什么是 CPU 晶圆？

什么是 CPU 晶圆？
CPU 晶圆是由高纯度硅制成的一个大而平的圆形薄片，就像一个薄薄的比萨饼底。硅很特别，因为它可以像微小的开关一样工作，这对计算机来说至关重要。这个晶圆是制造中央处理器（CPU）的起点，而 CPU 是计算机和其他设备的“大脑”。

它是如何工作的？

1. 制造晶圆 : 科学家从沙子开始，提取硅，将其熔化形成纯晶体锭。这个锭被切割成薄薄的晶圆，然后被抛光得非常光滑和平整。
2. 构建电路 : 使用先进技术，制造商在晶圆上“绘制”微小的电路，就像在微观尺度上蚀刻地图一样。每块晶圆可以容纳数百或数千个这样的电路。
3. 切割 CPU: 一旦电路完成，晶圆就会被切割成更小的称为芯片的部分，每个芯片包含一个或多个 CPU。这些芯片随后被封装成我们在设备中看到的最终芯片。

它为何重要
这个过程能够实现高效、经济的 CPU 生产。晶圆的纯度（高达 99.9999999%）至关重要，任何缺陷都会毁掉 CPU。这是制造驱动现代技术的微小而强大的芯片的关键步骤。

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调查笔记：CPU 晶圆功能性和制造过程的详细说明

本节提供了对 CPU 晶圆的全面概述，在直接回答的基础上，详细探讨了它们的作用、制造过程以及在半导体生产中的重要性。内容旨在模拟专业文章，为寻求更深入理解的读者提供严格超集的信息，包含技术细节。

CPU 晶圆简介

CPU 晶圆，简单来说，是一种薄薄的圆形半导体材料切片，通常是结晶硅，作为构建微电子器件（如中央处理器 CPU）的基础。硅源自沙子，因其半导体特性被选用，使其在施加电压时能充当开关——这是 CPU 功能的关键特征。现代 CPU 包含数百万个晶体管，所有这些晶体管都建在这些晶圆上，对于计算机、智能手机和其他电子设备处理数据至关重要。

晶圆的作用不是作为 CPU 本身运行，而是为制造集成电路（IC）提供一个稳定、均匀的基板。其圆形形状源自生产中使用的圆柱形锭，优化了制造效率，并允许最大程度地提高芯片良率。研究表明，晶圆尺寸随着时间的推移而发展，当前标准直径范围从 100 毫米到 450 毫米，尽管在 CPU 生产中，300 毫米（12 英寸）的晶圆最为常见。.

制造过程：从沙子到晶圆

CPU 晶圆的旅程始于原材料，并涉及多个复杂的步骤，每个步骤都对确保晶圆适合电路制造至关重要。

1. 硅提取和锭料形成 :
   • 该过程始于从沙子（SiO2）中提取硅，将其提纯以获得电子级硅，纯度达到 99.9999999%（9N）。这种高纯度至关重要，因为杂质会破坏电路功能。
   • 提纯后的硅在石英坩埚中熔化，通常添加少量具有导电性的元素（如砷、硼、磷或锑）以增强导电性。
   • 采用 CZO 法，将硅籽晶降低到熔体中，缓慢冷却并旋转取出，形成大型单晶锭（棒）。这个过程需要数小时，最终形成 6 英寸或更大的锭，具体取决于目标晶圆尺寸。.
2. 晶圆切片和抛光 :
   • 锭料被切割成薄片，通常厚度为1-2毫米，使用带有钻石边缘的快速锯片进行精确切割。锭料的端部和边缘被切掉并打磨，以确保纯度。
   • 然后对薄片进行圆化、打磨和化学及机械抛光，以获得镜面般的光滑表面，这对后续加工至关重要。这一抛光步骤可以去除缺陷并确保平整度，常被形容为“地球上最平整的东西”.
   • 薄片被加热进行退火以释放应力，并用激光检查缺陷，确保质量。可选地，可以添加一层单晶层（外延层）以增强电学性能。

下表总结了标准薄片的尺寸、厚度和重量，突出了其芯片生产的能力：

晶圆尺寸	典型厚度	每晶圆重量	每晶圆 100 mm² Die
2英寸（51毫米）	275 微米	-	9
4英寸（100毫米）	525 微米	10克	56
6英寸（150毫米）	675微米	-	144
8英寸（200毫米）	725微米	53克	269
12英寸（300毫米）	775微米	125克	640
450 毫米（提议）	925 微米	342 克	1490

(来源： 晶圆（电子）)

电路制造：在晶圆上构建 CPU

晶圆准备好后，会经历一系列工艺过程，以制造构成 CPU 的复杂电路。这一阶段是晶圆作为 IC 制造平台发挥作用的阶段：

1. 光刻与蚀刻 :
   • 光刻使用紫外线和掩模将电路图案转移到涂有光敏材料（光刻胶）的晶圆上。这个过程就像用光作画，形成微小的路径和晶体管。
   • 蚀刻去除不需要的材料，雕刻出电路设计，而离子注入则通过掺杂硅来改变其导电性，形成 CPU 运行所需的开关（晶体管）。
2. 薄膜沉积与互连 :
   • 沉积绝缘材料和导电材料（如二氧化硅和铜）的薄膜来构建层次结构。铜通常通过电镀形成互连，连接跨多个层（在先进的 CPU 中可达 20 层）的数百万个晶体管。
   • 这一步骤确保晶圆能够支持复杂的逻辑和内存功能，使 CPU 能够处理数据。
3. 测试与产率优化 :
   • 电路制造完成后，对晶圆进行功能测试，将其与参考电路进行比较以识别缺陷。目标是最大化可用芯片的数量，这是一个受芯片尺寸、宽高比和切割路径影响的复杂问题。.
   • 估计每晶圆芯片数量（DPW）的公式考虑了完整芯片，但未包含因缺陷导致的良率损失，这会显著影响生产成本。

切割和封装：从晶圆到 CPU

一旦加工完成，晶圆便使用精密切割工具切割成单个芯片。每个芯片通常是正方形或矩形，包含一个或多个完整的 CPU 电路。芯片的大小（例如，现代 CPU 约为 10mm）和晶圆直径决定了可以提取多少个芯片，像 300mm 的大晶圆可产生高达 640 个芯片，对应 100mm²的芯片尺寸（见上表）。

晶圆被封装到保护性外壳中，通常带有散热器，以形成最终的 CPU 产品。这个封装步骤确保了耐用性和与电子设备的兼容性，性能根据频率、功耗和热特性（例如 Intel Core i7 的不同版本）进行分级。

重要性与行业背景

CPU 晶圆是半导体制造的基础，能够实现 CPU 的大规模生产。通过在单个晶圆上制造多个芯片，制造商降低了每个芯片的成本并提高了效率，这是满足全球需求的关键因素。2019 年，每月生产的硅晶圆超过 1200 万片，全球年产量超过 1.5 亿片。.

晶圆的圆形形状源自锭料，优化了生产效率和芯片良率，但同时也为最大化芯片布局带来了计算挑战，类似于数学中未解决的高斯圆问题。行业趋势，如推动450毫米晶圆的生产，旨在进一步降低成本，但由于技术挑战，采用仍然有限。

为什么晶圆是圆形的及其他细节

晶圆的圆形形状源于晶体生长过程中形成的圆柱形锭，这是 Czochralski 方法的一个实用结果。这种形状便于在制造过程中进行均匀处理和旋转，提高了效率。其他特征包括用于加工时对准的平坦面或凹口，以及用于切割的刻线，确保晶粒之间精确切割。

晶圆还包含对准和测试结构，这些结构虽然占用额外空间，但对于质量控制至关重要。该行业分为晶圆生产（锭生长和切片）和晶圆加工（制造），历史上美光和阳光电源等公司在美国处于领先地位。.

结论

总之，CPU 晶圆并非功能完整的 CPU，而是其生产的关键基板。它经历从沙子到硅锭的复杂过程，被切割成晶圆，并采用先进技术加工以构建电路。这些晶圆随后被切割成芯片，进行封装，成为驱动现代电子设备的 CPU。这一过程突显了晶圆作为半导体创新基石的作用，持续的进步推动着效率和性能的提升。