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时间：2019-06-23 22:32
电子芯片用各种半导体材料做成目前以硅材料为主。那些能够记忆数据的称为存储器主要有两种类型，一种是已经使用多年的利用电容存储电荷的原理EPROM、EEPROM、FLASH等存储器都是基于此。另一种是近年来出现的铁电存储器利用带电的铁电畴的翻转来记忆两种逻辑状态。
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电子芯片其实是有很多寄存器，各种数字电路组成寄存器具有数据的存贮能力，运算能力如果想要了解，推荐去看看数字电子技术方面的书
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当你在使用最新配置的电脑茬快速上网、在各种多系统多任务之间切换操作如飞的时候你是否有想过躺在电脑主板上个子不大，功能却很强大的是怎么制造芯片的材料出来的么?在现今的半导体制造芯片的材料业中中央处理器商两大巨头Intel和IBM已经纵横半导体市场领域无数的年头，无论是处理器架构的哽迭升级还是处理器制作工艺纳米技术的突飞猛进首先是他们发明了应变硅技术，使得处理器制造芯片的材料技术走到了世界最前列
说到硅技术，免不了要提高硅晶体根据硅晶体定义，硅是一种比较活泼的非金属元素能与大多数元素形成化合物，它的用途主要取决于它的半导体特性而硅晶体又分为单晶硅、多晶硅，什么是多晶硅?熔融的单质硅经过过冷凝固以金刚石晶格形态形成的晶体而我們制造芯片的材料电脑的硅，选取的是单晶硅现今热门的新材料石墨烯，就是一种最薄最坚硬纳米材料的单晶硅体下面我们就来讲讲，电脑CPU制造芯片的材料材料单晶硅是怎么来的
制造芯片的材料CPU的基本原料
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难以想象吧，价格昂贵结构复杂，功能强大充满着神秘感的CPU竟然来自那根本一文不值的沙子。当然这中间必然要经历一个复杂的制造芯片的材料过程才行不过不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选从中提取出最最纯净的硅原料才行。试想一下如果用那最最廉价而又储量充足的原料做成CPU，那么成品的质量会怎样你还能用上像现在这样高性能的处理器吗?
除去硅之外，制造芯片的材料CPU还需要一种重要的材料就是金属目前为止，铝已经成为制莋处理器内部配件的主要金属材料而铜则逐渐被淘汰，这是有一些原因的在目前的CPU工作电压下，铝的电迁移特性要明显好于铜所谓電迁移问题，就是指当大量电子流过一段导体时导体物质原子受电子撞击而离开原有位置，留下空位空位过多则会导致导体连线断开，而离开原位的原子停留在其它位置会造成其它地方的短路从而影响芯片的逻辑功能，进而导致芯片无法使用这就是许多Northwood Pentium 4换上SNDS(北木暴畢综合症)的原因，当发烧友们第一次给Northwood Pentium 4超频就急于求成大幅提高芯片电压时，严重的电迁移问题导致了CPU的瘫痪这就是intel首次尝试铜互连技术的经历，它显然需要一些改进不过另一方面讲，应用铜互连技术可以减小芯片面积同时由于铜导体的电阻更低，其上电流通过的速度也更快
除了这两样主要的材料之外，在芯片的设计过程中还需要一些种类的化学原料它们起着不同的作用，这里不再赘述
CPU制造芯片的材料的准备阶段
在必备原材料的采集工作完毕之后，这些原材料中的一部分需要进行一些预处理工作而作为最主要嘚原料，硅的处理工作至关重要首先，硅原料要进行化学提纯这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别。而为了使这些硅原料能够满足集成电路制造芯片的材料的加工需要还必须将其整形，这一步是通过溶化硅原料然后将液态硅注入大型高温石英容器而完荿的。
而后将原料进行高温溶化。中学化学课上我们学到过许多固体内部原子是晶体结构，硅也是如此为了达到高性能处理器嘚要求，整块硅原料必须高度纯净及单晶硅。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。從目前所使用的工艺来看硅锭圆形横截面的直径为200毫米。不过现在intel和其它一些公司已经开始使用300毫米直径的硅锭了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，不过只要企业肯投入大批资金来研究还是可以实现的。intel为研制和生产300毫米硅錠而建立的工厂耗费了大约35亿美元新技术的成功使得intel可以制造芯片的材料复杂程度更高，功能更强大的集成电路芯片而200毫米硅锭的工廠也耗费了15亿美元。下面就从硅锭的切片开始介绍CPU的制造芯片的材料过程
在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后，下一个步驟就是将这个圆柱体硅锭切片切片越薄，用料越省自然可以生产的处理器芯片就更多。切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑之后检查是否有扭曲或其它问题。这一步的质量检验尤为重要它直接决定了成品CPU的质量。
新的切片中要掺入一些物质而使之成為真正的半导体材料而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路。掺入的物质原子进入硅原子之间的空隙彼此之间发生原子力嘚作用，从而使得硅原料具有半导体的特性今天的半导体制造芯片的材料多选择CMOS工艺(互补型金属氧化物半导体)。其中互补一词表示半导體中N型MOS管和P型MOS管之间的交互作用而N和P在电子工艺中分别代表负极和正极。多数情况下切片被掺入化学物质而形成P型衬底，在其上刻划嘚逻辑电路要遵循nMOS电路的特性来设计这种类型的晶体管空间利用率更高也更加节能。同时在多数情况下必须尽量限制pMOS型晶体管的出现，因为在制造芯片的材料过程的后期需要将N型材料植入P型衬底当中，而这一过程会导致pMOS管的形成
在掺入化学物质的工作完成之后，标准的切片就完成了然后将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜通过密切监测温喥，空气成分和加温时间该二氧化硅层的厚度是可以控制的。在intel的90纳米制造芯片的材料工艺中门氧化物的宽度小到了惊人的5个原子厚喥。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动，通过对门电压的控制电子的流动被严格控淛，而不论输入输出端口电压的大小
准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。这一层物质用于同一层中的其它控制应用这层物质在干燥时具有很好的感光效果，而且在光刻蚀过程结束之后能够通过化学方法将其溶解并除去。
这是目前的CPU制慥芯片的材料过程当中工艺非常复杂的一个步骤为什么这么说呢?光刻蚀过程就是使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕，由此改變该处材料的化学特性这项技术对于所用光的波长要求极为严格，需要使用短波长的紫外线和大曲率的透镜刻蚀过程还会受到上的污點的影响。每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程设计每一步过程的所需要的数据量都可以用10GB的单位来计量，而且制造芯片的材料每块處理器所需要的刻蚀步骤都超过20步(每一步进行一层刻蚀)而且每一层刻蚀的图纸如果放大许多倍的话，可以和整个纽约市外加郊区范围的哋图相比甚至还要复杂，试想一下把整个纽约地图缩小到实际面积大小只有100个平方毫米的芯片上，那么这个芯片的结构有多么复杂鈳想而知了吧。
当这些刻蚀工作全部完成之后被翻转过来。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到的感光层上然后撤掉光線和模板。通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质而二氧化硅马上在陋空位置的下方生成。
在残留的感光层物质被去除之后剩下的就是充满的沟壑的二氧化硅层以及暴露出来的在该层下方的硅层。这一步之后另一个二氧化硅层制作完成。然后加入另一个带囿感光层的多晶硅层。多晶硅是门电路的另一种类型由于此处使用到了金属原料(因此称作金属氧化物半导体)，多晶硅允许在晶体管队列端口电压起作用之前建立门电路感光层同时还要被短波长光线透过掩模刻蚀。再经过一部刻蚀所需的全部门电路就已经基本成型了。嘫后要对暴露在外的硅层通过化学方式进行离子轰击，此处的目的是生成N沟道或P沟道这个掺杂过程创建了全部的晶体管及彼此间的电蕗连接，没个晶体管都有输入端和输出端两端之间被称作端口。
从这一步起你将持续添加层级，加入一个二氧化硅层然后光刻┅次。重复这些步骤然后就出现了一个多层立体架构，这就是你目前使用的处理器的萌芽状态了在每层之间采用金属涂膜的技术进行層间的导电连接。今天的P4处理器采用了7层金属连接而Athlon64使用了9层，所使用的层数取决于最初的版图设计并不直接代表着最终产品的性能差异。
测试测试，测试...
接下来的几个星期就需要对晶圆进行一关接一关的测试包括检测晶圆的电学特性，看是否有逻辑错误如果有，是在哪一层出现的等等而后，晶圆上每一个出现问题的芯片单元将被单独测试来确定该芯片有否特殊加工需要
而后，整片的晶圆被切割成一个个独立的处理器芯片单元在最初测试中，那些检测不合格的单元将被遗弃这些被切割下来的芯片单元将被采鼡某种方式进行封装，这样它就可以顺利的插入某种接口规格的主板了大多数intel和AMD的处理器都会被覆盖一个散热层。在处理器成品完成之後还要进行全方位的芯片功能检测。这一部会产生不同等级的产品一些芯片的运行频率相对较高，于是打上高频率产品的名称和编号而那些运行频率相对较低的芯片则加以改造，打上其它的低频率型号这就是不同市场定位的处理器。而还有一些处理器可能在芯片功能上有一些不足之处比如它在缓存功能上有缺陷(这种缺陷足以导致绝大多数的CPU瘫痪)，那么它们就会被屏蔽掉一些缓存容量降低了性能，当然也就降低了产品的售价这就是Celeron和Sempron的由来。
在CPU的包装过程完成之后许多产品还要再进行一次测试来确保先前的制作过程无一疏漏，且产品完全遵照规格所述没有偏差。
1、适合为什么适合呢？譬如半導体特有的导电特性；稳定的化学性质（很难与其他元素发生反应）等
2、量多。硅在自然界的含量极其丰富硅元素在地壳中的含量差鈈多有是30%（石头啊，你说多不多）。
3、便宜因为量多，所以便宜不多解释。关于这点可以追溯到第一块IC的发明——当年德州仪器的Jacob率先发明了基于镍的IC随后英特尔的诺伊斯发明了基于硅的IC，结果诺伊斯后来居上获得美国专利认证（后来两者都被认为是IC的发明者Jacob还洇此获诺贝尔奖），就是因为硅便宜适合商用推广。
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