你知道要制造一颗芯片有多难吗？

首先要让大家知识一个现状：半导体芯片进口花费 已接近原油两倍

海关总署公开信息显示，集成电路进口额从2015年起已连续三年超过原油，且二者进口差额每年都在950亿美元以上。其中，2017年中国集成电路进口量高达3770亿块，同比增长10.1%；进口额为2601亿美元(约合17561亿元)，同比增长14.6%。2017年中国货物进口额为12.46万亿元，也就是说集成电路进口额占中国总进口额的14.1%，而同期中国的原油进口总额仅约为1500亿美元。中国在半导体芯片进口上的花费已经接近原油的两倍。

芯片有几十种大门类 上千种小门类

芯片，是指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片组，是一系列相互关联的芯片组合。它们相互依赖，组合在一起能发挥更多作用，比如，计算机里的中央处理器(CPU)及手机中的射频、基带和通信基站里的模数转换器(ADC)等，就是由多个芯片组合在一起的更大的集成电路。而集成电路是非常精密的仪器，其单位为纳米。一纳米为十万分之一毫米。这就对设计、制造工艺都有非常严格、高标准的要求。

芯片的种类很多，芯谋研究首席分析师顾文军表示：“仅从产品种类来说，芯片的种类就有几十种大门类，上千种小门类；如果涉及设备流程的话就更多了。美国是整体式、全方位处于领先地位，而我们只是在某些领域里面有所突破，并且这些领域也并非核心、高端的领域，比如中国在存储器、CPU、FPG及高端的模拟芯片、功率芯片等领域，几乎是没有的。如果中国发力研发，在某些小的门类中可能会有所突破。”

一台通信基站内 有上百颗芯片

以运营商业务为例，通信基站设备是其最主要的产品之一，而在一台通信基站中就有上百颗芯片负责实现不同功能。“简单来说，基站发射并回收信号，收回信号后首先要有芯片滤波，稳定信号；然后还有芯片将这种特别小的信号放大；再有芯片进行解析、处理；然后是芯片负责传输、分发。基站核心跟电脑类似，可以实现各种功能，但它可以支持多个手机，因而速度更快，芯片更复杂。”上述人士表示。

其中，最典型的是ADC芯片，中国目前还无法生产出可替代产品。ADC芯片是模数转换芯片，负责将天线接收的连续的模拟信号转换为通话或上网的数字信号。目前ADC主要依赖亚德诺、德州仪器等公司供应。

从软件方面来说，EDA仿真软件是另一个典型。利用该软件，电子设计师才可以在电脑上设计芯片系统，大量工作可以利用计算机完成，并可以实现多个产品的结合试验等。如果没有EDA仿真软件，则需要人工进行设计、试验，耗费的人力、时间等成本不计其数。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有十几种，基本都来自于美国。

制造一颗芯片 需要5000道工序

芯片制造领域的专家介绍，一颗芯片的制造工艺非常复杂，一条生产线大约涉及50多个行业、2000-5000道工序。就拿代工厂来说，需要先将“砂子”提纯成硅，再切成晶圆，然后加工晶圆。晶圆加工厂包含前后两道工艺，前道工艺分几大模块——光刻、薄膜、刻蚀、清洗、注入；后道工艺主要是封装——互联、打线、密封。其中，光刻是制造和设计的纽带。

其中许多工艺都在独立的工厂进行，而使用的设备也需要专门的设备厂制造；使用的材料包括几百种特种气体、液体、靶材，都需要专门的化工工业。另外，集成电路的生产都是在超净间进行的，因此还需要排风和空气净化等系统。

有说法认为，集成电路是比航天还要高的高科技。该业内人士表示，这种说法也不无道理，“航天的可靠性估计也就4个9、5个9的样子(X个9表示在软件系统一年时间的使用过程中，系统可以正常使用时间与总时间之比)。现在硅晶圆材料的纯度就要6个9以上。”

芯片研制的流程

芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节，其中晶片制作过程尤为的复杂。首先是芯片设计，根据设计的需求，生成的“图样”。然后还得经过以下工艺方可将芯片制造出来。

1、 芯片的原料晶圆

晶圆的成分是硅，硅是由石英沙所精练出来的，晶圆便是硅元素加以纯化（99.999%），接着是将这些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄，生产的成本越低，但对工艺就要求的越高。

2、晶圆涂膜

晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力，其材料为光阻的一种。

3、晶圆光刻显影、蚀刻

该过程使用了对紫外光敏感的化学物质，即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂，使得其遇紫外光就会溶解。这时可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了，而这效果正是我们所要的。这样就得到我们所需要的二氧化硅层。

4、掺加杂质

将晶圆中植入离子，生成相应的P、N类半导体。

具体工艺是是从硅片上暴露的区域开始，放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式，使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层，但复杂的芯片通常有很多层，这时候将这一流程不断的重复，不同层可通过开启窗口联接起来。这一点类似多层PCB板的制作原理。 更为复杂的芯片可能需要多个二氧化硅层，这时候通过重复光刻以及上面流程来实现，形成一个立体的结构。

5、晶圆测试

振奋人心！芯片领域又传来两个好消息，国产芯片开始崛起

虽然最近短短几十年时间里，我国在科学技术领域里有了很大很大的突破与发展，在很多领域里甚至超过了发达国家。但遗憾的是，我国目前还无法自己制造出半导体芯片，因此芯片非常依赖于进口，每年在这方面的花费几千亿，甚至超过了石油。 如果把电子产品比作躯

经过上面的几道工艺之后，晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的，组织一次针测试模式是非常复杂的过程，这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。数量越大相对成本就会越低，这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。

6、封装

将制造完成晶圆固定，绑定引脚，按照需求去制作成各种不同的封装形式，这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如：DIP、QFP、PLCC、QFN等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。

7、测试、包装

经过上述工艺流程以后，芯片制作就已经全部完成了，这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品，以及包装。

全球芯片 几乎被美日欧垄断

根据前瞻研究院的报告显示，目前，全球芯片仍主要以美、日、欧企业产品为主，高端市场几乎被这三大主力地区垄断。在高端芯片领域，由于国内厂商尚未形成规模效应与集群效应，所以其生产仍以“代工”模式为主。

截至2015年年底的数据显示，全球共有94家先进的晶元制造厂商，其中17家在美国，71家在亚洲(中国有9家)，6家在欧洲。日本在上世纪80年代处于领先地位，但自90年代开始其全球半导体市场份额显著下降，至2015年仅有3家日本芯片制造商位列全球排名前二十——东芝、瑞萨电子和索尼。而与此同时，东亚其他国家已成为动态随机存取存储器市场的主要公司。韩国三星电子和海士力目前是世界第二和第三大半导体公司。

根据美国半导体产业协会(SIA)的最新统计数据显示，2017年1月至2月，中国和美国的芯片市场规模份额扩大，分别为33.10%和19.73%；日本和欧洲的芯片市场份额有所下降，分别为9.29%和9.12%。中国芯片市场是全球最大、增长最快的市场，但是对外依存度过高。

英特尔一直是世界上最大芯片制造商

自1993年1月以来，英特尔一直是世界上最大的芯片制造商。个人计算机所用的CPU处理器中，英特尔就占据了八成份额。人们耳熟能详的奔腾、赛扬、酷睿等处理器都来自英特尔。目前，英特尔的年营收率仍然在继续增长——无论是从PC、数据中心服务器，还是物联网芯片。

目前全球芯片制造有三种模式：

第一种是IDM (integrated device manufacturers)：主要玩家有因特尔，三星，SK海力士，镁光， 德州仪器等。他们自己设计芯片然后自己制造出来。

第二种是fabless (fab是fabrication的简写，fabless就是没有fabrication的意思).：主要玩家有华为，高通，苹果，英伟达，博通，AMD等等。他们只负责设计芯片，然后将设计好的版图交给代工厂 (就是最后一种foundry）去制造成芯片。

第三种是 foundry (代工厂).：主要玩家有台积电，Globalfoundries，联华电子，中芯国际。他们只负责将fabless的版图制造成芯片，不负责设计。

因此，从以上可以看出只有第一种和第三种是有真正的芯片制造能力的，其中有7nm制程的是三星和台积电。但其实intel的10nm和三星与台积电的7nm制程性能是差不多的。所以全球能做出高性能芯片的只有这三家。三星虽然是IDM，自己也提供代工服务，常年为苹果代工。中芯国际14nm制程刚投产，良率暂时还不足，要想追上台积电还需要一段时间。

这就是为什么大家在提到7nm芯片时，从不提华为高通苹果等等。因为他们都只负责设计完了画成图纸，你要愿意画成1nm也可以，就是没人能制造的出来，那也是没有意义的，能制造出来才是最厉害的。

这里提到7nm制程都是我们所说的CPU，GPU这样的芯片制造。其实还有一些别的公司也可以叫做IDM，他们可能是制造GaN上的射频芯片，MEMS传感器等等。和通用的CPU，GPU不是同一套制程甚至涉及其他材料。一般来说这些公司都被忽略掉了，其实很多都很厉害，垄断着一些市场没那么大的器件上。这个意义上讲长江存储应该和镁光一样，也是IDM。因为3D NAND是一套和逻辑芯片完全不同的制程，流程可以在网上找到，但是细节全是不能公开的内部机密。

多说一句，打磨制程是耗时耗力耗钱的过程，不是有了好的仪器就可以了。

foundry就是研究制作流程和调节每一步的具体细节，而不管仪器的制造。就算如此，（我觉得）它也算是整个半导体行业中最烧钱的部分了。

制作芯片步骤包括但不限于：化学机械抛光，渗透，离子注入，热氧化，光刻，干刻蚀，湿刻蚀，蒸镀，溅射，化学气相沉积，退火。优化流程就像，你要是做一个20nm宽的沟道，你可以直接光刻一个20nm的。你要是想做一个衍射极限之下的宽度，就得想点办法了，这里有一些非常有想象力的骚操作，但是结果是这一层的形状有要求，fabless在设计的时候只有遵循这些形状的要求，不然做不出来，这些被称为production rule。有一些流程也可以多种选择，比如像在硅上长二氧化硅，可以用热氧化的方法直接把表面氧化成热氧化硅，也可以用CVD或者蒸镀来长。如果就长一层，那大家就用热氧化了，那样的SiO2质量最好。如果像3D NAND那样64层甚至128层，大家就会选择用CVD来长一层Si一层SiO2。现在MOSFET中的栅极绝缘层都用HfO2，那就只能ALD之类的方法长了。工艺的打磨是特别烧钱的，像AMD就曾经是IDM，后来烧不动钱了，就把整个fab砍掉了，变成了一个fabless，那个被砍掉的部门就发展成了后来的globalfoundries。

有了工艺，上面的每一步都对应一种仪器。仪器的提供商是另一些公司，主要有应用材料，东晶电子，Lam，ASML(只提供光刻机)，KLA-tencor(主要提供检测设备)，中微半导体(可以提供干刻蚀所学的等离子体刻蚀机)。

仪器中要用到的高纯度材料和化学品又由另一些化工材料的公司提供，包括化学机械抛光的抛光液和研磨垫，光刻胶，光刻胶显影液，干刻蚀所用的气体，化学气相沉积所用气体，溅射和蒸镀的靶材。电子级的靶材主要集中在美日，光刻胶，抛光液和研磨垫主要是一些巴斯夫，陶氏之类的公司提供。最后是由专业的封装厂封装好，一颗芯片才能完工。

综述：尽管我国的芯片技术与欧美等顶尖技术还有差距，这个必须清醒认识到，目前而言，我国的芯片产业发展迅速，与国家的重视密不可分。但是由于芯片是属于产业链上端的，缺顶层人才和技术积累，这个方面还需要继续努力，尤其是顶尖芯片研发人员，培养的同时不断完善薪资体制，让更多优秀人才在中国实现“芯片梦”。