本文章搬运自酷安@江山本无恙 侵删
这篇文章介绍了芯片的原理以及为什么制造那么困难,整个芯片行业的概况。读完这篇文章你将了解华为的芯片究竟是怎么回事,为什么其他手机厂商制造不出来芯片,雷军说的芯片沙子价是真的吗?因特尔,苹果,AMD在芯片行业里面都扮演了什么角色,为什么台积电那么牛,我们生活中哪些不起眼的东西都用了芯片。芯片,半导体,集成电路是一个东西吗?

在读这篇文章之前,我们需要一些基础的物理和化学知识。放轻松,只要高中毕业,我保证你可以看懂。

Bingo,那我们出发吧!

化学元素周期表

高中化学告诉我们,构成物质最基础的微粒是原子,原子在化学反应中不可分割。这张元素周期表的所有元素即为构成我们这个世界的基础。所有一切的物质都是由这118种元素构成。

而原子由原子核和核外电子组成,核外电子绕着原子核做高速无规律运动。而原子核又分为质子和中子。质子带正电或者负电,中子不带电,核外电子带负电或者正电,和质子所带电中和,一般情况下不显电性,当核外电子不足以中和质子所带电时,便会变成离子。

而这些核外电子在原子核外的运动是在一定轨道上运行,你可以把它想象成高速公路。这些高速公路我们称之为电子轨道。当一些轨道靠的特别近的时候,就会合并成为一个轨道,我们称之为能带,而那些比较窄的轨道我们称之为能级。

接下来,我们需要引入三个概念,导体,半导体,绝缘体。当这些电子轨道上的电子可以自由运动时,就意味着可以导电,我们称为导体,而那些电子轨道上电子一动不动,就像高速路堵车时我们称之为绝缘体。导体和绝缘体属于两个直男,没有什么研究价值,几百年过去了,最常用的导体仍然是铜。

半导体也就是说有时候可以导电,有时候不可以导电。它取决于满轨和空轨之间的距离。当二者距离近的时候,电子从满轨跑到空轨,就变成导体。当二者距离远的时候,电子在满轨上无法动弹,也就变成了绝缘体。而一般情况下,满轨和空轨之间有一定距离,电子无法自发跑过去,需要借助一个力,加个能量,才能变成导体。当然,两个轨道之间的距离在5ev之内才能更好的跨越。

科学家在经过大量的实验后,发现硅作为这种半导体最合适。而硅的来源就是我们经常见到的沙子,它的主要成分是二氧化硅。

硅,硼,磷的电子结构

我们可以看到,硅的最外层是4个电子,当我们有100个硅原子时,满轨道就挤满了400个电子,这个时候,用10个硼原子取代10个硅原子,就会有10个空位出来,类似于公交车空出了10个位置,我们把它叫做P型半导体。

同理,我们也可以用10个磷原子来取代10个硅原子,这时候不仅没有空位,还多出10个电子,相当于印度的公交车外挂了10个人,我们把它叫做N型半导体。

印度公交车,类似于N型半导体

当我们把P型半导体和N型半导体放在一起时,大名鼎鼎的PN结便诞生了,N型的额外电子必然跑到P型的空位上去,一直到电场平衡为止,这是芯片的最根本原理。

这时候再加个正向的电压,N型半导体那些额外的电子就会源源不断跑到P型半导体的空位上,电子的移动就是电流,这时的PN结就是导电的。如果加个反向的电压呢?从P型半导体那里再抽电子到N型半导体,而N型早已挂满了额外的电子,多出来的电子不断增强电场,直至抵消外加的电压,电子就不再继续移动,此时PN结就是不导电的。当然,实际上还是会有微弱的电子移动,但和正向电流相比可忽略不计。

到这里,我们就拥有了PN结,再在两端加根导线,就变成了我们熟知的半导体。下面,我们将要用到一点点电路知识,理解什么是与门电路与或门电路。

与门与或门电路

如图一所示,我们从电阻处给个电压,电流会从A端流出,这时候我们给AB都施加一个电压,电流就会被堵在二极管的另一头,F端也就有了电压。假设把有电压看作1,没电压看作0,那么只有从AB端同时输入1,F端才会输出1,这就是“与门电路”。

同理,把电路改成图二这样,那么只要AB有一个输入1,F端就会输出1,这叫“或门电路”。

掌握了电路的基础知识,我们来做题把。

图放错了,别担心,应该是这张:

左边有8个输入端,右边有7个输出端,每个输出端对应一个发光管,7个发光管组成一个数字显示器。从左边输入一串信号:00000101,经过中间一堆的电路,使得右边输出另一串信号:1011011。1代表有电压,有电压就可以点亮对应的发光管,于是,就得到了一个数字“5”,如上图所示。

终于,我们已经搞定了数字是如何显示的!如果你想进行1+1的加法运算,其电路的复杂程度就已经超过了99%的人的智商了,少年,你想来挑战吗?

直到有一天,有人用18000只电子管,6000个开关,7000只电阻,10000只电容,50万条线组成了一个超级复杂的电路,诞生了人类第一台计算机,重达30吨,运算能力5000次/秒,还不及现在手持计算器的十分之一。不知道当时的工程师为了安装这堆电路,脑子抽筋了多少回。

到这里,我们需要了解的基础知识便完成了,接下来,我们要做的就是把这30吨的机器集成到指甲盖那么大的地方,也叫做集成电路。

为了把30吨的运算电路缩小,工程师们把能扔东西全扔了,直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发,说说芯片的逆袭之路。

把这玩意儿氯化了再蒸馏,可以得到纯度很高的硅,不过这种硅原子排列混乱,会影响电子运动,就叫多晶硅吧。

把多晶硅熔化了,按特定方法旋转提拉,就可以拉制成原子排列整齐的单晶硅。

硅的主要评判指标是纯度,你想想,如果硅原子之间有一堆杂质,那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。

无论啥东西,纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求99.9999%,这玩意儿全世界超过一半是中国产的,早被玩成了白菜价。芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了,11个9),几乎全赖进口,直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产,只是目前产量少的可怜,还不及进口的一个零头。难得的是,鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国,品质应该不错。不过,30%的制造设备还得进口。

电子级高纯硅的传统霸主依然是德国Wacker和美国Hemlock(美日合资),中国任重而道远。

我们已经有了单晶硅圆柱,把它切片,就变成了晶圆。接下来,我们要对晶圆加工

晶圆加工流程图

上述过程中,晶圆经过光刻和刻蚀等工艺流程的多次循环,逐层集成,并经离子注入、退火、扩散、化学气相沉积、物理气相沉积、化学机械研磨等流程, 最终在晶圆上实现特定的集成电路结构。主要流程如下:

1、晶圆清洗、热氧化

晶圆的清洗是指通过将晶圆沉浸在不同的清洗药剂内或通过喷头将调配好 的清洗液药剂喷射于晶圆表面进行清洗,再通过超纯水进行二次清洗,以去除晶 圆表面的杂质颗粒和残留物,确保后续工艺步骤的准确进行。

晶圆的热氧化是指在 800°C~1,150°C的高温下,用热氧化方法在其表面形成 二氧化硅薄膜。

2、光刻

光刻的主要环节包括涂胶、曝光与显影。

涂胶是指通过旋转晶圆的方式在晶圆上形成一层光刻胶;

曝光是指先将光掩模上的图形与晶圆上的图形对准,然后用特定的光照射。 光能激活光刻胶中的光敏成分,从而将光掩模上的电路图形转移到光刻胶上;

显影是用显影液溶解曝光后光刻胶中的可溶解部分,将光掩模上的图形准确 地用晶圆上的光刻胶图形显现出来。

3、刻蚀

刻蚀主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀,指未被光刻胶覆盖的材料被选择性去除的过程。

干法刻蚀主要利用等离子体对特定物质进行刻蚀。湿法刻蚀主要通过液态化 学品对特定物质进行刻蚀。

4、离子注入、退火

离子注入是指将硼、磷、砷等离子束加速到一定能量,然后注入晶圆材料的

表层内,以改变材料表层物质特性的工艺。

退火是指将晶圆放置于较高温度的环境中,使得晶圆表面或内部的微观结构 发生变化,以达到特定性能的工艺。

5、扩散

扩散是指在高温环境下通过让杂质离子从较高浓度区域向较低浓度区域的 转移,在晶圆内掺入一定量的杂质离子,改变和控制晶圆内杂质的类型、浓度和 分布,从而改变晶圆表面的电导率。

6、化学气相沉积

化学气相沉积是指不同分压的多种气相状态反应物在一定温度和气压下在 衬底表面上进行化学反应,生成的固态物质沉积在晶圆表面,从而获得所需薄膜 的工艺技术。

7、物理气相沉积

物理气相沉积是指采用物理方法,如真空蒸发、溅射镀膜、离子体镀膜和分子束外延等,在晶圆表面形成金属薄膜的技术。

8、化学机械研磨

化学机械研磨是指同时利用机械力的摩擦原理及化学反应,借助研磨颗粒,以机械摩擦的方式,将物质从晶圆表面逐层剥离以实现晶圆表面的平坦化。

9、晶圆检测

晶圆检测是指用探针对生产加工完成后的晶圆产品上的集成电路或半导体元器件功能进行测试,验证是否符合产品规格。

10、包装入库

包装入库是指对检测通过的生产加工完成后的晶圆进行真空包装入库。



提个问题:为啥不把芯片做的更大一点呢?这样不就可以安装更多电路了吗?性能不就赶上外国了嘛?

这个问题很有意思。一块300mm直径的晶圆,16nm工艺可以做出100块芯片,10nm工艺可以做出210块芯片,于是价格就便宜了一半,在市场上就能死死摁住竞争对手,赚了钱又可以做更多研发,差距就这么拉开了。

说个题外话,中国军用芯片基本实现了自给自足,而且性能杠杠的,因为军用不计较钱嘛!可以把芯片做的大大的。另外,越大的硅片遇到杂质的概率越大,所以芯片越大良品率越低。总的来说,大芯片的成本远远高于小芯片,不过对军方来说,这都不叫事儿。

除了成本之外,大芯片的布线比小芯片更长,所以延时也更明显,驱动电流也大很多,由此导致整体设计更臃肿,性能上还是会吃亏。反正,小芯片就是比大芯片好用。

用70亿个晶体管在指甲盖大小的地方组成电路,想想就头皮发麻!一个路口红绿灯设置不合理,就可能导致大片堵车。电子在芯片上跑来跑去,稍微有个PN结出问题,电子同样会堵车。所以芯片的设计异常重要,重要到了和材料技术相提并论的地步。

这么复杂的设计,必须得先有个章法。七十年代,英特尔率先想出了一个好办法:X86架构。详细内容不提了,简单来说,这架构虽然能耗高点、体积大点,但性能那是嗖嗖的,几乎垄断了电脑芯片市场,成就了如日中天的英特尔。

这相当于,英特尔提出造汽车用4个轮子,以后其他人想造4个轮子的汽车,就得先付授权费。这怎么忍,随后英国ARM公司提出了2个轮子的汽车方案:ARM架构。

毫无疑问,2个轮子肯定跑不过4个轮子,ARM架构虽然省电小巧,但性能实在有点寒碜,于是一直被英特尔摁着打。ARM熬到了九十年代,终于熬不住了,决定不再生产芯片,而是将ARM架构授权给其他公司生产,赚点授权费,这才保住了一条命。

人算不如天算,进入21世纪,智能手机横空出世,芯片的能耗和体积一下成了关注点,于是ARM架构一飞中天,几乎垄断了手机芯片。

小结一下:

X86架构,能耗高、体积大、性能强。

ARM架构,能耗低、体积小、性能弱。

于是,一个占了电脑,一个占了手机,直到今天,仍是主流设计方案。至于其他3个轮子或5个轮子的汽车,多多少少还是有些劣势,没有形成主流。

最近有新闻说,中国和ARM要成立中方控股的合资公司,ARM欲借此重回芯片制造商的角色。

决定汽车用几个轮子,距离造出汽车还差得很远。有了基本架构,后面的设计依然是漫漫长征路,所以还得要有好工具:EDA软件。

Synopsys,Cadence,Mentor,三巨头几乎垄断了全球EDA市场,一水儿的美帝公司。直到最近,熬了三十年的华大九天终于露头了,这家中国电子信息产业集团的二级公司,连续多年以50%的年增长率狂追,算是站稳了脚跟。

虽然借助EDA软件的仿真功能可以判断电路设计是否靠谱,但要真正验证这种精巧线路的靠谱程度,只有一种办法,那就是:用!广泛的用!长久的用!正因为如此,芯片设计不光要烧钱,也需要烧时间,属于试错周期较长的核心技术。

既然是核心技术,自然就会发展出独立的公司,所以芯片公司有三类:既设计又制造、只设计不制造、只制造不设计。

但凡要处理信息,基本都有芯片,包括通信芯片、服务器芯片、手机芯片、电脑芯片等等。早期的芯片复杂程度不算夸张,所以设计制造可以在同一家公司完成,最有名的:美国英特尔、韩国三星、日本东芝、意大利法国的意法半导体;中国大陆的华润微电子、士兰微;中国台湾的旺宏电子等。

外国、台湾、大陆三方,大陆的起点最低,早期的产品多集中在家电遥控器之类的低端领域,手机、电脑这些高端芯片几乎空白!

后来随着芯片越来越复杂,设计与制造就分开了,有些公司只设计,成了纯粹的芯片设计公司。如,美国的高通、博通、AMD,中国台湾的联发科,大陆的华为海思、展讯等。

大名鼎鼎的高通就不多说了,世界上一半手机装的是高通芯片,AMD和英特尔基本把电脑芯片包场了。电脑和手机是芯片市场的两块大蛋糕,全是美国公司,世界霸主真不是吹的。

台湾联发科走的中低端路线,手机芯片的市场份额一度排第三,很多国产手机都用,比如小米、OPPO、魅族。不过后来被高通干的有点惨,销量连连下跌。

华为海思是最争气的,手机处理器芯片麒麟,市场份额随着华为手机的增长排进了前五。个人切身体会,海思芯片的进步真的相当不错。最近华为又推出了服务器芯片鲲鹏920,5G基站芯片天罡,5G基带芯片巴龙5000,性能都是世界顶级的,隐隐看到了在芯片设计领域崛起的势头。

展讯是清华大学的校办企业,比较早的大陆芯片企业。前段时间传出了不少危机,后来又说是变革的开始,过的很不容易,和世界巨头相差甚多。

大陆还有一批芯片设计企业,晨星半导体、联咏科技、瑞昱半导体等,都是台湾老大哥的子公司,产品应用于电视、便携式电子产品等领域,还挺滋润。

在大陆的芯片设计公司,台湾顶住了小半边天,另大半边天原本是塌着的,现在华为算是撑住了。

还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂,这必须得先说台湾最大的企业:台积电。正是台积电的出现,才把芯片的设计和制造分开了。2017年台积电包下了全世界晶圆代工业务的56%,规模和技术均列全球第一,市值甚至超过了英特尔,成为全球第一半导体企业。

没错,晶圆代工厂又是台湾老大哥的天下,除了台积电这个巨无霸,台湾还有联华电子、力晶半导体等等,连美国韩国都得靠边站。

大陆最大的代工厂是中芯国际,还有上海华力微电子也还不错,但技术和规模都远不及台湾。最近台积电开始布局大陆,落户南京,这几年台资、外企疯狂在大陆建晶圆代工厂,这架势和当年合资汽车有的一拼。

大陆中芯国际的14nm生产线刚刚上路,还在尚需努力的阶段。大家还是更愿意把这活交给台积电,台积电几乎拿下了全球70%的28nm以下代工业务。

美国、韩国、台湾已具备10nm的加工能力,最近台积电上线了7nm工艺,稳稳压过三星,首批客户就是华为的麒麟980芯片。这俩哥们儿早就是老搭档了,华为设计芯片,台积电制造芯片。

悄悄说一句,三星和台积电的大股东都是美帝财阀,不然人家怎么能叫美帝呢?

说真的,如果大陆能整合台湾的半导体产业,并利用灵活的政策和庞大的市场促进其进一步升级,中国追赶外国的步伐至少轻松一半。现在嘛,中国任重而道远呐!

芯片良品率取决于晶圆厂整体水平,但加工精度完全取决于核心设备,就是前面提到的“光刻机”。

光刻机,荷兰阿斯麦公司(ASML)横扫天下!不好意思,产量还不高,你们慢慢等着吧!无论是台积电、三星,还是英特尔,谁先买到阿斯麦的光刻机,谁就能率先具备7nm工艺。没办法,就是这么强大!

日本的尼康和佳能也做光刻机,但技术远不如阿斯麦,这几年被阿斯麦打得找不到北,只能在低端市场抢份额。

阿斯麦是全球唯一的高端光刻机生产商,每台售价至少1亿美金,2017年只生产了12台,2018年24台,这些都已经被台积电三星英特尔抢完了,2019年预测有40台,其中一台是给咱们的中芯国际,不过最近听说莫名其妙被烧了,得延期交货。

既然这么重要,咱不能多出点钱吗?第一:英特尔有阿斯麦15%的股份,台积电有5%,三星有3%,有些时候吧,钱不是万能的。第二,美帝整了个《瓦森纳协定》,敏感技术不能卖,中国、朝鲜、伊朗、利比亚均是被限制国家。

有意思的是,2009年上海微电子的90纳米光刻机研制成功(核心部件进口),2010年美帝允许90nm以上设备销售给中国,后来中国开始攻关65nm光刻机,2015年美帝允许65nm以上设备销售给中国,再后来美帝开始管不住小弟了,中芯国际才有机会去捡漏一台高端机。

不过咱也不用气馁,咱随便一家房地产公司,销售额轻松秒杀阿斯麦,哦耶!

2018年底有则消息让人惊出一身冷汗,最早中科院只是淡淡说了句光刻项目通过验收,然后铺天盖地的“中国光刻机终于翻身农奴把歌唱”,闹到最后连人民日报都坐不住了,直接批“国产光刻机自嗨文”误导公众,损坏中国科研形象。引一句原文:“这台光刻机要想应用于芯片,还要攻克一系列技术难题,距离还相当遥远。”

相比于光刻机,中国的刻蚀机要好很多,16nm刻蚀机已经量产运行,7-10nm刻蚀机也在路上了,所以美帝很贴心的解除了对中国刻蚀机的封锁。

不过离子注入机又寒碜了,2017年8月终于有了第一台国产商用机,水平先不提了,离子注入机70%的市场份额是美国应用材料公司的。涂感光材料得用“涂胶显影机”,日本东京电子公司拿走了90%的市场份额。即便是光刻胶这些辅助材料,也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。

2015年至2020年,国内半导体产业计划投资650亿美元,其中设备投资500亿美元,再其中480亿美元用于购买进口设备。算下来,这几年中国年均投入130亿,而英特尔一家公司的研发投入就超过130亿美元。

论半导体设备,中国,任无比重、道无比远啊!

芯片做好后,得从晶圆上切下来,接上导线,装上外壳,顺便还得测试,这就叫封测。

封测又又又是台湾老大哥的天下,排名世界第一的日月光,后面还跟着一堆实力不俗的小弟:矽品、力成、南茂、欣邦、京元电子。

大陆的三大封测巨头,长电科技、华天科技、通富微电,混的都还不错。

这全景图大概描述了从硅片到芯片的全过程及中国的设备制造商,绝对是业内专家所做,值得一看。

说起中国芯片,不得不提“汉芯事件”。2003年上海交通大学微电子学院院长陈进教授从美国买回芯片,磨掉原有标记,作为自主研发成果,骗取无数资金和荣誉,消耗大量社会资源,影响之恶劣可谓空前!以致于很长一段时间,科研圈谈芯色变,严重干扰了芯片行业的正常发展。

硅原料、芯片设计、晶圆加工、封测,以及相关的半导体设备,绝大部分领域中国还是处于“任重而道远”的状态,那这种懵逼状态还得持续多久呢?

国务院印发的《集成电路产业发展纲要》明确提出,2030年集成电路产业链主要环节达到国际先进水平,一批企业进入国际第一梯队,产业实现跨越式发展。

从研发的过程来看,需求不缺,资金不缺,只要烧足了时间,没理由烧不出芯片。当前,中国芯片的总体水平差不多处在刚刚实现零突破的阶段,虽然市场份额不多,但每个领域都参了一脚,而且势头不错,前景还是可期待的。

文末,习惯性抱怨一下人类科技的幼稚。芯片,作为大伙削尖脑袋能达到的最高科技水准,作为其根基的能带理论竟然只是个近似理论,电子行为仍然没法精确计算。再往大了说,别看现在的技术纷繁复杂,其实就是玩玩电子而已,顶多再加个光子,至于其他几百种粒子,还完全不知道怎么玩!

芯片加工精度已经到了7nm,虽然三星吹牛说要烧到3nm,可那又如何?你还能继续烧吗?1nm差不多就是几个原子而已,量子效应非常显著,作为基石的能带理论就不好使了,半导体行业就得在这儿歇菜。

烧钱也好,烧时间也罢,烧到尽头就是理论物理。基础科学除了烧钱烧时间,还得烧人,烧的异常惨烈,100个高智商,99个都是垫脚石!工程师可以半道出家,但物理学家必须科班出身。

不能光折腾电子了,为了把中微子也用起来,咱赶紧忽悠,哎,不对,是呼吁更多孩子学基础科学吧!

最后对于今年刚高考完的孩子,有志向报告集成电路设计专业的,国内现在开设这个专业的一共有29所大学,分别是北京大学,华中科技大学,天津大学,山东大学,厦门大学,华南理工大学,大连理工大学,电子科技大学,重庆大学,苏州大学,西安电子科技大学,深圳大学,福州大学,广东工业大学,杭州电子科技大学,华侨大学,西安理工大学,黑龙江大学,湖北工业大学,重庆邮电大学,暨南大学,南通大学,青岛科技大学,天津理工大学,哈尔滨理工大学,成都信息工程大学,烟台大学,西安邮电大学,国防科技大学。

学习的主要课程有电路分析,固体物理,数字与逻辑电路,微电子,半导体物理,单片机原理与应用,微电子器件,硬件描述语言,嵌入式系统原理,信号与系统,电磁场与电磁波,处理器体系结构,集成电路版图设计。



【注:全文参考了但不限于《点沙成金:半导体芯片》《中芯国际招股说明书》《2020高考志愿填报服务》《芯片破壁者:光刻技术的鬼斧之变》《半导体行业观察》】

最后编辑:2020年08月03日 ©著作权归作者所有

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