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芯片制造到底有多難?真正的芯片制造過程十分復雜

時間:2020-05-09 10:45:04   作者:未知  

今年4月中興事件引發了全民對國產芯片的關注。據數據統計,2017年國內集成電路進口額仍高達2601.4美元,進出口逆差更是達到了1932億美元。顯然,中國目前對于國外芯片的依賴程度依然很高。

芯片制造到底有多難?

芯片生產是一個點砂成金的過程,從砂子到晶圓再到芯片,價值密度直線飆升。真正的芯片制造過程十分復雜,下面我們為大家簡單介紹一下。

晶圓是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片,由于其形狀為圓形,故稱為晶圓。單單從晶圓到芯片,其價值就能翻12倍,2000塊錢一片的晶圓原料經過加工后,出來的成品價值約2.5萬元,可以買一臺高性能的計算機了。

芯片制造到底有多難?真正的芯片制造過程十分復雜

從熔融態Si中拉出晶圓并切片

獲得晶圓后,將感光材料均勻涂抹在晶圓上,利用光刻機將復雜的電路結構轉印到感光材料上,被曝光的部分會溶解并被水沖掉,從而在晶圓表面暴露出復雜的電路結構,再使用刻蝕機將暴露出來的硅片的部分刻蝕掉。

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晶圓片拋光后利用光刻機將設計好的電路轉印到晶圓上

芯片制造到底有多難?真正的芯片制造過程十分復雜

在晶圓上刻蝕出來復雜的結構

接著,經過離子注入等數百道復雜的工藝,這些復雜的結構便擁有了特定的半導體特性,并能在幾平方厘米的范圍內制造出數億個有特定功能的晶體管。

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鍍銅后再切削掉表面多余的銅

再覆蓋上銅作為導線,就能將數以億計的晶體管連接起來。

芯片制造到底有多難?真正的芯片制造過程十分復雜

經過測試、晶片切割和封裝,就得到了我們見到的芯片

一塊晶圓經過數個月的加工,在指甲蓋大小的空間中集成了數公里長的導線和數以億計的晶體管器件,經過測試,品質合格的晶片會被切割下來,剩下的部分會報廢掉。千挑萬選后,一塊真正的芯片就這么誕生了。

芯片制造到底有多難?真正的芯片制造過程十分復雜

切割出合格晶片后報廢的晶圓

光刻機——芯片制造的卡脖子環節

制約集成電路技術發展的有四大要素:功耗、工藝、成本和設計復雜度,其中光刻機就是一個重中之重,核心技術中的核心。

一些裝備由于其巨大的制造難度被冠以“工業皇冠上的明珠”的稱號,最主流的說法是兩大裝備:航空發動機和光刻機,最先進的航空發動機目前的報價在千萬美元量級,但是最先進的光刻機目前的報價已經過億美金。

芯片的集成程度取決于光刻機的精度,光刻機需要達到幾十納米甚至更高的圖像分辨率,光刻機的兩套核心系統——光學系統和對準系統的精度越高,可以在硅片上刻的溝槽越細小,芯片的集成度越高、計算能力越強。

目前,世界上80%的光刻機市場被荷蘭ASML公司占據,而能夠進行7nm甚至5nm生產的EUV光刻機目前全球也只有ASML一家能夠供應。再加上ASML的EUV光刻機成本高昂(ASML最高端的EUV光刻機NXE 3400B一臺售價約1.2億美元),而且產能非常有限,可謂是一機難求。

前面有提到2012年前后英特爾、臺積電、三星都對ASML進行了資助,并入股成為了其股東。ASML一共得到了13.8億歐元(17.22億美元)的研發資金,正好達到了最初的預期值,而通過出讓23%的股權換來了38.79億歐元(48.39億美元),合計達到52.59億歐元(65.61億美元)。而英特爾、臺積電、三星之所以選擇資助和入股ASML其中一個原因就是為了推動其EUV光刻機的研發,并且控制供應。

另外需要注意的是,由于《瓦森納協定》的存在,中國大陸引進國際先進的半導體設備是會受到限制的。

《瓦森納協定》又稱瓦森納安排機制,目前共有包括美國、日本、英國、俄羅斯等40個成員國。盡管“瓦森納安排”規定成員國自行決定是否發放敏感產品和技術的出口許可證,并在自愿基礎上向“安排”其他成員國通報有關信息。但“安排”實際上完全受美國控制。而中國大陸就在“被禁運”國家之列。

當“瓦森納安排” 某一國家擬向中國出口某項高技術時,美國甚至直接出面干涉,如捷克擬向中國出口“無源雷達設備”時,美便向捷克施加壓力,迫使捷克停止這項交易。

事實上,對于中國半導體領域的禁運一直存在,英特爾、三星、臺積電2015年就能買到荷蘭ASML的10nm光刻機,而中國大陸的中芯國際2015年只能買到ASML 2010年生產的32nm光刻機,5年時間對半導體來說,已經足夠讓市場更新換代3次了。

雖然ASML曾否認其會受到《瓦森納協定》的影響,而且今年中芯國際也成功訂購到了一臺EUV光刻機,但是最快也要等2019年年初才會交貨。也就是說等到2019年,中芯國際才能用上EUV光刻機進行一些試驗性研發。

按照中芯國際目前的進度,恐怕最快也要等到2020年底才可能量產10nm,而實際上更先進的7nm才會需要用到EUV。而且一臺EUV光刻機最多也只能做試產,根本沒法做量產。顯然,中芯國際要想用EUV量產7nm,就需要采購更多的EUV光刻機,而ASML后續能賣你幾臺還不知道,即使能夠繼續買,樂觀估計中芯國際7nm量產最快也要等到2022年了。而到那時,臺積電、三星的3nm可能都出來了!中國大陸的半導體制程與海外仍將保持近兩代的差距。

當然,中國也有自己的光刻機產業,但是由于起步較晚且技術積累薄弱,與國外的差距仍是非常的巨大。

作為國內光刻設備的龍頭企業,上海微電子裝備(SMEE)目前最先進的光刻設備也只能提供最高90mn的工藝技術。單從指標上看,基本也和ASML的低端產品PAS5500系列屬于同一檔次。此外還有合肥芯碩半導體、無錫影速半導體等企業,目前也只能提供最高200mn的工藝技術。

不過,我們也不必過于悲觀。目前國家也在針對光刻機領域進行重點突破。中國16個重大專項中的02專項,就提出光刻機到2020年研發出22nm。2015年出45nm的并且65nm的產業化。45nm是目前主流的光刻機工藝,包括32nm的還有28nm基本都是在45nm的侵入深紫外光刻機上面改進升級來的。所以中國掌握45nm的很重要。45nm光刻機是一個很重要的臺階,達到這個水平后,在45nm光刻機上面進行物鏡和偏振光升級可以達到32nm。

另外,用于光刻機的固態深紫外光源也在研發,我國的光刻機研發是并行研發的,22nm光刻機用到的技術也在研發,用在45nm的升級上面。還有電子束直寫光刻機,納米壓印設備,極紫外光刻機技術也在研發。對光刻膠升級,對折射液升級,并且利用套刻方法可以達到22nm到14nm甚至10nm的水平。相應的升級的用的光刻膠,第3代折射液等也在相應的研發中。

而在目前最為先進的EUV技術方面,去年“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”國家科技重大專項“極紫外光刻關鍵技術研究”項目順利通過驗收。項目研究團隊歷經八年的艱苦奮戰,突破了制約我國極紫外光刻發展的超高精度非球面加工與檢測、極紫外多層膜、投影物鏡系統集成測試等核心單元技術,成功研制了波像差優于0.75nm RMS 的兩鏡EUV 光刻物鏡系統,構建了EUV 光刻曝光裝置,國內首次獲得EUV 投影光刻32nm 線寬的光刻膠曝光圖形。

當然,從技術突破到真正的商用,到量產仍有很長的一段距離。但是,如果我們不想被卡脖子,就必須敢啃這塊硬骨頭。


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