芯片制造與中國(guó)技術(shù)

為了把30噸的運(yùn)算電路縮小，工程師們把多余的東西全扔了，直接在硅片上制作PN結(jié)和電路。下面從硅片出發(fā)，說(shuō)說(shuō)芯片的制作過(guò)程和中國(guó)所處的水平。

第一：硅

把這玩意兒氯化了再蒸餾，可以得到純度很高的硅，切成片就是我們想要的硅片。硅的評(píng)判指標(biāo)就是純度，你想想，如果硅里有一堆雜質(zhì)，那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。

太陽(yáng)能級(jí)高純硅要求99.9999%，這玩意兒全世界超過(guò)一半是中國(guó)產(chǎn)的，早被玩成了白菜價(jià)。

芯片用的電子級(jí)高純硅要求99.999999999%(別數(shù)了，11個(gè)9)，幾乎全賴進(jìn)口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，目前年產(chǎn)0.5萬(wàn)噸，而中國(guó)一年進(jìn)口15萬(wàn)噸。

難得的是，鑫華的高純硅出口到了半導(dǎo)體強(qiáng)國(guó)韓國(guó)，品質(zhì)應(yīng)該還不錯(cuò)。不過(guò)，30%的制造設(shè)備還得進(jìn)口……

高純硅的傳統(tǒng)霸主依然是德國(guó)Wacker和美國(guó)Hemlock(美日合資)，中國(guó)任重而道遠(yuǎn)。

第二：晶圓

硅提純時(shí)需要旋轉(zhuǎn)，成品就長(zhǎng)這樣：

所以切片后的硅片也是圓的，因此就叫“晶圓”。這詞是不是已經(jīng)有點(diǎn)耳熟了？

切好之后，就要在晶圓上把成千上萬(wàn)的電路裝起來(lái)的，干這活的就叫“晶圓廠”。各位拍腦袋想想，以目前人類的技術(shù)，怎樣才能完成這種操作？

用原子操縱術(shù)？想多了，朋友！等你練成御劍飛行的時(shí)候，人類還不見(jiàn)得能操縱一個(gè)一個(gè)原子組成各種器件。晶圓加工的過(guò)程有點(diǎn)繁瑣。

首先在晶圓上涂一層感光材料，這材料見(jiàn)光就融化，那光從哪里來(lái)？光刻機(jī)，可以用非常精準(zhǔn)的光線，在感光材料上刻出圖案，讓底下的晶圓裸露出來(lái)。

然后，用等離子體這類東西沖刷，裸露的晶圓就會(huì)被刻出很多溝槽，這套設(shè)備就叫刻蝕機(jī)。在溝槽里摻入磷元素，就得到了一堆N型半導(dǎo)體。

完成之后，清洗干凈，重新涂上感光材料，用光刻機(jī)刻圖，用刻蝕機(jī)刻溝槽，再撒上硼，就有了P型半導(dǎo)體。

實(shí)際過(guò)程更加繁瑣，大致原理就是這么回事。有點(diǎn)像3D打印，把導(dǎo)線和其他器件一點(diǎn)點(diǎn)一層層裝進(jìn)去。

這塊晶圓上的小方塊就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的電路，這些電路并不比那臺(tái)30噸計(jì)算機(jī)的電路高明，最底層都是簡(jiǎn)單的門電路。

只是采用了更多的器件，組成了更龐大的電路，運(yùn)算性能自然就提高了。

據(jù)說(shuō)這就是一個(gè)與非門電路：

提個(gè)問(wèn)題：為啥不把芯片做的更大一點(diǎn)呢？這樣不就可以安裝更多電路了嗎？性能不就趕上外國(guó)了嘛？

這個(gè)問(wèn)題很有意思，答案出奇簡(jiǎn)單：錢！

一塊300mm直徑的晶圓，16nm工藝可以做出100塊芯片，10nm工藝可以做出210塊芯片，于是價(jià)格就便宜了一半，在市場(chǎng)上就能死死摁住競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，賺了錢又可以做更多研發(fā)，差距就這么拉開了。

說(shuō)個(gè)題外話，中國(guó)軍用芯片基本實(shí)現(xiàn)了自給自足，因?yàn)樵鄄挥?jì)較錢嘛！可以把芯片做的大大的。

另外，越大的硅片遇到雜質(zhì)的概率越大，所以芯片越大良品率越低。總的來(lái)說(shuō)，大芯片的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小芯片，不過(guò)對(duì)軍方來(lái)說(shuō)，這都不叫事兒。

可別把“龍芯”和“漢芯”混為一談

還有一類只制造、不設(shè)計(jì)的晶圓代工廠，這必須得先說(shuō)臺(tái)灣的臺(tái)積電。正是臺(tái)積電的出現(xiàn)，才把芯片的設(shè)計(jì)和制造分開了。

2017年臺(tái)積電包下了全世界晶圓代工業(yè)務(wù)的56%，規(guī)模和技術(shù)均列全球第一，市值甚至超過(guò)了英特爾，成為全球第一半導(dǎo)體企業(yè)。

晶圓代工廠又是臺(tái)灣的天下，除了臺(tái)積電這個(gè)巨無(wú)霸，臺(tái)灣還有聯(lián)華電子、力晶半導(dǎo)體等等，連美國(guó)韓國(guó)都得靠邊站。

大陸最大的代工廠是中芯國(guó)際，還有上海華力微電子也還不錯(cuò)，但技術(shù)和規(guī)模都遠(yuǎn)不及臺(tái)灣。

不過(guò)受制于臺(tái)灣詭譎的社會(huì)現(xiàn)狀，臺(tái)積電開始布局大陸，落戶南京。這幾年臺(tái)資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠，這架勢(shì)和當(dāng)年合資汽車有的一拼。

大陸的中芯國(guó)際具備28nm工藝，14nm的生產(chǎn)線也在路上，可惜還沒(méi)盈利。大家還是愿意把這活交給臺(tái)積電，臺(tái)積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業(yè)務(wù)。

美國(guó)、韓國(guó)、臺(tái)灣已具備10nm的加工能力，最近幾個(gè)月臺(tái)積電剛剛上線了7nm工藝，穩(wěn)穩(wěn)壓過(guò)三星，首批客戶就是華為的麒麟980芯片。

這倆哥們兒早就是老搭檔了，華為設(shè)計(jì)芯片，臺(tái)積電加工芯片。

說(shuō)真的，如果大陸能整合臺(tái)灣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，并利用靈活的政策和龐大的市場(chǎng)促進(jìn)其進(jìn)一步升級(jí)，我們追趕美帝的步伐至少輕松一半。

第四：核心設(shè)備

芯片良品率取決于晶圓廠整體水平，但加工精度完全取決于核心設(shè)備，就是前面提到的“光刻機(jī)”。

光刻機(jī)，荷蘭阿斯麥公司(ASML)橫掃天下！不好意思，產(chǎn)量還不高，你們慢慢等著吧！

無(wú)論是臺(tái)積電、三星，還是英特爾，誰(shuí)先買到阿斯麥的光刻機(jī)，誰(shuí)就能率先具備7nm工藝。沒(méi)辦法，就是這么強(qiáng)大！

重要性僅次于光刻機(jī)的刻蝕機(jī)，中國(guó)的狀況要好很多，16nm刻蝕機(jī)已經(jīng)量產(chǎn)運(yùn)行，7-10nm刻蝕機(jī)也在路上了，所以美帝很貼心的解除了對(duì)中國(guó)刻蝕機(jī)的封鎖。

在晶圓上注入硼磷等元素要用到“離子注入機(jī)”，2017年8月終于有了第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)商用機(jī)，水平先不提了。離子注入機(jī)70%的市場(chǎng)份額是美國(guó)應(yīng)用材料公司的。

涂感光材料得用“涂膠顯影機(jī)”，日本東京電子公司拿走了90%的市場(chǎng)份額。即便是光刻膠這些輔助材料，也幾乎被日本信越、美國(guó)陶氏等壟斷。

2015年至2020年，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)計(jì)劃投資650億美元，其中設(shè)備投資500億美元，再其中480億美元用于購(gòu)買進(jìn)口設(shè)備。

算下來(lái)，這幾年中國(guó)年均投入130億，而英特爾一家公司的研發(fā)投入就超過(guò)130億美元。

論半導(dǎo)體設(shè)備，中國(guó)，任無(wú)比重、道無(wú)比遠(yuǎn)?。?/p>

第五：封測(cè)

芯片做好后，得從晶圓上切下來(lái)，接上導(dǎo)線，裝上外殼，順便還得測(cè)試，這就叫封測(cè)。

封測(cè)又又又是臺(tái)灣的天下，排名世界第一的日月光，后面還跟著一堆實(shí)力不俗的小弟：矽品、力成、南茂、欣邦、京元電子。

大陸的三大封測(cè)巨頭，長(zhǎng)電科技、華天科技、通富微電，混的都還不錯(cuò)，畢竟只是芯片產(chǎn)業(yè)的末端，技術(shù)含量不高。

（按：最新的消息，紫光29.18億臺(tái)幣入股第一封裝大廠日月光：占股30％）

說(shuō)說(shuō)我們的中國(guó)芯

說(shuō)起中國(guó)芯片，不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大學(xué)微電子學(xué)院院長(zhǎng)陳進(jìn)教授從美國(guó)買回芯片，磨掉原有標(biāo)記，作為自主研發(fā)成果，騙取無(wú)數(shù)資金和榮譽(yù)，消耗大量社會(huì)資源，影響之惡劣可謂空前！以致于很長(zhǎng)一段時(shí)間，科研圈談芯色變，嚴(yán)重干擾了芯片行業(yè)的正常發(fā)展。

硅原料、芯片設(shè)計(jì)、晶圓加工、封測(cè)，以及相關(guān)的半導(dǎo)體設(shè)備，絕大部分領(lǐng)域中國(guó)還是處于“任重而道遠(yuǎn)”的狀態(tài)。

那這種懵逼狀態(tài)還得持續(xù)多久呢？根據(jù)“燒錢燒時(shí)間”理論，掐指算算，大約是2030年吧！

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展綱要》明確提出，2030年集成電路產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，一批企業(yè)進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì)，產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

當(dāng)前，中國(guó)芯片的總體水平差不多處在剛剛實(shí)現(xiàn)零突破的階段，雖然市場(chǎng)份額微乎其微，但每個(gè)領(lǐng)域都參了一腳，前景還是可期待的。