中国别无选择!芯片制造到底有多难?

中国别无选择!芯片制造到底有多难?

芯片看似一个小小的东西,被广泛应用于手机,电脑等等智能产品中,一块芯片几乎可以决定这些产品能不能运作,甚至也关乎着工业中一些机器的运转。但是,中国的芯片几乎都是海外进口的。据专业机构预测,今年中国芯片进口量将突破2,000亿美元(约12,185亿元人民币),远超一年石油进口的金额。

为什么我们会被一块小小的芯片难住?芯片制造到底有多难?

接下来,就让小编给大家一一解答。

中国别无选择!芯片制造到底有多难?

芯片的制造

芯片生产是一个点砂成金的过程,从砂子到晶圆再到芯片,价值密度直线飙升,制造过程十分复杂。

晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片,由于其形状为圆形,故称为晶圆。单单从晶圆到芯片,其价值就能翻12倍,2000块钱一片的晶圆原料经过加工后,出来的成品价值约2.5万元,可以买一台高性能的计算机了。

中国别无选择!芯片制造到底有多难?从熔融态Si中拉出晶圆并切片

获得晶圆后,将感光材料均匀涂抹在晶圆上,利用光刻机将复杂的电路结构转印到感光材料上,被曝光的部分会溶解并被水冲掉,从而在晶圆表面暴露出复杂的电路结构,再使用刻蚀机将暴露出来的硅片的部分刻蚀掉。

中国别无选择!芯片制造到底有多难?晶圆片抛光后利用光刻机将设计好的电路转印到晶圆上

中国别无选择!芯片制造到底有多难?在晶圆上刻蚀出来复杂的结构

接着,经过离子注入等数百道复杂的工艺,这些复杂的结构便拥有了特定的半导体特性,并能在几平方厘米的范围内制造出数亿个有特定功能的晶体管。

中国别无选择!芯片制造到底有多难?镀铜后再切削掉表面多余的铜

再覆盖上铜作为导线,就能将数以亿计的晶体管连接起来。

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经过测试、晶片切割和封装,就得到了我们见到的芯片。

一块晶圆经过数个月的加工,在指甲盖大小的空间中集成了数公里长的导线和数以亿计的晶体管器件,经过测试,品质合格的晶片会被切割下来,剩下的部分会报废掉。

千挑万选后,一块真正的芯片就这么诞生了。

中国别无选择!芯片制造到底有多难?切割出合格晶片后报废的晶圆

芯片制造全过程

可想而知

芯片制造

有多么的复杂了

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核心科技

制约集成电路技术发展的有四大要素:功耗、工艺、成本和设计复杂度,其中光刻机就是一个重中之重,核心技术中的核心。

悉知:

一些装备由于其巨大的制造难度被冠以“工业皇冠上的明珠”的称号,最主流的说法是两大装备:航空发动机和光刻机。最先进的航空发动机目前的报价在千万美元量级,但是最先进的光刻机目前的报价已经过亿美金。

芯片的集成程度取决于光刻机的精度,光刻机需要达到几十纳米甚至更高的图像分辨率,光刻机的两套核心系统——光学系统和对准系统的精度越高,可以在硅片上刻的沟槽越细小,芯片的集成度越高、计算能力越强。

光刻机按照用途可以分为好几种:有用于生产芯片的光刻机;有用于封装的光刻机;还有用于LED制造领域的投影光刻机。用于生产芯片的光刻机是中国在半导体设备制造上最大的短板,国内晶圆厂所需的高端光刻机完全依赖进口。

高端光刻机号称是世界上最精密的仪器,分辨率通常在十几纳米至几微米之间,堪称现代光学工业之花,制造难度极大,全世界只有少数几家公司能够制造。国外品牌主要以荷兰ASML(镜头来自德国),日本Nikon(intel曾经购买过Nikon的高端光刻机)和日本Canon三大品牌为主。(ASML高端光刻机领域占据了全球90%的市场份额)

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目前,中国在努力追赶,但是仍与国外存在技术代差,比美国差两代、比美国的盟国差一代。2019年1月,中国可完成14纳米级产品制造,同期国外可完成7纳米级产品制造。

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这不是说我们的追赶不重要,如果我们不做出来,国外就可以想怎么卖就怎么卖,卖不卖、卖啥型号、卖多少钱都不由我们,而我们做出来了,国外更高精度的设备就会卖给我们,价格也相对实惠很多。

中国芯片制造水平

那么,我们中国芯片制造到底处在什么水平?

上边也说到,中国可完成14纳米级产品制造,但同期国外已经可以完成7纳米级产品的制造了。芯片属于科技研发,最难的地方在于对它的精度的要求,由于国外的技术封锁,世界上最先进的设备是禁止运到中国的,没有先进的技术和设备进行引导的话是很难研究出来的,所以国家一直对这块非常关注,毕竟技术掌握在自己手中才是最实在、最安全的。

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小小的芯片包含了十分精密的工艺,一片比拇指大点的芯片使用的材料需要十分高的纯度,纯度几乎接近100%(99.9999999%),而且并不是部分的几个,是所有的材料都要精确。小小的芯片之所以可以容纳这么多信息,是因为制作芯片所采用的技术,全都是最高级的纳米技术,绝对不能容忍有一丝杂质。正因为这样所以制造一片芯片的费用也是相当的高,动辄就是几十万,从设计到生产需要经过两千多道的制作过程,时间能长达半年以上。芯片的制作不仅仅是工艺复杂,费用也是相当的昂贵。

而且,长期代工模式导致设计能力和制造能力失配、核心技术缺失;投资混乱、研发投入和人才不足等问题,导致中国集成电路产业目前总体还处于“核心技术受制于人、产品处于中低端”的状态,并且在很长的一段时间内无法根本改变。

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