芯片制造與中國技術(shù)

為了把30噸的運算電路縮小，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)，說說芯片的制作過程和中國所處的水平。

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。

太陽能級高純硅要求99.9999%，這玩意兒全世界超過一半是中國產(chǎn)的，早被玩成了白菜價。

芯片用的電子級高純硅要求99.999999999%(別數(shù)了，11個9)，幾乎全賴進口，直到2018年江蘇的鑫華公司才實現(xiàn)量產(chǎn)，目前年產(chǎn)0.5萬噸，而中國一年進口15萬噸。

難得的是，鑫華的高純硅出口到了半導(dǎo)體強國韓國，品質(zhì)應(yīng)該還不錯。不過，30%的制造設(shè)備還得進口……

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

第二：晶圓

硅提純時需要旋轉(zhuǎn)，成品就長這樣：

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)有點耳熟了？

切好之后，就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的，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候，人類還不見得能操縱一個一個原子組成各種器件。晶圓加工的過程有點繁瑣。

首先在晶圓上涂一層感光材料，這材料見光就融化，那光從哪里來？光刻機，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。

然后，用等離子體這類東西沖刷，裸露的晶圓就會被刻出很多溝槽，這套設(shè)備就叫刻蝕機。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，用光刻機刻圖，用刻蝕機刻溝槽，再撒上硼，就有了P型半導(dǎo)體。

實際過程更加繁瑣，大致原理就是這么回事。有點像3D打印，把導(dǎo)線和其他器件一點點一層層裝進去。

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30噸計算機的電路高明，最底層都是簡單的門電路。

只是采用了更多的器件，組成了更龐大的電路，運算性能自然就提高了。

據(jù)說這就是一個與非門電路：

提個問題：為啥不把芯片做的更大一點呢？這樣不就可以安裝更多電路了嗎？性能不就趕上外國了嘛？

這個問題很有意思，答案出奇簡單：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，于是價格就便宜了一半，在市場上就能死死摁住競爭對手，賺了錢又可以做更多研發(fā)，差距就這么拉開了。

說個題外話，中國軍用芯片基本實現(xiàn)了自給自足，因為咱不計較錢嘛！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。總的來說，大芯片的成本遠遠高于小芯片，不過對軍方來說，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)計的晶圓代工廠，這必須得先說臺灣的臺積電。正是臺積電的出現(xiàn)，才把芯片的設(shè)計和制造分開了。

2017年臺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)。

晶圓代工廠又是臺灣的天下，除了臺積電這個巨無霸，臺灣還有聯(lián)華電子、力晶半導(dǎo)體等等，連美國韓國都得靠邊站。

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

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

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

美國、韓國、臺灣已具備10nm的加工能力，最近幾個月臺積電剛剛上線了7nm工藝，穩(wěn)穩(wěn)壓過三星，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)計芯片，臺積電加工芯片。

說真的，如果大陸能整合臺灣的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，并利用靈活的政策和龐大的市場促進其進一步升級，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”。

光刻機，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！

無論是臺積電、三星，還是英特爾，誰先買到阿斯麥的光刻機，誰就能率先具備7nm工藝。沒辦法，就是這么強大！

重要性僅次于光刻機的刻蝕機，中國的狀況要好很多，16nm刻蝕機已經(jīng)量產(chǎn)運行，7-10nm刻蝕機也在路上了，所以美帝很貼心的解除了對中國刻蝕機的封鎖。

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

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

2015年至2020年，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)計劃投資650億美元，其中設(shè)備投資500億美元，再其中480億美元用于購買進口設(shè)備。

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

論半導(dǎo)體設(shè)備，中國，任無比重、道無比遠啊！

第五：封測

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

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

大陸的三大封測巨頭，長電科技、華天科技、通富微電，混的都還不錯，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29.18億臺幣入股第一封裝大廠日月光：占股30％）

說說我們的中國芯

說起中國芯片，不得不提“漢芯事件”。2003年上海交通大學(xué)微電子學(xué)院院長陳進教授從美國買回芯片，磨掉原有標(biāo)記，作為自主研發(fā)成果，騙取無數(shù)資金和榮譽，消耗大量社會資源，影響之惡劣可謂空前！以致于很長一段時間，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、晶圓加工、封測，以及相關(guān)的半導(dǎo)體設(shè)備，絕大部分領(lǐng)域中國還是處于“任重而道遠”的狀態(tài)。

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

國務(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)達到國際先進水平，一批企業(yè)進入國際第一梯隊，產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

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