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【米柚科技说】芯片制造到底有多难?看这篇就够了

发表在 2018-09-16 21:27:24  来自PC 复制链接 手机看帖扫一扫!手机看帖更爽 2849 54473

本帖最后由 Mc..小磊 于 2018-9-16 21:33 编辑




今年4月中兴事件引发了全民对国产芯片的关注。据数据统计,2017年国内集成电路进口额仍高达2601.4美元,进出口逆差更是达到了1932亿美元。显然,中国目前对于国外芯片的依赖程度依然很高。

芯片制造到底有多难?


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。真正的芯片制造过程十分复杂,下面我们为大家简单介绍一下。

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。

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。

晶圆片抛光后利用光刻机将设计好的电路转印到晶圆上

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。

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。

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。

切割出合格晶片后报废的晶圆

光刻机——芯片制造的卡脖子环节

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。

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。目前,世界上80%的光刻机市场被荷兰ASML公司占据,而能够进行7nm甚至5nm生产的EUV光刻机目前全球也只有ASML一家能够供应。再加上ASML的EUV光刻机成本高昂(ASML最高端的EUV光刻机NXE 3400B一台售价约1.2亿美元),而且产能非常有限,可谓是一机难求。



前面有提到2012年前后用特尔、台积电、三星都对ASML进行了资助,并入股成为了其股东。ASML一共得到了13.8亿欧元(17.22亿美元)的研发资金,正好达到了最初的预期值,而通过出让23%的股权换来了38.79亿欧元(48.39亿美元),合计达到52.59亿欧元(65.61亿美元)。而英特尔、台积电、三星之所以选择资助和入股ASML其中一个原因就是为了推动其EUV光刻机的研发,并且控制供应。



另外需要注意的是,由于《瓦森纳协定》的存在,中国大陆引进国际先进的半导体设备是会受到限制的。

《瓦森纳协定》又称瓦森纳安排机制,目前共有包括美国、日本、英国、俄罗斯等40个成员国。尽管“瓦森纳安排”规定成员国自行决定是否发放敏感产品和技术的出口许可证,并在自愿基础上向“安排”其他成员国通报有关信息。但“安排”实际上完全受美国控制。而中国大陆就在“被禁运”国家之列。

当“瓦森纳安排” 某一国家拟向中国出口某项高技术时,美国甚至直接出面干涉,如捷克拟向中国出口“无源雷达设备”时,美便向捷克施加压力,迫使捷克停止这项交易。

事实上,对于中国半导体领域的禁运一直存在,英特尔、三星、台积电2015年就能买到荷兰ASML的10nm光刻机,而中国大陆的中芯国际2015年只能买到ASML 2010年生产的32nm光刻机,5年时间对半导体来说,已经足够让市场更新换代3次了。

虽然ASML曾否认其会受到《瓦森纳协定》的影响,而且今年中芯国际也成功订购到了一台EUV光刻机,但是最快也要等2019年年初才会交货。也就是说等到2019年,中芯国际才能用上EUV光刻机进行一些试验性研发。

按照中芯国际目前的进度,恐怕最快也要等到2020年底才可能量产10nm,而实际上更先进的7nm才会需要用到EUV。而且一台EUV光刻机最多也只能做试产,根本没法做量产。显然,中芯国际要想用EUV量产7nm,就需要采购更多的EUV光刻机,而ASML后续能卖你几台还不知道,即使能够继续买,乐观估计中芯国际7nm量产最快也要等到2022年了。而到那时,台积电、三星的3nm可能都出来了!中国大陆的半导体制程与海外仍将保持近两代的差距。

当然,中国也有自己的光刻机产业,但是由于起步较晚且技术积累薄弱,与国外的差距仍是非常的巨大。

作为国内光刻设备的龙头企业,上海微电子装备(SMEE)目前最先进的光刻设备也只能提供最高90mn的工艺技术。单从指标上看,基本也和ASML的低端产品PAS5500系列属于同一档次。此外还有合肥芯硕半导体、无锡影速半导体等企业,目前也只能提供最高200mn的工艺技术。


不过,我们也不必过于悲观。目前国家也在针对光刻机领域进行重点突破。中国16个重大专项中的02专项,就提出光刻机到2020年研发出22nm。2015年出45nm的并且65nm的产业化。45nm是目前主流的光刻机工艺,包括32nm的还有28nm基本都是在45nm的侵入深紫外光刻机上面改进升级来的。所以中国掌握45nm的很重要。45nm光刻机是一个很重要的台阶,达到这个水平后,在45nm光刻机上面进行物镜和偏振光升级可以达到32nm。


另外,用于光刻机的固态深紫外光源也在研发,我国的光刻机研发是并行研发的,22nm光刻机用到的技术也在研发,用在45nm的升级上面。还有电子束直写光刻机,纳米压印设备,极紫外光刻机技术也在研发。对光刻胶升级,对折射液升级,并且利用套刻方法可以达到22nm到14nm甚至10nm的水平。相应的升级的用的光刻胶,第3代折射液等也在相应的研发中。


而在目前最为先进的EUV技术方面,去年“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项“极紫外光刻关键技术研究”项目顺利通过验收。项目研究团队历经八年的艰苦奋战,突破了制约我国极紫外光刻发展的超高精度非球面加工与检测、极紫外多层膜、投影物镜系统集成测试等核心单元技术,成功研制了波像差优于0.75nm RMS 的两镜EUV 光刻物镜系统,构建了EUV 光刻曝光装置,国内首次获得EUV 投影光刻32nm 线宽的光刻胶曝光图形。


当然,从技术突破到真正的商用,到量产仍有很长的一段距离。但是,如果我们不想被卡脖子,就必须敢啃这块硬骨头。


参考文献


芯片制造到底有多难?真正的芯片制造过程十分复杂

高端芯片制造到底有多难



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