芯片制造与中国技术

为了把30吨的运算电路缩小，工程师们把多余的东西全扔了，直接在硅片上制作PN结和电路。下面从硅片出发，说说芯片的制作过程和中国所处的水平。

第一：硅

把这玩意儿氯化了再蒸馏，可以得到纯度很高的硅，切成片就是我们想要的硅片。硅的评判指标就是纯度，你想想，如果硅里有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。

太阳能级高纯硅要求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，目前年产0.5万吨，而中国一年进口15万吨。

难得的是，鑫华的高纯硅出口到了半导体强国韩国，品质应该还不错。不过，30%的制造设备还得进口……

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。

第二：晶圆

硅提纯时需要旋转，成品就长这样：

所以切片后的硅片也是圆的，因此就叫“晶圆”。这词是不是已经有点耳熟了？

切好之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的就叫“晶圆厂”。各位拍脑袋想想，以目前人类的技术，怎样才能完成这种操作？

用原子操纵术？想多了，朋友！等你练成御剑飞行的时候，人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件。晶圆加工的过程有点繁琐。

首先在晶圆上涂一层感光材料，这材料见光就融化，那光从哪里来？光刻机，可以用非常精准的光线，在感光材料上刻出图案，让底下的晶圆裸露出来。

然后，用等离子体这类东西冲刷，裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽，这套设备就叫刻蚀机。在沟槽里掺入磷元素，就得到了一堆N型半导体。

完成之后，清洗干净，重新涂上感光材料，用光刻机刻图，用刻蚀机刻沟槽，再撒上硼，就有了P型半导体。

实际过程更加繁琐，大致原理就是这么回事。有点像3D打印，把导线和其他器件一点点一层层装进去。

这块晶圆上的小方块就是芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路，这些电路并不比那台30吨计算机的电路高明，最底层都是简单的门电路。

只是采用了更多的器件，组成了更庞大的电路，运算性能自然就提高了。

据说这就是一个与非门电路：

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，答案出奇简单：钱！

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，因为咱不计较钱嘛！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。

可别把“龙芯”和“汉芯”混为一谈

还有一类只制造、不设计的晶圆代工厂，这必须得先说台湾的台积电。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。

晶圆代工厂又是台湾的天下，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。

不过受制于台湾诡谲的社会现状，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。

大陆的中芯国际具备28nm工艺，14nm的生产线也在路上，可惜还没盈利。大家还是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，最近几个月台积电刚刚上线了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，台积电加工芯片。

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，我们追赶美帝的步伐至少轻松一半。

第四：核心设备

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！

重要性仅次于光刻机的刻蚀机，中国的状况要好很多，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。

在晶圆上注入硼磷等元素要用到“离子注入机”，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！

第五：封测

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，毕竟只是芯片产业的末端，技术含量不高。

（按：最新的消息，紫光29.18亿台币入股第一封装大厂日月光：占股30％）

说说我们的中国芯

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？根据“烧钱烧时间”理论，掐指算算，大约是2030年吧！

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。

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，虽然市场份额微乎其微，但每个领域都参了一脚，前景还是可期待的。