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沙子是怎麽變成矽的?

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簡單來說,是這樣的:

沙子的主要成分是二氧化矽。

在工業上,壹氧化碳被熔煉產生二氧化碳和粗矽。

提純的壹般方法是熔煉。事實上,許多有效的粗矽提純方法的細節是工業秘密或專利。

以下是Si在電腦中的詳細情況。

CPU(中央處理器單元)作為計算機的核心部件,在用戶心目中壹直非常神秘:在大多數用戶心目中,它只是壹個名詞縮寫,他們甚至都拼不出來;在壹些硬件專家眼裏,CPU最多就是壹個十幾平方厘米有很多腳的塊,CPU的核心部分甚至不到壹平方厘米。他們知道這個不到壹平方厘米大小的東西是多少微米做的,他們知道它集成了上億個晶體管,但很少有人知道CPU的制造工藝。今天我們就來詳細了解壹下CPU是怎麽練的。

基本材料

眾所周知,現代CPU是由矽制成的。矽是壹種非金屬元素。從化學角度看,由於它位於元素周期表中金屬元素區和非金屬元素區的交界處,具有半導體的性質,適合制造各種微小的晶體管。是目前最適合制造現代大規模集成電路的材料之壹。從某種意義上來說,沙灘上沙子的主要成分也是矽(二氧化矽),而用來生產CPU的矽材料其實就是從沙子中提煉出來的。當然,CPU的制造過程中也會用到壹些其他的材料,這也是為什麽我們不會看到英特爾或者AMD只是把成噸的沙子拉到他們的制造廠。同時,CPU的制造需要極高純度的矽材料,雖然來自廉價的沙子,但由於材料提純工藝的復雜性,我們仍然無法比較100克高純矽和壹噸沙子的價格。

制造CPU的另壹種基本材料是金屬。金屬用於制造連接CPU內部各種元件的電路。鋁是常用的金屬材料之壹,因為它價格便宜,性能也不差。目前主流CPU多采用銅而非鋁,因為鋁的電遷移太大,無法滿足快速發展的CPU制造工藝的需要。所謂電遷移,是指金屬的單個原子在壹定條件下(如高電壓)移出原來的位置。

顯然,如果原子不斷地從連接元件的金屬微電路中移出,電路很快就會千瘡百孔,直到斷裂。這就是為什麽當超頻者試圖大幅提升諾斯伍德奔騰4的電壓時,這個可憐的CPU經常休克甚至死於諾斯伍德猝死綜合癥(SNDS)。SNDS使英特爾首次將銅互連技術應用到CPU的生產過程中。銅互連技術可以明顯減少電遷移現象,同時可以比鋁工藝制造的電路更小,這也是納米級制造技術不可忽視的問題。

不僅如此,銅的電阻比鋁小得多。種種優勢使得銅互連技術迅速取代鋁,成為CPU制造的主流選擇。除了矽和某些金屬材料,還有許多復雜的化學材料也參與了CPU的制造。

準備工作/即將開始工作

在解決了制造CPU的材料問題後,我們開始進入準備工作。在制備過程中,會對壹些原材料進行加工,使其電性能達到制造CPU的要求。壹個是矽。首先會用化學方法提純,純凈到幾乎沒有雜質。同時還要轉化成矽晶體,本質上是和沙灘上的沙子劃清界限。

在這個過程中,原料矽將被熔化並放入壹個巨大的應時爐中。此時,將籽晶放入熔爐中,使得矽晶體可以在籽晶周圍生長,直到形成幾乎完美的單晶矽。如果妳高中的硫酸銅結晶實驗做的很好,或者看到過單晶冰糖是怎麽做出來的,相信這個過程不難理解。同時妳需要明白,很多固體物質都是有晶體結構的,比如鹽。CPU制造中的矽也是如此。小心而緩慢地攪拌矽的熔融漿料,矽晶體在籽晶周圍以相同的方向生長。最後,生產出矽錠。

現在的矽錠直徑大多是200 mm,CPU廠商準備制造300 mm直徑的矽錠。在保證同等質量的前提下,制造更大的矽錠顯然難度更大,但CPU廠商的投入解決了這壹技術難題。建造壹座生產300毫米直徑矽錠的工廠將耗資約35億美元,英特爾將利用其矽材料制造更復雜的CPU。建設壹個生產200毫米直徑矽錠的類似工廠只需要6543.8美元+5億美元。作為第壹個吃螃蟹的人,英特爾顯然需要付出更大的代價。花兩倍多的錢建這樣的工廠似乎不劃算,但是從下面可以看出,這筆投資是值得的。矽錠的制造方法有很多種,以上只是其中壹種,稱為CZ制造法。

矽錠被制成,成型為壹個完美的圓柱體,然後切割成小塊,稱為晶片。晶圓真正用於CPU的制造。壹般來說,晶圓切得越薄,同樣數量的矽材料可以做的CPU產品就越多。接下來,晶片將被拋光並檢查變形或其他問題。這裏,質檢直接決定了CPU的最終良率,極其重要。

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