芯片，又稱集成電路（integrated circuit，IC）。是指內(nèi)含集成電路的硅片，體積很小，常常是計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備的一部分。從定義中可以看出，芯片的誕生需要硅片作為基礎(chǔ)，而硅片的原材料就是我們平時(shí)見(jiàn)到的沙子。

01

芯片設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，制造一個(gè)成品芯片需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三大過(guò)程。所以，在制造硅片之前，需要先進(jìn)行芯片的設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)電路圖。這里先要明確該芯片的需求目的，制定規(guī)格，然后在電腦中完成細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)芯片必須要用到芯片設(shè)計(jì)軟件EDA，然而這個(gè)軟件幾乎被美國(guó)公司壟斷，19年美國(guó)宣布對(duì)華為實(shí)施制裁，相關(guān)美國(guó)公司停止了與華為的合作，華為雖然擁有除美國(guó)公司以外全球?yàn)閿?shù)不多的芯片設(shè)計(jì)能力，但由于設(shè)計(jì)軟件受制于人，對(duì)華為的芯片設(shè)計(jì)也產(chǎn)生了很不利的影響，這也成為了我們?cè)谛酒a(chǎn)業(yè)鏈上第一個(gè)受制于人的地方。

02

芯片制造

1、硅片制造

芯片設(shè)計(jì)的下一步就是芯片制造，芯片制造首先需要進(jìn)行硅片制造，而沙子的化學(xué)公式為二氧化硅，想要得到能夠制造芯片的硅片，首先需要從沙子中提取純度非常高的硅，這個(gè)純度需要達(dá)到99.999999999%，即平均上百萬(wàn)個(gè)硅原子最多只能有一個(gè)雜質(zhì)原子。如此高的純度必然需要超高的提煉技術(shù)，通常在沙子中加入碳，在高溫作用下，進(jìn)行反復(fù)提純，然后再經(jīng)過(guò)熔化，從中拉伸出小圓柱狀的硅晶柱，也就是硅錠。而具備該提純能力的公司多為美國(guó)、德國(guó)及日本公司，中國(guó)企業(yè)幾乎不具備該提純能力，這是我們?cè)谛酒a(chǎn)業(yè)鏈上第二個(gè)受制于人的地方。

2、晶圓制造

高純度的硅提取成功后，下一步就是制造硅晶片，這一步需要用鉆石刀將硅錠切成許多單個(gè)的圓片，圓片經(jīng)過(guò)打磨拋光后便成為了硅晶圓，芯片的“地基”就完成了。硅晶圓的直徑常見(jiàn)的有8英寸（200mm）和12英寸（300mm），直徑越大，最終單個(gè)芯片成本越低，但加工難度越高。這一步仍然需要高超的技術(shù)，世界上能夠制造這類電子級(jí)硅晶圓的前五家公司占據(jù)了92%的市場(chǎng)份額，分別位于日本、中國(guó)臺(tái)灣、德國(guó)、韓國(guó)，中國(guó)大陸地區(qū)能夠制造這類硅晶圓的企業(yè)占比很小。

3、光刻

硅晶圓制造好后，下一步就是耳熟能詳?shù)墓饪蹋丛诠杈A上刻出已經(jīng)設(shè)計(jì)好的圖案。而進(jìn)行光刻前，要給硅晶圓涂上三層材料，第一層是氧化硅，第二層是氮化硅，最后一層是光刻膠，光刻膠屬于非常重要的耗材，是光刻工藝的核心材料。光刻過(guò)程中光刻膠在紫外線下被溶解，清除后留下的圖案和掩膜上的一致，而掩膜已經(jīng)印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，至此，電腦上的電路圖案便刻蝕在了電路上，光刻需要經(jīng)過(guò)數(shù)十層，每一層都需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的校準(zhǔn)，如果中途有微小的疏忽，最終很可能導(dǎo)致芯片不合格。光刻膠這項(xiàng)化學(xué)材料主要被日本企業(yè)壟斷，相比而言，中國(guó)企業(yè)在該領(lǐng)域技術(shù)相對(duì)落后，仍有很大的發(fā)展空間。

4、刻蝕與離子注入

光刻之后就是刻蝕與離子注入，如果將光刻比作毛坯地基的初步建成，刻蝕與離子注入就相當(dāng)于對(duì)地基進(jìn)行裝修并加入功能區(qū)，讓整個(gè)晶體管具備流通信息的能力。這一步驟運(yùn)用化學(xué)腐蝕或等離子體轟擊硅晶圓表面，將沒(méi)有被光刻膠覆蓋的位置進(jìn)行刻蝕，形成凹陷，然后把硼或磷注入到硅結(jié)構(gòu)中，接著填充銅，以便和其他晶體管互連。

一般一個(gè)芯片包含幾十層結(jié)構(gòu)，就像相互交織的高架橋。從光刻步驟開(kāi)始光刻機(jī)的應(yīng)用必不可少，而幾乎壟斷全球市場(chǎng)的荷蘭阿斯麥光刻機(jī)，50%以上的技術(shù)來(lái)源于美國(guó)，這又是一項(xiàng)受制于人的細(xì)分領(lǐng)域。

進(jìn)行刻蝕的刻蝕機(jī)國(guó)內(nèi)有中微半導(dǎo)體、北方微電子及北京七星華創(chuàng)公司；離子注入機(jī)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)有北京中科信、中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十八所。

5、退火至檢測(cè)

離子注入后，接下來(lái)包括退火、薄膜沉積、電鍍、平坦化、清洗、檢測(cè)等一系列步驟。退火的目的是將處于間隙位置的雜質(zhì)原子通過(guò)退火而讓它們進(jìn)入替代位置，這一步驟需要純度非常高的氣體；薄膜沉積的主要作用是為了對(duì)所使用的材料賦與某種特性；電鍍是為了防止金屬氧化(如銹蝕)，提高耐磨性、導(dǎo)電性、反光性、抗腐蝕性(硫酸銅等)及增進(jìn)美觀，這一步驟需要用到電鍍液；平坦化是指利用化學(xué)腐蝕和機(jī)械研磨相結(jié)合的方式，對(duì)晶圓表面進(jìn)行磨拋，這一步需要使用CMP設(shè)備。清洗是為了去除晶圓硅襯底上納米級(jí)的 異物 ，需要用到清洗設(shè)備進(jìn)行清洗；最后運(yùn)用檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)芯片制造過(guò)程步驟繁多，過(guò)程復(fù)雜，每一步都需要精益求精，否則，一個(gè)小錯(cuò)誤就可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品的失敗。

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封裝測(cè)試

芯片制造完成后，接下來(lái)就是封裝測(cè)試階段，用精細(xì)的切割器將晶圓切割成片，封裝階段將襯底、晶片、散熱片整合，裝殼密封，就形成了一個(gè)完整的處理器。封裝完成后，為了確保芯片的性能，還要經(jīng)過(guò)成品測(cè)試，最終，滿足要求的成品發(fā)送給客戶使用。封裝測(cè)試與前述步驟相比，技術(shù)含量相對(duì)較低，中國(guó)在此領(lǐng)域占據(jù)較大比重，比如，長(zhǎng)電科技、華天科技、通富微電等。

芯片的整個(gè)制造過(guò)程，需要非常干凈的工廠，干凈程度遠(yuǎn)超外科手術(shù)室，從硅的精度99.999999999%即可看出，即使一個(gè)很微小的，肉眼不可見(jiàn)的污染源也會(huì)導(dǎo)致芯片制造的失敗，這也是芯片領(lǐng)域耗資巨大的原因之一。所以，只有舉國(guó)之力，才能擁有我們的中國(guó)“芯”。