机械力的作用，半导体晶圆边沿容易出现微裂、崩边和应力集中点，半导体晶圆表面也存在应力分布不均和损伤，这些缺陷是造成半导体晶圆制造中产生大量滑移线、外延层错、滑移位错、微缺陷等二次缺陷以及半导体晶圆、芯片易破裂的重要因素。所以，这就需要极高技术水平的切割工艺来实现，从而克服线锯的晃动、提高其稳定性，减少对降低硅片表面损伤、特别是表面较粗糙的缺陷。

听起来是不是已经非常困难了？实际在CPU制造过程中，这点技术难度还不算什么。更难的事情在后面。现在这个切好的薄片并不能做什么，甚至现在它还都不是一个真正的“半导体”，接下来的步骤是给这个切片涂抹光阻剂，这个光阻剂的涂抹需要非常均匀而且非常薄，相当于把这个晶圆切片成为一个胶片底板，方便后续的影印、蚀刻。

“拍照、印刷”制作基板

制造CPU的晶圆切片只能算个“准备工作”，接下来我们就要用这些涂抹了光阻剂的切片进行“拍照”。工厂将使用专业设备通过紫外线将印制了CPU复杂电路结构图样的“模板”照射到这些晶圆切片之上，图样的透光部分射出的紫外线，会让照射到的部位光阻剂溶解，而模板上不透光的部分会使得相应地点的光阻剂保留下来，也就是“该曝光的地方曝光、该隐藏的地方隐藏”。之后涂上金属层，就形成了一个粗糙的线路或者说芯片模块的雏形，这个过程相当于给后续CPU制造做一个“基板”。

笔者这个形容其实极为简化，这个过程的复杂程度超出想象——每个遮罩、照射的复杂性，都是以10GB为单位的数据来实现的，绝非是“拍照曝光”那么简单。