晶片製造具體流程是什麼?
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晶片製造與中國技術
為了把30噸的運算電路縮小,工程師們把多餘的東西全扔了,直接在矽片上製作PN結和電路。
下面從矽片出發,說說晶片的製作過程和中國所處的水平。
第一:矽
把這玩意兒氯化了再蒸餾,可以得到純度很高的矽,切成片就是我們想要的矽片。
矽的評判指標就是純度,你想想,如果矽里有一堆雜質,那電子就別想在滿軌道和空軌道之間跑順暢。
太陽能級高純矽要求99.9999%,這玩意兒全世界超過一半是中國產的,早被玩成了白菜價。
晶片用的電子級高純矽要求99.999999999%(別數了,11個9),幾乎全賴進口,直到2018年江蘇的鑫華公司才實現量產,目前年產0.5萬噸,而中國一年進口15萬噸。
難得的是,鑫華的高純矽出口到了半導體強國韓國,品質應該還不錯。
不過,30%的製造設備還得進口……
高純矽的傳統霸主依然是德國Wacker和美國Hemlock(美日合資),中國任重而道遠。
第二:晶圓
矽提純時需要旋轉,成品就長這樣:
所以切片後的矽片也是圓的,因此就叫「晶圓」。
這詞是不是已經有點耳熟了?
切好之後,就要在晶圓上把成千上萬的電路裝起來的,幹這活的就叫「晶圓廠」。
各位拍腦袋想想,以目前人類的技術,怎樣才能完成這種操作?
用原子操縱術?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。
首先在晶圓上塗一層感光材料,這材料見光就融化,那光從哪裡來?光刻機,可以用非常精準的光線,在感光材料上刻出圖案,讓底下的晶圓裸露出來。
然後,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型半導體。
完成之後,清洗乾淨,重新塗上感光材料,用光刻機刻圖,用刻蝕機刻溝槽,再撒上硼,就有了P型半導體。
實際過程更加繁瑣,大致原理就是這麼回事。
有點像3D列印,把導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晶片。
晶片放大了看就是成堆成堆的電路,這些電路並不比那台30噸計算機的電路高明,最底層都是簡單的門電路。
只是採用了更多的器件,組成了更龐大的電路,運算性能自然就提高了。
據說這就是一個與非門電路:
提個問題:為啥不把晶片做的更大一點呢?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塊晶片,10nm工藝可以做出210塊晶片,於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,差距就這麼拉開了。
說個題外話,中國軍用晶片基本實現了自給自足,因為咱不計較錢嘛!可以把晶片做的大大的。
另外,越大的矽片遇到雜質的機率越大,所以晶片越大良品率越低。
總的來說,大晶片的成本遠遠高於小晶片,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
第三:設計與製造
用數以億計的器件組成如此龐大的電路,想想就頭皮發麻,所以晶片的設計異常重要,重要到了和材料技術相提並論的地步。
一個路口紅綠燈設置不合理,就可能導致大片堵車。
電子在晶片上跑來跑去,稍微有個PN結出問題,電子同樣會堵車。
這種精巧的線路設計,只有一種辦法可以檢驗,那就是:用!大量大量的用!現在知道晶片成本的重要性了吧,因為你不會多花錢去買一台性能相同的電腦,而晶片企業沒了市場份額,很容易陷入惡性循環。
正因為如此,晶片設計不光要燒錢,也需要時間沉澱,屬於「燒錢燒時間」的核心技術。
既然是核心技術,自然就會發展出獨立的公司,所以晶片公司有三類:設計製造都做、只做設計、只做製造。
半導體是台灣少有的仍領先大陸的技術了,基於兩岸實質上的分治狀態,所以中國大陸和台灣暫且分開表述。
早期的設計製造都是一塊兒做的,最有名的:美國英特爾、韓國三星、日本東芝、義大利法國的意法半導體;中國大陸的:華潤微電子、士蘭微;台灣的:旺宏電子等。
外國、台灣、大陸三方,最落後的就是大陸,產品多集中在家電遙控器之類的低端領域,手機、電腦這些高端晶片幾乎空白!
後來隨著晶片越來越複雜,設計與製造就分開了,有些公司只設計,成了純粹的晶片設計公司。
如,美國的高通、博通、AMD,台灣的聯發科,大陸的華為海思、展訊等。
挨個點評幾句。
大名鼎鼎的高通就不多說了,世界上一半手機裝的是高通晶片;博通是蘋果手機的晶片供應商,手機晶片排第二毫無懸念;AMD和英特爾基本把電腦晶片包場了。
這些全是美國公司,世界霸主真不是吹的。
台灣聯發科走的中低端路線,手機晶片的市場份額排第三,很多國產手機都用,比如小米、OPPO、魅族。
不過最近被高通乾的有點慘,銷量連連下跌。
華為海思是最爭氣的,大家肯定看過很多故事了,不展開。
除了通信晶片,海思也做手機用的麒麟晶片,市場份額隨著華為手機的增長排進了前五。
個人切身體會,海思晶片的進步真的相當不錯(這一波廣告,不收華為一分錢)。
展訊是清華大學的校辦企業,比較早的大陸晶片企業,畢竟不能被人剃光頭吧,硬著頭皮上,走的是低端路線。
前段時間傳出了不少危機,後來又說是變革的開始,過的很不容易,和世界巨頭相差甚多。
大陸還有一批晶片設計企業,晨星半導體、聯詠科技、瑞昱半導體等,都是台灣老大哥的子公司,產品應用於電視、可攜式電子產品等領域,還挺滋潤。
在大陸的晶片設計公司,台灣頂住了大半邊天!
還有一類只製造、不設計的晶圓代工廠,這必須得先說台灣的台積電。
正是台積電的出現,才把晶片的設計和製造分開了。
2017年台積電包下了全世界晶圓代工業務的56%,規模和技術均列全球第一,市值甚至超過了英特爾,成為全球第一半導體企業。
晶圓代工廠又是台灣老大哥的天下,除了台積電這個巨無霸,台灣還有聯華電子、力晶半導體等等,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,但技術和規模都遠不及台灣。
不過受制於台灣詭譎的社會現狀,台積電開始布局大陸,落戶南京。
這幾年台資、外企瘋狂在大陸建晶圓代工廠,這架勢和當年合資汽車有的一拼。
大陸的中芯國際具備28nm工藝,14nm的生產線也在路上,可惜還沒盈利。
大家還是願意把這活交給台積電,台積電幾乎拿下了全球70%的28nm以下代工業務。
美國、韓國、台灣已具備10nm的加工能力,最近幾個月台積電剛剛上線了7nm工藝,穩穩壓過三星,首批客戶就是華為的麒麟980晶片。
這倆哥們兒早就是老搭檔了,華為設計晶片,台積電加工晶片。
說真的,如果大陸能整合台灣的半導體產業,並利用靈活的政策和龐大的市場促進其進一步升級,土工追趕美帝的步伐至少輕鬆一半。
現在嘛,大陸任重而道遠吶!
第四:核心設備
晶片良品率取決於晶圓廠整體水平,但加工精度完全取決於核心設備,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,產量還不高,你們慢慢等著吧!無論是台積電、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,就是這麼強大!
日本的尼康和佳能也做光刻機,但技術遠不如阿斯麥,這幾年被阿斯麥打得找不到北,只能在低端市場搶份額。
阿斯麥是唯一的高端光刻機生產商,每台售價至少1億美金,2017年只生產了12台,2018年預計能產24台,這些都已經被台積電三星英特爾搶完了,2019年預測有40台,其中一台是給咱們的中芯國際。
既然這麼重要,咱不能多出點錢嗎?第一:英特爾有阿斯麥15%的股份,台積電有5%,三星有3%,有些時候吧,錢不是萬能的。
第二,美帝整了個《瓦森納協定》,敏感技術不能賣,中國、朝鮮、伊朗、利比亞均是被限制國家。
有意思的是,2009年上海微電子的90納米光刻機研製成功(核心部件進口),2010年美帝允許90nm以上設備銷售給中國,後來中國開始攻關65nm光刻機,2015年美帝允許65nm以上設備銷售給中國,再後來美帝開始管不住小弟了,中芯國際才有機會去撿漏一台高端機。
不過咱也不用氣餒,咱隨便一家房地產公司,銷售額輕鬆秒殺阿斯麥,哦耶!
重要性僅次於光刻機的刻蝕機,中國的狀況要好很多,16nm刻蝕機已經量產運行,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月終於有了第一台國產商用機,水平先不提了。
離子注入機70%的市場份額是美國應用材料公司的。
塗感光材料得用「塗膠顯影機」,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,國內半導體產業計劃投資650億美元,其中設備投資500億美元,再其中480億美元用於購買進口設備。
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投入就超過130億美元。
論半導體設備,中國,任無比重、道無比遠啊!
第五:封測
晶片做好後,得從晶圓上切下來,接上導線,裝上外殼,順便還得測試,這就叫封測。
封測又又又是台灣老大哥的天下,排名世界第一的日月光,後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,畢竟只是晶片產業的末端,技術含量不高。
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