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淺談中國芯片制造業

日期:2019/6/13 11:23:54
摘要:光刻機精度,芯片制造的卡脖子環節.制約集成電路技術發展的有四大要素:功耗、工藝、成本和設計復雜度,其中光刻機就是一個重中之重,核心技術中的核心。

關鍵詞:中國芯片、

據數據統計,中國集成電路產品連續多年每年進口額超過2000億美元,一旦缺“芯”,可以想像會面臨什么生產困難。

那么“芯片”為什么這么重要?中國芯片制造業的短板在哪里?我們什么時候才能實現真正的“中國芯,中國造”?今天我們來簡單談談中國的芯片制造業。

芯片跟集成電路、半導體是一回事嗎?

我們經常碰到“芯片”、“集成電路”、“半導體”這幾個術語,這些詞在我們日常的討論中經常是混用的,硬要區分的話,可以說集成電路是更廣泛的概念。

1958年9月12日,在美國德州儀器公司擔任工程師的Jack.Kilby發明了集成電路的理論模型。1959年,曾師從晶體管發明人之一肖克萊的Bob.Noyce率先創造了掩模版曝光刻蝕方法,發明了今天的集成電路技術。

我們所說的集成電路指的是采用特定的制造工藝,把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及元件間的連線,集成制作在一小塊硅基半導體晶片上并封裝在一個腔殼內,成為具有所需功能的微型器件。在國家的產業統計上,集成電路也常常作為一個寬泛的概念而使用。

芯片則是指內含集成電路的半導體基片(最常用的是硅片),是集成電路的物理載體。而半導體是一種導電性能介于導體和絕緣體之間的材料,常見的有硅、鍺、砷化鎵等,用于制造芯片。

集成電路產業離普通人很近又很遠。大多數人只知道手機電腦、各行各業里面都要用到電子器件,CPU、GPU、單片機、數控裝備、汽車都離不開芯片,但是說起芯片的設計制造,卻只有少數人知道。

芯片行業的技術含量可以說十分密集,像畫板子、晶圓、流片、制程、封裝、光刻這樣的芯片制造“黑話”很多人可能聞所未聞。另外,芯片行業資金極度密集,生產線動輒數十億上百億美金。此外,人才也是這個行業的稀缺資源。一方面是技術又貴又難、人才難以培養,另一方面是行業的集中度很高,少數的幾家大企業壟斷了行業的尖端技術和市場,剩下的企業里人才的待遇也就很難趕上幾家巨頭了。

芯片生產是一個點砂成金的過程,從砂子到晶圓再到芯片,價值密度直線飆升。真正的芯片制造過程十分復雜,下面我們為大家簡單介紹一下。

晶圓是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片,由于其形狀為圓形,故稱為晶圓。單單從晶圓到芯片,其價值就能翻12倍,2000塊錢一片的晶圓原料經過加工后,出來的成品價值約2.5萬元,可以買一臺高性能的計算機了。

獲得晶圓后,將感光材料均勻涂抹在晶圓上,利用光刻機將復雜的電路結構轉印到感光材料上,被曝光的部分會溶解并被水沖掉,從而在晶圓表面暴露出復雜的電路結構,再使用刻蝕機將暴露出來的硅片的部分刻蝕掉。

接著,經過離子注入等數百道復雜的工藝,這些復雜的結構便擁有了特定的半導體特性,并能在幾平方厘米的范圍內制造出數億個有特定功能的晶體管。

再覆蓋上銅作為導線,就能將數以億計的晶體管連接起來。經過測試、晶片切割和封裝,就得到了我們見到的芯片。

一塊晶圓經過數個月的加工,在指甲蓋大小的空間中集成了數公里長的導線和數以億計的晶體管器件,經過測試,品質合格的晶片會被切割下來,剩下的部分會報廢掉。千挑萬選后,一塊真正的芯片就這么誕生了。

光刻機精度,芯片制造的卡脖子環節.制約集成電路技術發展的有四大要素:功耗、工藝、成本和設計復雜度,其中光刻機就是一個重中之重,核心技術中的核心。

一些裝備由于其巨大的制造難度被冠以“工業皇冠上的明珠”的稱號,最主流的說法是兩大裝備:航空發動機和光刻機,最先進的航空發動機目前的報價在千萬美元量級,但是最先進的光刻機目前的報價已經過億美金。

芯片的集成程度取決于光刻機的精度,光刻機需要達到幾十納米甚至更高的圖像分辨率,光刻機的兩套核心系統——光學系統和對準系統的精度越高,可以在硅片上刻的溝槽越細小,芯片的集成度越高、計算能力越強。

目前,世界上80%的光刻機市場被荷蘭公司占據,高端光刻機也被其壟斷。中國在努力追趕,但是目前仍與國外存在技術代差,比美國差兩代、比美國的盟國差一代——但是這不是說我們的追趕不重要,如果我們不做出來,國外就可以想怎么賣就怎么賣,賣不賣、賣啥型號、賣多少錢都不由我們,而我們做出來了,國外更高精度的設備就會賣給我們,價格也相對實惠很多。