难住中国的芯片,是怎么从沙子中一步步炼成的?



发表时间:2018-04-28  投稿人:余瑛   部门:行政        编辑:    点击量:749  

          最近中兴接到美国禁售令的消息,牵动了全中国人民的心。要知道虽然全世界50%以上的彩电、70%以上的智能手机都在中国制造,但其中的芯片90%都依赖于进口。这个数字带来的担忧,终于随着美国公司将停止向中兴公司销售零部件、软件和技术而达到了顶峰。尴尬的是,中兴绝大部分业务都需要大量使用CPUGPUFPGA等各种芯片,而这些芯片几乎都来自英特尔等美国公司。简单的说,禁令一出,世界第四大通信公司瞬间被釜底抽薪。  

      所以说,这个难倒中兴、甚至是中国的「芯片」,到底是怎么制造出来的?先来了解一下,芯片是内含集成电路的硅片、半导体元件产品的统称,大致可以分为两类,功能芯片(例如CPU)与存储芯片(如电脑中的闪存)。
      别看芯片的体积小,但制造难度非常大,其制作过程不亚于在指甲盖上建造一座城市。我们一般看到的芯片是这样的:
      但是在显微镜下,如同街道星罗棋布,无数的细节令人惊叹不已。
      想要制造这样高精密度的东西,第一个也是最难的一个环节,就是设计电路图。即使对于芯片大厂们来说,每张电路图的设计也都需要来自全球专家的合力:明确该芯片的需求目的,制定规格,在电脑中完成细节设计。
      有了设计蓝图之后要进行生产,而这个过程就像是盖大楼,只不过其步骤之繁琐与苛刻堪比艺术品。盖楼的第一步是自然是打造地基,而芯片的地基名为「硅晶圆」。无论电路图被设计成什么样,最终都要叠加到它的身上。
 令人想不到的是,一块芯片的诞生,竟然是从一片沙子开始的。因为想要得到硅晶圆,需要先通过高温从沙子中提炼硅元素。
     炼制出的这个套套状物体名为单晶硅棒,硅纯度高达99.9999%。接下来对其进行切片,做成硅晶圆。一般来说根据用途,会切成0.51.5毫米的厚度。
      
而从硅晶圆到芯片,还需要经历数以百计的生产步骤。首先是光刻,也就是在硅晶圆上刻出图案。而进行光刻前,要给晶圆涂抹「防晒霜」:第一层是氧化硅,第二层是氮化硅,最后一层是光刻胶。
紫外线会透过「掩膜版」照射到硅晶圆,被射的地方变的可溶解,其它地方则会保留原样。
用显影液冲洗之后,可以看到图案被雕刻了出来。
接着就是蚀刻与离子注入部分,它们相当于对地基进行装修并加入功能区,让整个晶体管具备流通信息的能力。首先要腐蚀掉暴露在光刻胶外的氧化硅+氮化硅,并沉淀一层二氧化硅,使晶体管之间绝缘,然后利用蚀刻技术使最底层的硅暴露出来。
为了能让它们能够导电,需要进行一个离子注入的过程,以此改变该区域硅的导电性。在此之前要再涂一次光刻胶,这次是为了在注入离子时,保护二氧化硅不受影响。接着开始注入离子,并形成注入层。离子注入完成后,光刻胶的使命就完成了。
离子掺杂进去之后,形成了具有单向导电性的PN节,再制作出用于开、关晶体管的栅极后,一个晶体管的基础结构就基本完成了:
  
接下来开始收尾工作,利用蚀刻技术在绝缘体上层开出三个孔,然后插入一层铜,并将铜离子沉淀到晶体管上,便于晶体管互相之间的连接,再来一次抛光,让三个孔暴露出来。
最后开始组合晶体管,这样的晶体管在一颗芯片中有上千万个,他们之间的连接线如同铺设立交桥一般层层叠加。
看似平滑的表面,其实放置了20多层复杂的电路。
经过这些流程,我们就得到了布满芯片的硅晶圆。测试合格后则可以开始切割硅晶圆,并对其进行封装。
即使我们已经对芯片制作过程进行了大幅简化,大家也能看出每一颗指甲盖大小的芯片中,其实包含了难以计数的元件,涉及前沿核心技术,工艺复杂而又精妙。
而且芯片的制造对工艺要求极高,不仅需要几个足球场那么大的无尘室,而且环境要比手术室还要干净十万倍。
而中国也正是一直被此技术封锁着。就拿芯片制造的核心设备之一「光刻机」来说,业界翘楚是荷兰的ASML,其设备拥有全球接近8成的市场份额,问题是,我们有钱也买不到他们最先进的产品。
甚至,我们在研发芯片技术时,连一些特殊原料的包装桶都需要依赖进口。
对此,中国只能无奈的走上老路,那就是没有又买不到的东西,只能自己开始学着造。很多中国学者和企业家们,开始从各个细节入手,提升我们的研发和制造能力。海归创业的化学博士王淑敏,研究的是化学机械抛光研磨液,其功能是帮助机器打磨晶圆,将多余的导线去除掉。
2005年王淑敏开始做测试,在2007年就打破了这一细分领域中国外垄断的状况,并帮助很多客户将成本降低百分之十几,甚至百分之六十。
超高纯金属材料制造的溅射靶材是半导体芯片制造中不可缺少的材料,能够生产的公司全球只有四家,其中之一就在中国,创办者是毕业于中国哈尔滨工业大学的姚力军博士。
全球280家芯片公司,有270家采用了他生产的超纯钛靶材,打破了日本大阪钛业和美国霍尼韦尔的垄断,结束了我国长期依赖从日本进口相关材料的历史。
此外还有早已名震美国,在硅谷Intel公司、LAM研究所、应用材料公司等供职16年,位居美国应用材料总公司副总裁的尹志尧,他被称为硅谷最成功的华人之一,然而2004年,60岁的他毅然放弃一切,选择回国创业。
因为技术保护的原因,回国前尹志尧清空了团队电脑中的所有资料,相当于一切从零开始。而他们仅用了3年时间,就为中国填补了等离子体刻蚀机的空白。接着在2012年,用于32纳米至28纳米芯片加工的第二代等离子体刻蚀设备已具备国际竞争力,迫使美国在2015年放弃了对中国等离子刻蚀机的控制封锁。
同时他们的MOCVD设备也打破了美国和德国的垄断,而且性能上还有所提升。MOCVD设备的作用关系到我们生活的方方面面,LED灯我们都知道,而它的照明芯片只能用这种设备制造。打破垄断后也直接促进LED相关设备开始向「白菜价」进发,累计降幅达到50%
当然,这些进步目前还完全不足以弥补中国和国外先进技术上的差距,我们的科研人员任重道远,需要追赶的路还太长。但正如中科大的袁岚峰博士所说:芯片,可以当做是中国单挑世界BOSS的最后关卡之一。其实封锁这种套路对中国来说并不新鲜,同时我们也已经不断突破,开始向最终的几项垄断技术发出挑战。

 

 

 

 


 

 

 

 

 


 

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