在指甲萬分之一厚度上建一座城：晶片製造比設計還難？

這些天，美國對華為限制升級的新聞在朋友圈刷屏，晶片板塊也因國產替代的討論起起落落。

有識者總結，美國這次算是「用盡了所有力氣」去阻遏華為這一在5G領域的「後浪」——因為這次不僅是美國境內的企業，而是不管哪國，只要使用了美國的技術和軟體，要賣晶片給華為就得申請美國政府許可。

技術小白不禁會問幾個問題：

為什麼這個限制的殺傷力這麼大？

我國的晶片製造有多依賴境外企業？

如果境外斷供，我們能否自主生產？國產替代需要多久能實現？

要回答這些問題，需要對晶片誕生的流程，特別是晶片製造，有一個基本的了解：為什麼我們這樣一個製造業大國在這個領域還是沒能突破？為什麼說晶片製造是比設計還難的活兒？舵主並非技術宅，但覺得有必要把最基礎的知識梳理一下，目的是幫助非專業人士更好把握相關領域的投資機遇。

以下開始進入硬核部分，你，準備好了嗎？

簡單來說，半導體核心產業鏈由IC（集成電路）設計、晶片製造、封裝測試三個環節構成。

華為在IC設計端已基本實現自研替代或非美供應商切換，封裝測試環節技術要求低一些，以長電科技為代表的國內廠商已實現了可替代。

華為的痛點，一個是製造端高度依賴台積電，一個是上游半導體設備、EDA軟體仍被美國廠商壟斷。

這兩塊也成為美方重點施壓方向。

先把第二點說一下。

IC設計中必須用到的 EDA 軟體，基本被美國壟斷。

三大 EDA 軟體 Cadence、Mentor 和 Synopsys，全都是美國的，儘管海思也有自研，可技術上仍存在不小的差距。

然後就來到了此次探討重點：晶片製造。

典型代表是台積電，三星、英特爾也有自己的製造廠（英文叫foundry）——而7nm晶片僅台積電和三星兩家能造。

7nm晶片的霸主台積電有多牛呢？內地晶片製造的冠軍中芯國際，14nm的工藝才剛剛開始量產。

華為的麒麟990隻能交給台積電代工，在高端手機晶片方面對台積電的依賴達98%以上。

台積電僅憑代工就達到了2000億美元市值，與摩根大通比肩了。

晶片製造是一個反覆鍛造、依賴長期積累的手藝活，同時又特別燒錢，從零做起的話幾十億砸進去可能連水花都濺不起來。

因此有人說製造晶片比氫彈還難。

為什麼呢？這要從晶片最基礎的材質，矽，說起。

矽是自然界僅次於氧的第二大元素，但高純度的矽錠需要從石英岩中提煉，用熔爐炙烤，反覆酸化和蒸餾，變成純度高達 99.999999％ 的純矽錠——對，你沒看錯，少一個小數點都不行，這個純度有多高呢？100萬個矽原子中最多只允許存在一個雜質原子。

這些純矽錠再通過一種名為「直拉法」的工藝，一邊旋轉，一邊冷卻（像做棉花糖），最終成為一根黑大粗長的單晶矽棒。

這根矽棒會被切頭去尾（那部分性能不好），再經過外徑研磨，把矽棒磨削成指定尺寸，通常是 8英寸或 12 英寸。

12英寸比8英寸生產成本低，但相應的加工技術要求也越高。

然後，用鑽石刀將矽棒橫向切成一片片又薄又平的圓盤，根據用途，厚度一般在 0.5~1.5毫米。

把圓盤進行拋光，磨得比家裡的鏡子還亮個上百倍後，就形成了我們常聽說的「矽晶圓」（wafer）。

晶圓是製作晶片的底盤。

有點像造房子，矽晶圓相當於地基，把電路圖「建造」在上面，便誕生出晶片。

但其步驟之繁瑣和苛刻，都快趕得上造一座城市了。

由於晶片製造工藝要求極高，需要在無塵環境中進行，所以在幾個足球場那麼大的工廠里，水和空氣都經過多級過濾，比醫院的手術台還要乾淨幾千倍。

在這裡，晶圓成為晶片的旅途，才剛開始。

晶圓相當於晶片的地基，晶片製造相當於在這個地基上層層疊疊搭積木。

從下圖 IC 晶片的 3D 剖面圖來看，底部深藍色的部分就是晶圓，紅色和土黃色的部分，就是晶片製作要完成的地方。

我們常常聽到14nm，7nm製程，說的是電晶體（transistor）的長度，縮小電晶體的目的是在更小的晶片中塞入更多的電晶體。

1nm= 0.000001毫米，這兒說大家沒感覺，指甲的側面約0.1毫米，想像把一片指甲的側面切成 10 萬條線，每條線就約等同於 1nm。

回到晶圓到晶片的過程。

首先，把矽晶圓送到烤爐中，在精確控制的溫度和氣體氛圍下，於其表面濺鍍均勻的氧化膜，接著在上面噴淋一種叫「光刻膠」的保護層。

之後，我們常聽說的又一「神器」光刻機就登場了。

它將紫外線透過掩膜，把預先設計好的電路圖投影到晶圓上，被照到的光刻膠會溶解，變成電路的形狀。

光刻完成的晶圓，被浸泡在刻蝕試劑中，有光刻膠保護的金屬膜部位不會被強酸洗掉，沒有被光刻膠保護的部分（也就是光刻好的電路圖），表面氧化膜被腐蝕掉，裸露出矽基底，最終形成電路圖。

這時，光刻膠的使命就完成了，被清洗掉。

不知大家了不了解傳統油墨印刷術的原理，蝕刻-清洗的過程與這個類似，但精細度不可同日而語。

光刻和蝕刻的製程工藝，與成芯後的性能息息相關。

通俗點說，就是刻的越精細，每顆晶片上的電晶體就越多，性能便越強。

再往後，離子，就是帶電的原子會注入到矽裡面，改變它們的極性，形成電晶體。

如此一來，電流就只能從一個方向通過，而電晶體將扮演小型開關的作用，這樣，CPU就能理解我們的指令，並做出相應的反饋。

接著，開始沉積鍍銅。

在真空設備內，通過惰性氣體離子束打在銅靶材上，將銅原子沖刷出來，然後沉積在晶圓上，一層又一層。

較為複雜的晶片，會重複鍍銅到刻蝕這一步驟 20次以上，形成 20多層複雜的電路。

裡面有數公里長的導線，將幾千萬甚至上億根電晶體連接在一起，令人嘆為觀止。

剛才我們講到光刻機。

如果說晶片製造的過程是大廚把原料製成菜，那光刻機就相當於刀。

這一利器集合了10萬個以上零件（一輛汽車才5000個零件）。

難怪它被譽為「人類工業皇冠上的明珠」。

7nm晶片只能由最新的EUV極紫外光光刻機才能生產，在這個領域稱霸的是荷蘭ASML公司。

人類工業皇冠上的明珠——光刻機

雖然中芯國際14nm晶片製程工藝相對落後，但很多業內人士也在分析了台積電的財報數據後發現，台積電有超過60%的收入來自於14nm晶片及以下工藝，這也意味著中芯國際14nm晶片工藝能夠生產全球絕大部分的晶片，這也能夠極大的緩解目前國產晶片被「卡脖子」的尷尬局面。

從中芯國際所公布的財報數據，我們也能夠看出，目前中芯國際的14nm晶片產能依舊還有待提高，畢竟能夠得到華為海思的青睞，華為麒麟710A晶片的大量需求，中興國際後續肯定也要加大14nm晶片產能，所以中芯國際的14nm晶片發展潛力依舊還非常巨大，並且中芯國際也宣布了將會在今年年底實現N+1代工藝晶片量產，在功耗、穩定性等方面與市場上成熟的7nm相當，但性能上略差。

這意味著中芯國際也將會在今年年底，正式開始進軍高端晶片製造領域，可以說在中芯國際、華為等國產晶片巨頭助力下，國產晶片高端化也是勢在必行，當然我們從目前整體差距來看，我們的國產晶片高端夢依舊還需要努力。

說了這麼多，大家可能會以為所有晶片都是高精尖科技。

其實也不是。

晶片號稱工業的糧食，既有精糧也有粗糧。

事實上高達80%的晶片都是「粗糧」。

我們日常接觸的手機只是其眾多應用設備之一，基站、路由器、LCD電視、智能家電、傳感器等各種設備都需要晶片。

之所以這麼強調晶片14nm到7nm的區別，是因為手機對小體積和高性能的要求高，其他大量的中低端晶片，並不需要那麼高端的製造技術，國內現有的製造能力足以。

舵主在之前文章《美國打壓再升級，華為將遭斷糧？不，這只會加速國產替代！》提到過，美國的窮追猛打只會加速國產替代，這是一個十年內確定性很高的趨勢，國家重點扶持中芯國際這類製造企業也是高確定性事件。

而舵主多次提及的晶片ETF（159995），其前十大重倉股更是直接囊括了兆易創新（國內存儲晶片設計龍頭）、北方華創（半導體清洗機、刻蝕機、PVD 龍頭）、三安光電（LED晶片龍頭）、長電科技（封裝測試龍頭）這些與中芯國際有密切關係的企業。

你，有興趣了解嗎？

根據國家之前的計劃，到2020年我國晶片自給率要達到40%，到2025年達到70%，看起來很遙遠也很艱難，但路都是一步一步走出來的。

文章來源：ETF總舵主

（市場有風險 投資需謹慎）