集成(chéng)電路，又稱芯片，是絕大多數電子設備的核心組成(chéng)部分，被譽爲“工業糧食”。它不僅在智能(néng)手機、電視機、計算機、汽車等電子設備方面(miàn)得到廣泛的應用，在軍事(shì)、通信、遙控等方面(miàn)也不可或缺，對(duì)5G、人工智能(néng)、物聯網、自動駕駛等都(dōu)是必不可少的基礎。
然而，芯片制造又是世界上最爲複雜的制造業。以采用了20納米工藝的蘋果A8手機芯片爲例，其在不足指甲蓋大小的空間裡(lǐ)，包含了20億個晶體管結構，内部猶如一座超級城市。所以芯片被業界稱爲“集人類超精細加工技術之大成(chéng)”。
一個小小的芯片，是如何誕生的呢？在廣州市黃埔區中新知識城，有一家芯片制造企業——廣州粵芯半導體技術有限公司，擁有廣州第一條12英寸芯片生産線，也是廣東省及粵港澳大灣區目前唯一進(jìn)入量産的12英寸芯片生産平台。昨日，記者采訪了粵芯半導體市場及營銷副總裁李海明博士。
芯片制造“點沙成(chéng)金”五步走
1.打造地基——晶圓
矽是芯片最重要的基礎材料，是地球上第二豐富的資源，但更多以二氧化矽，也就是沙子的形态儲存在地球上。制造芯片，首先要從二氧化矽提煉出高純度的矽晶體，制成(chéng)矽錠，再切割成(chéng)薄脆的圓盤形狀，抛光後(hòu)形成(chéng)晶圓，這(zhè)相當于芯片的“地基”。
李海明說，12英寸晶圓是指晶圓的直徑爲12英寸，其他常見的晶圓尺寸，還(hái)有8英寸和6英寸。“晶圓尺寸越大，在同一個圓片上生産切割的芯片就越多，但同時對(duì)材料技術和生産技術的要求也會更高。目前粵芯半導體主要生産12英寸晶圓。”
芯片就是以晶圓爲“地基”，在上面(miàn)“建房子”，把所需的電路和器件“建”在矽片上。“比如說，我們可以在上面(miàn)沉積一層金屬薄膜，再把這(zhè)層薄膜刻出圖形，留下一個金屬連線的圖案，也就是我們需要的電路。而在這(zhè)層圖形上面(miàn)還(hái)可以再做另一層，每層之間還(hái)可以做出互聯。”中國(guó)科協首席科學(xué)傳播專家張宇識說。
2.光刻
由于芯片内的距離以納米爲單位，在這(zhè)麼(me)小的範圍内布一根根超細的電線是不現實的，所以芯片制造需要用到光刻工藝。
首先，在晶圓上塗一層特殊的光刻膠，再將(jiāng)包含數十億個電路元件的芯片藍圖制作成(chéng)掩膜，利用光的投影將(jiāng)縮小版的掩膜投影到晶圓的光刻膠膜上。光刻膠膜發(fā)生光化學(xué)反應，被光照的地方變得可溶于水，經(jīng)過(guò)顯影清洗後(hòu)留下的圖案與掩膜上一緻。再用特制的化學(xué)藥水蝕刻暴露出來的晶圓，蝕刻完成(chéng)後(hòu)，清除所有光刻膠，便得到縱橫交錯的電路溝槽。
3.摻雜
所謂摻雜，是通過(guò)離子注入，賦予矽晶體管的特性。爲了改變某些區域的導電性，覆蓋着光刻膠的晶圓經(jīng)過(guò)離子束（帶正電荷或負電荷的原子）轟擊後(hòu)，未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質（高速離子沖進(jìn)未被光刻膠覆蓋的矽的表面(miàn)），矽裡(lǐ)進(jìn)入了雜質，便會改變某些區域矽的導電性。
4.薄膜沉積
通過(guò)化學(xué)或者物理氣相金屬沉積，再重複光刻和蝕刻工藝，進(jìn)行金屬連接。一個正常運作的芯片需要連接數以百萬計的傳導線路，包含幾十層結構，每層結構的形成(chéng)，都(dōu)離不開(kāi)光刻和蝕刻。平面(miàn)上看，像密集交織的高速公路；立體上看，像是擁有許多房間、樓宇的“超級城市”。
5.封裝與測試
封裝環節，即把裸片放在一塊起(qǐ)到承載作用的基闆上，把管腳引出來，然後(hòu)固定包裝成(chéng)爲一個整體。封裝後(hòu)測試，即對(duì)已制造完成(chéng)的芯片進(jìn)行結構及電氣功能(néng)的确認，以保證芯片符合系統的需求。
國(guó)産芯片需要補哪些短闆
EDA、IP和設計服務
從上述制造工藝開(kāi)始看出，掩膜，即芯片藍圖的複雜程度，是決定芯片性能(néng)的關鍵。
其中，在芯片設計領域，有一家不得不提的“圖紙”提供商——英國(guó)ARM公司。它是全球領先的半導體知識産權（IP）提供商，全世界超過(guò)95%的智能(néng)手機和平闆電腦都(dōu)采用ARM架構，包括蘋果、華爲。
根據自身産品的性能(néng)需求，在“圖紙”上進(jìn)行進(jìn)一步改造，需要用到專門的設計軟件，統稱爲EDA軟件。在EDA軟件全球市場中，德國(guó)以及美國(guó)技術領先。EDA、IP和設計服務，是整個芯片産業的技術源頭，也是中國(guó)芯片産業結構中最爲薄弱的環節。
極紫外線光刻機
制造芯片需要大量精緻的光學(xué)技術、材料技術以及精密的加工技術。其中的高精度光刻機，更是整個芯片産業的命門之所在。目前，全球僅有極少數的光刻機設備廠商能(néng)夠研制出高端光刻機，而荷蘭的ASML則擁有全球晶圓廠光刻機設備高達八成(chéng)的市場份額。
該公司最先進(jìn)的EUV（極紫外線）光刻機已經(jīng)能(néng)夠制造7納米以下制程的芯片。在這(zhè)台光刻機中，每秒在真空環境中，從底部容器流出5萬滴融化的錫液，激光束照射每一滴液體産生等離子體，從而釋放出更短的波長(cháng)，産生極紫外線，通過(guò)超高精度的反射鏡引導光線。這(zhè)台光刻機也被稱爲現代工業的皇冠，是地球上最精密的儀器之一。
去年國(guó)産芯片産量達2018億塊
過(guò)去幾年，國(guó)産芯片産量大增。以2019年數據爲例，國(guó)産芯片産量達到2018億塊，同比增長(cháng)16%，不過(guò)在核心芯片方面(miàn)自給率仍然很低，不足3%。
“我們和國(guó)外領先企業相比，比如英特爾、三星，大概有2-3個世代以上的差異。”李海明坦言，目前粵芯50%以上的原材料晶圓是日本提供的，薄膜、刻蝕、擴散等生産設備的制造技術幾乎都(dōu)掌握在國(guó)外廠商手裡(lǐ)。
大灣區是芯片需求高地
廣東是中國(guó)主要的集成(chéng)電路元器件市場和重要的電子整機生産基地，占據60%以上的集成(chéng)電路市場需求。
“粵港澳大灣區最大的優勢是，在這(zhè)裡(lǐ)能(néng)找到不同等級的電子産品。從廣州到東莞再到深圳，這(zhè)一帶是中國(guó)重要的消費型電子産品制造發(fā)源地。珠江另一岸，從廣州到佛山、中山到珠海，這(zhè)一帶又是中國(guó)非常重要的大中型家電生産基地。所以，粵港澳大灣區是所有電子行業企業都(dōu)能(néng)夠找到貼近市場、又找到後(hòu)端應用資源的地方。”李海明說。
2018年底，廣州市出台《加快發(fā)展集成(chéng)電路産業的若幹措施》，明确將(jiāng)集成(chéng)電路作爲廣州市産業發(fā)展戰略重點。廣州擁有泰鬥微電子、潤芯、矽芯、新岸線、昂寶、安凱等一批集成(chéng)電路設計企業，以及興森快捷、安捷利、風華芯電、新星微電子等一批封裝測試企業，粵芯項目更是填補芯片制造空白。
粵芯半導體逆勢增資
疫情是否對(duì)粵芯的生産造成(chéng)影響？李海明表示，2020年第一季度，粵芯半導體在受到新冠肺炎疫情影響的情況下，超額完成(chéng)了預計生産出貨目标——首季産出高出預期25%。
今年2月，粵芯半導體二期項目成(chéng)功擴産簽約，新增投資65億元。粵芯半導體逆勢增資擴産爲發(fā)展按下“啓動鍵”的同時，也摁下“加速鍵”，朝着釋放産能(néng)、滿足粵港澳大灣區芯片市場需求的方向(xiàng)加速。