【呆濤的回答(960票)】:

額 .. 既然被邀請(qǐng)了我就說一下吧: (話說為啥破布大神不在了...)

要想造個(gè)芯片, 首先, 你得畫出來一個(gè)長(zhǎng)這樣的玩意兒給Foundry (外包的晶圓制造公司)

(此處擔(dān)心有版權(quán)問題… 畢竟我也是拿別人錢干活的苦逼phd… 就不放全電路圖了… 大家看看就好,， 望理解！ ）

再放大...

cool! 我們終于看到一個(gè)門電路啦! 這是一個(gè)NAND Gate(與非門), 大概是這樣:

A, B 是輸入, Y是輸出. A, B 是輸入, Y是輸出.

其中藍(lán)色的是金屬1層, 綠色是金屬2層, 紫色是金屬3層, 粉色是金屬4層...

那晶體管(更正, 題主的"晶體管" 自199X年以后已經(jīng)被CMOS, 即場(chǎng)效應(yīng)管大規(guī)模取代了 )呢?

仔細(xì)看圖, 看到里面那些白色的點(diǎn)嗎? 那是襯底, 還有一些綠色的邊框? 那些是Active Layer (也即摻雜層.)

然后Foundry是怎么做的呢? 大體上分為以下幾步:

首先搞到一塊圓圓的硅晶圓, (就是一大塊晶體硅, 打磨的很光滑, 一般是圓的)

1. 濕洗 (用各種試劑保持硅晶圓表面沒有雜質(zhì))

1上面是氧化層, 下面是襯底(硅)

2. 光刻 (用紫外線透過蒙版照射硅晶圓, 被照到的地方就會(huì)容易被洗掉, 沒被照到的地方就保持原樣. 于是就可以在硅晶圓上面刻出想要的圖案. 注意, 此時(shí)還沒有加入雜質(zhì), 依然是一個(gè)硅晶圓. )

3先加入Photo-resist, 保護(hù)住不想被蝕刻的地方

4.上掩膜! (就是那個(gè)標(biāo)注Cr的地方. 中間空的表示沒有遮蓋, 黑的表示遮住了.)

5 紫外線照上去... 下面被照得那一塊就被反應(yīng)了

6.撤去掩膜.

7 把暴露出來的氧化層洗掉, 露出硅層(就可以注入離子了)

8 把保護(hù)層撤去. 這樣就得到了一個(gè)準(zhǔn)備注入的硅片. 這一步會(huì)反復(fù)在硅片上進(jìn)行(幾十次甚至上百次).

3. 離子注入 (在硅晶圓不同的位置加入不同的雜質(zhì), 不同雜質(zhì)根據(jù)濃度/位置的不同就組成了場(chǎng)效應(yīng)管.)

2 一般來說, 先對(duì)整個(gè)襯底注入少量(10^10 ~ 10^13 / cm^3) 的P型物質(zhì)(最外層少一個(gè)電子), 作為襯底

9 然后光刻完畢后, 往里面狠狠地插入一塊少量(10^14 ~ 10^16 /cm^3) 注入的N型物質(zhì)

就做成了一個(gè)N-well (N-井)

14 再次狠狠地插入大量(10^18 ~ 10^20 / cm^3) 注入的P/N型物質(zhì), 此時(shí)注意MOSFET已經(jīng)基本成型.

4.1干蝕刻 (之前用光刻出來的形狀有許多其實(shí)不是我們需要的,而是為了離子注入而蝕刻的. 現(xiàn)在就要用等離子體把他們洗掉, 或者是一些第一步光刻先不需要刻出來的結(jié)構(gòu), 這一步進(jìn)行蝕刻).

10 用干蝕刻把需要P-well的地方也蝕刻出來. 也可以再次使用光刻刻出來.

4.2濕蝕刻 (進(jìn)一步洗掉, 但是用的是試劑, 所以叫濕蝕刻).

13 進(jìn)一步的蝕刻, 做出精細(xì)的結(jié)構(gòu). (在退火以及部分CVD)13 進(jìn)一步的蝕刻, 做出精細(xì)的結(jié)構(gòu). (在退火以及部分CVD)

16 將氮化物蝕刻出溝道

18 將多余金屬層蝕刻.

--- 以上步驟完成后, 場(chǎng)效應(yīng)管就已經(jīng)被做出來啦~ 但是以上步驟一般都不止做一次, 很可能需要反反復(fù)復(fù)的做, 以達(dá)到要求. ---

等離子沖洗 (用較弱的等離子束轟擊整個(gè)芯片)

熱處理, 其中又分為:

快速熱退火 (就是瞬間把整個(gè)片子通過大功率燈啥的照到1200攝氏度以上, 然后慢慢地冷卻下來, 為了使得注入的離子能更好的被啟動(dòng)以及熱氧化)

退火

熱氧化 (制造出二氧化硅, 也即場(chǎng)效應(yīng)管的柵極(gate) )

11 上圖將P-型半導(dǎo)體上部再次氧化出一層薄薄的二氧化硅.

化學(xué)氣相淀積(CVD), 進(jìn)一步精細(xì)處理表面的各種物質(zhì)

15 用氣相積淀 形成的氮化物層

物理氣相淀積 (PVD), 類似, 而且可以給敏感部件加coating

17 物理氣相積淀長(zhǎng)出 金屬層

分子束外延 (MBE) 如果需要長(zhǎng)單晶的話就需要這個(gè)..

12 用分子束外延處理長(zhǎng)出的一層多晶硅,， 該層可導(dǎo)電

電鍍處理

化學(xué)/機(jī)械 表面處理

然后芯片就差不多了, 接下來還要:

晶圓測(cè)試

晶圓打磨

就可以出廠封裝了.

哦對(duì)了... 最開始那個(gè)芯片, 大小大約是1.5mm x 0.8mm

PS新加了一些附圖, 來自AnandTech | An Introduction to Semiconductor Physics, Technology, and Industry ,

附圖的步驟在每幅圖的下面標(biāo)注, 一共18步. 我將它們按照處理方式分類了.

如有錯(cuò)誤歡迎指教!

最終成型大概長(zhǎng)這樣:

其中, 步驟1-15 屬于 前端處理 (FEOL), 也即如何做出場(chǎng)效應(yīng)管

步驟16-18 (加上許許多多的重復(fù)) 屬于后端處理 (BEOL) , 后端處理主要是用來布線. 最開始那個(gè)大芯片里面能看到的基本都是布線! 一般一個(gè)高度集中的芯片上幾乎看不見底層的硅片, 都會(huì)被布線遮擋住.

版權(quán)歸原網(wǎng)站 (ANAND TECH) 以及原作者所有, 僅供示意參考(實(shí)在懶得自己畫了..)

之前的芯片圖來自我自己的設(shè)計(jì).

感謝各位的指正,！

【老驥伏櫪的回答(207票)】:

前方大量圖片預(yù)警，請(qǐng)非Wifi黨留步,。,。。,。,。。,。

簡(jiǎn)單地說,，處理器的制造過程可以大致分為沙子原料(石英)、硅錠,、晶圓,、光刻(平版印刷)、蝕刻,、離子注入,、金屬沉積,、金屬層、互連,、晶圓測(cè)試與切割,、核心封裝、等級(jí)測(cè)試,、包裝上市等諸多步驟,，而且每一步里邊又包含更多細(xì)致的過程。

下邊就圖文結(jié)合,，一步一步看看：下邊就圖文結(jié)合,，一步一步看看：

沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素,，以二氧化硅(SiO2)的形式存在,，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級(jí),，下同,。通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的硅，學(xué)名電子級(jí)硅(EGS),，平均每一百萬(wàn)個(gè)硅原子中最多只有一個(gè)雜質(zhì)原子,。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot),。

單晶硅錠：整體基本呈圓柱形,，重約100千克，硅純度99.9999％,。

第一階段的合影,。第一階段的合影。

硅錠切割：橫向切割成圓形的單個(gè)硅片,，也就是我們常說的晶圓(Wafer),。順便說，這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧,？

晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕,，表面甚至可以當(dāng)鏡子。事實(shí)上,，Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓,，而是從第三方半導(dǎo)體企業(yè)那里直接購(gòu)買成品，然后利用自己的生產(chǎn)線進(jìn)一步加工,，比如現(xiàn)在主流的45nm HKMG(高K金屬柵極),。值得一提的是，Intel公司創(chuàng)立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米,。

第二階段合影,。第二階段合影,。

光刻膠(Photo Resist)：圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種,。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄,、非常平。

光刻：光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下,，變得可溶,，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案,，紫外線透過它照在光刻膠層上,，就會(huì)形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說,，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。

光刻：由此進(jìn)入50-200納米尺寸的晶體管級(jí)別,。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個(gè)處理器,，不過從這里開始把視野縮小到其中一個(gè)上，展示如何制作晶體管等部件,。晶體管相當(dāng)于開關(guān),，控制著電流的方向。現(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小,，一個(gè)針頭上就能放下大約3000萬(wàn)個(gè),。

第三階段合影。第三階段合影,。

溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉,，清除后留下的圖案和掩模上的一致。

蝕刻：使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來的晶圓部分,，而剩下的光刻膠保護(hù)著不應(yīng)該蝕刻的部分,。

清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成,，全部清除后就可以看到設(shè)計(jì)好的電路圖案,。

第四階段合影。第四階段合影,。

光刻膠：再次澆上光刻膠(藍(lán)色部分),，然后光刻，并洗掉曝光的部分,，剩下的光刻膠還是用來保護(hù)不會(huì)離子注入的那部分材料,。

離子注入(Ion Implantation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的,、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料,，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層,，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)過電場(chǎng)加速后,，注入的離子流的速度可以超過30萬(wàn)千米每小時(shí),。

清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除,，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜,，注入了不同的原子。注意這時(shí)候的綠色和之前已經(jīng)有所不同,。

第五階段合影,。第五階段合影。

晶體管就緒：至此,，晶體管已經(jīng)基本完成,。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個(gè)孔洞，并填充銅,，以便和其它晶體管互連,。

電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上,。銅離子會(huì)從正極(陽(yáng)極)走向負(fù)極(陰極),。

銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面,，形成一個(gè)薄薄的銅層,。

第六階段合影。第六階段合影,。

拋光：將多余的銅拋光掉,，也就是磨光晶圓表面。

金屬層：晶體管級(jí)別,，六個(gè)晶體管的組合,，大約500納米。在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層,，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性,。芯片表面看起來異常平滑，但事實(shí)上可能包含20多層復(fù)雜的電路,，放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò),，形如未來派的多層高速公路系統(tǒng)。

第七階段合影,。第七階段合影,。

晶圓測(cè)試：內(nèi)核級(jí)別，大約10毫米/0.5英寸,。圖中是晶圓的局部,，正在接受第一次功能性測(cè)試,，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對(duì)比。

晶圓切片(Slicing)：晶圓級(jí)別,，300毫米/12英寸,。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個(gè)處理器的內(nèi)核(Die),。

丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級(jí)別,。測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準(zhǔn)備進(jìn)入下一步,。

第八階段合影,。第八階段合影。

單個(gè)內(nèi)核：內(nèi)核級(jí)別,。從晶圓上切割下來的單個(gè)內(nèi)核,，這里展示的是Core i7的核心。

封裝：封裝級(jí)別,，20毫米/1英寸,。襯底(基片)、內(nèi)核,、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子,。襯底(綠色)相當(dāng)于一個(gè)底座,，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機(jī)械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互,。散熱片(銀色)就是負(fù)責(zé)內(nèi)核散熱的了,。

處理器：至此就得到完整的處理器了(這里是一顆Core i7)。這種在世界上最干凈的房間里制造出來的最復(fù)雜的產(chǎn)品實(shí)際上是經(jīng)過數(shù)百個(gè)步驟得來的,，這里只是展示了其中的一些關(guān)鍵步驟,。

第九階段合影。第九階段合影,。

等級(jí)測(cè)試：最后一次測(cè)試,，可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率,、功耗,、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級(jí),，比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme,，還是低端型號(hào)Core i7-920。

裝箱：根據(jù)等級(jí)測(cè)試結(jié)果將同樣級(jí)別的處理器放在一起裝運(yùn),。

零售包裝：制造,、測(cè)試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商,，要么放在包裝盒里進(jìn)入零售市場(chǎng)。

PS：

以上是曾經(jīng)在在驅(qū)動(dòng)之家看到的CPU的制造過程,，從沙子到芯片：且看處理器是怎樣煉成的,；感覺過程很有意思，遂現(xiàn)在分享給大家,。如果有興趣的話可以進(jìn)一步觀看視頻,，從沙子到芯片，Intel英特爾處理器制作過程,。

【小馬過河的回答(10票)】:

有部紀(jì)錄片叫從沙子到cpu好像,。http://v.youku.com/v_show/id_XMTUyMjg1Mzky.html?x

【yifeihuang的回答(18票)】:

簡(jiǎn)單來說，就是：

你有一塊很光滑的硅片,，磨平了,。

然后往上面涂一層膠水，等膠水凝固了,。

你在一個(gè)一個(gè)板子上刻上一些圖形,，方的，長(zhǎng)的,，寬的,，窄的，按照你的需要,。然后這個(gè)板子就有些透明,，有些不透明了。

用光透過這個(gè)板子在涂了膠水的硅片上一照,，那么板子上有些地方被照到了,，有些地方?jīng)]有。

被照到的地方就會(huì)起變化,，用水（或者什么液體）就可以洗掉,，沒有照到的地方還留著，這樣就把你要的圖形從你的板子上轉(zhuǎn)移到了硅片上,。

然后你用離子豎著去挖這個(gè)板子,，洗掉的地方被挖掉了，沒洗掉的地方有膠水擋著,，就挖不掉,。

再把剩下殘留的膠水洗掉，你這個(gè)硅面上的東西就刻好了,。

這樣,，你可以在上涂各種其他的材料，一層又一層。

通過這種手段,，你設(shè)計(jì)的圖形或者說半導(dǎo)體器件,，就在硅片上面做好了。

把他們切割好,，涂上封裝的膠水,，就可以去賣錢去了。

【侯晨的回答(3票)】:

電路其實(shí)很大很大,，用光照射電路圖,，投射在半導(dǎo)體上，有光的部分就會(huì)被反應(yīng)掉,，剩下的就是需要的線路了,。。,。,。

【知乎用戶的回答(1票)】:

好吧，我也來湊個(gè)熱鬧,。搬運(yùn)一下視頻,。

盡管以上答主的圖文解說已經(jīng)相當(dāng)清晰直觀，我再貼兩個(gè)視頻,，幫助各位童鞋理解一下：

從沙子到芯片,，Intel英特爾處理器制作過程 http://v.youku.com/v_show/id_XMjQyMDAyMTUy.html

從沙子到芯片，Intel英特爾處理器制作過程

視頻直擊 CPU是如何被制造出來的 http://v.youku.com/v_show/id_XODE2MDIzNTY4.html

視頻直擊 AMD CPU是如何被制造出來的

這兩個(gè)視頻都是4-5年前的了,，不過動(dòng)畫演示還是很能說明問題的,，技術(shù)在革新，原理沒太大變化,。

【提利昂之怒的回答(0票)】:

上述兩個(gè)答案，已經(jīng)很全面了,，因?yàn)閺膄ab的PIE出來,，所以從其他方面補(bǔ)充一下（純描述，無圖,，自行腦補(bǔ)吧）,。

目前芯片技術(shù)含量最高的，無疑還是電腦芯片跟手機(jī)芯片,，英特爾的i7處理器里面是已經(jīng)是幾十億顆晶體管了,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過題主說的幾千萬(wàn)。

將一顆顆比塵埃還小的晶體管,，弄上去,，是需要一些手段的，嗯，分步驟介紹如下：

首先,，得有圖,，以前是圖紙，現(xiàn)在是電子圖,，總之,，得事先規(guī)劃好這些晶體管的布局，電路設(shè)計(jì)師就是做這些的,，另外還有版圖設(shè)計(jì)師,、驗(yàn)證的、仿真的等,，將復(fù)雜無比的電路給具現(xiàn)到一顆顆晶體管上面,，然后就可以開始制造了。

那么,，怎么制造出來呢,，答主PIE出身，對(duì)這個(gè)算是頗為熟悉,，所以介紹的仔細(xì)一點(diǎn),。

從MTK或高通或其他廠家或design house進(jìn)來的需求到了fab，要生產(chǎn)芯片了,，好,，fab開始負(fù)責(zé)接單，首先確認(rèn)工藝,，如果客戶行有余力,，還會(huì)提供技術(shù)支持，不過一般都是fab自己搞定,。

幾十億顆芯片要制造出來,，得有一套詳細(xì)的流程，什么時(shí)候用什么機(jī)臺(tái)用什么條件等,，fab里叫flow,，就是流水線作業(yè)，這個(gè)在產(chǎn)品進(jìn)入量產(chǎn)之前,，都會(huì)有幾個(gè)版本的flow,，調(diào)工藝條件，叫recipe,。

flow好了,，就開始生產(chǎn)吧。

現(xiàn)在的工藝條件28nm量產(chǎn)是ok的吧,，不過國(guó)內(nèi)還不行,，技術(shù)還打不到,，40/45nm的已經(jīng)ok了，smic在生產(chǎn)了,。

目前一般的手機(jī)芯片生產(chǎn)過程需要涉及到數(shù)十臺(tái)現(xiàn)金機(jī)器,，數(shù)千個(gè)step，那么幾十個(gè)機(jī)臺(tái)對(duì)應(yīng)幾千個(gè)step,，就不可避免的要重復(fù)使用,，所以就有了重復(fù)的步驟，正是這一步步的重復(fù),，最終將電路圖給實(shí)實(shí)在在的刻在晶圓上,，fab里叫wafer。

從最開始wafer進(jìn)來檢測(cè)ok,，開始清洗,，有時(shí)候需要做外延，有時(shí)候是外延好的產(chǎn)品,，fab里目前的工藝需要做幾層oxide,、nitride，然后才是流程化的曝光,、顯影,、刻蝕、洗邊,、填充,、研磨等，跟答案一的步驟類似,，就不詳述了,。

wafer在出廠之前，要檢測(cè)WAT啊THK啊角度啊等,，看產(chǎn)品需要,，然后出給客戶，如果客戶那邊檢測(cè)ok,，后續(xù)也沒那么多麻煩事了,，不然呢就得回頭繼續(xù)改，或者做yield improve,，好麻煩的。

大致如上,，吃飯去了,，后面想到再補(bǔ)充吧，里面挺多內(nèi)容的,。

【徐百忱的回答(0票)】:

真的都很專業(yè),就不再加了:)

【木子建的回答(1票)】:

話說那么小,，那么點(diǎn)，那些納米級(jí)別的材料，你們見過嘛,？總之,，人類改造了這個(gè)社會(huì)，這一點(diǎn)得承認(rèn)人類的偉大,，這些芯片不是一下子就做出來的,，都是人類的結(jié)晶！

～～～～（上面有一個(gè)大神已經(jīng)剖析的很徹底了,，真是膜拜m(._.)m）

談到芯片,，大學(xué)里就是信息學(xué)院的，

芯片無處不在,，最常見的電腦里有芯片吧,，手機(jī)里，平板里,，電視里,，遙控器里，內(nèi)存卡里,，sim卡里,，電冰箱里，電氣設(shè)備里,，控制器里,，總之，一切關(guān)乎電子器件之中,，幾乎都有chip的身影,！

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