粵芯半導(dǎo)體園區(qū)航拍圖
12英寸晶圓
集成電路，又稱芯片，是絕大多數(shù)電子設(shè)備的核心組成部分，被譽(yù)為“工業(yè)糧食”。它不僅在智能手機(jī)、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、汽車等電子設(shè)備方面得到廣泛的應(yīng)用，在軍事、通信、遙控等方面也不可或缺，對(duì)5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等都是必不可少的基礎(chǔ)。
然而，芯片制造又是世界上最為復(fù)雜的制造業(yè)。以采用了20納米工藝的蘋果A8手機(jī)芯片為例，其在不足指甲蓋大小的空間里，包含了20億個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部猶如一座超級(jí)城市。所以芯片被業(yè)界稱為“集人類超精細(xì)加工技術(shù)之大成”。
一個(gè)小小的芯片，是如何誕生的呢?在廣州市黃埔區(qū)中新知識(shí)城，有一家芯片制造企業(yè)——廣州粵芯半導(dǎo)體技術(shù)有限公司，擁有廣州第一條12英寸芯片生產(chǎn)線，也是廣東省及粵港澳大灣區(qū)目前唯一進(jìn)入量產(chǎn)的12英寸芯片生產(chǎn)平臺(tái)。昨日，記者采訪了粵芯半導(dǎo)體市場(chǎng)及營(yíng)銷副總裁李海明博士。
芯片制造“點(diǎn)沙成金”五步走
1.打造地基——晶圓
硅是芯片最重要的基礎(chǔ)材料，是地球上第二豐富的資源，但更多以二氧化硅，也就是沙子的形態(tài)儲(chǔ)存在地球上。制造芯片，首先要從二氧化硅提煉出高純度的硅晶體，制成硅錠，再切割成薄脆的圓盤形狀，拋光后形成晶圓，這相當(dāng)于芯片的“地基”。
李海明說(shuō)，12英寸晶圓是指晶圓的直徑為12英寸，其他常見(jiàn)的晶圓尺寸，還有8英寸和6英寸。“晶圓尺寸越大，在同一個(gè)圓片上生產(chǎn)切割的芯片就越多，但同時(shí)對(duì)材料技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的要求也會(huì)更高。目前粵芯半導(dǎo)體主要生產(chǎn)12英寸晶圓。”
芯片就是以晶圓為“地基”，在上面“建房子”，把所需的電路和器件“建”在硅片上。“比如說(shuō)，我們可以在上面沉積一層金屬薄膜，再把這層薄膜刻出圖形，留下一個(gè)金屬連線的圖案，也就是我們需要的電路。而在這層圖形上面還可以再做另一層，每層之間還可以做出互聯(lián)。”中國(guó)科協(xié)首席科學(xué)傳播專家張宇識(shí)說(shuō)。
2.光刻
由于芯片內(nèi)的距離以納米為單位，在這么小的范圍內(nèi)布一根根超細(xì)的電線是不現(xiàn)實(shí)的，所以芯片制造需要用到光刻工藝。
首先，在晶圓上涂一層特殊的光刻膠，再將包含數(shù)十億個(gè)電路元件的芯片藍(lán)圖制作成掩膜，利用光的投影將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(yīng)，被光照的地方變得可溶于水，經(jīng)過(guò)顯影清洗后留下的圖案與掩膜上一致。再用特制的化學(xué)藥水蝕刻暴露出來(lái)的晶圓，蝕刻完成后，清除所有光刻膠，便得到縱橫交錯(cuò)的電路溝槽。
3.摻雜
所謂摻雜，是通過(guò)離子注入，賦予硅晶體管的特性。為了改變某些區(qū)域的導(dǎo)電性，覆蓋著光刻膠的晶圓經(jīng)過(guò)離子束(帶正電荷或負(fù)電荷的原子)轟擊后，未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質(zhì)(高速離子沖進(jìn)未被光刻膠覆蓋的硅的表面)，硅里進(jìn)入了雜質(zhì)，便會(huì)改變某些區(qū)域硅的導(dǎo)電性。
4.薄膜沉積
通過(guò)化學(xué)或者物理氣相金屬沉積，再重復(fù)光刻和蝕刻工藝，進(jìn)行金屬連接。一個(gè)正常運(yùn)作的芯片需要連接數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的傳導(dǎo)線路，包含幾十層結(jié)構(gòu)，每層結(jié)構(gòu)的形成，都離不開(kāi)光刻和蝕刻。平面上看，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(jí)城市”。
5.封裝與測(cè)試
封裝環(huán)節(jié)，即把裸片放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來(lái)，然后固定包裝成為一個(gè)整體。封裝后測(cè)試，即對(duì)已制造完成的芯片進(jìn)行結(jié)構(gòu)及電氣功能的確認(rèn)，以保證芯片符合系統(tǒng)的需求。
國(guó)產(chǎn)芯片需要補(bǔ)哪些短板
EDA、IP和設(shè)計(jì)服務(wù)
從上述制造工藝開(kāi)始看出，掩膜，即芯片藍(lán)圖的復(fù)雜程度，是決定芯片性能的關(guān)鍵。
其中，在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)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(lǐng)先的半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)提供商，全世界超過(guò)95%的智能手機(jī)和平板電腦都采用ARM架構(gòu)，包括蘋果、華為。
根據(jù)自身產(chǎn)品的性能需求，在“圖紙”上進(jìn)行進(jìn)一步改造，需要用到專門的設(shè)計(jì)軟件，統(tǒng)稱為EDA軟件。在EDA軟件全球市場(chǎng)中，德國(guó)以及美國(guó)技術(shù)領(lǐng)先。EDA、IP和設(shè)計(jì)服務(wù)，是整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)源頭，也是中國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中最為薄弱的環(huán)節(jié)。
極紫外線光刻機(jī)
制造芯片需要大量精致的光學(xué)技術(shù)、材料技術(shù)以及精密的加工技術(shù)。其中的高精度光刻機(jī)，更是整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)的命門之所在。目前，全球僅有極少數(shù)的光刻機(jī)設(shè)備廠商能夠研制出高端光刻機(jī)，而荷蘭的ASML則擁有全球晶圓廠光刻機(jī)設(shè)備高達(dá)八成的市場(chǎng)份額。
該公司最先進(jìn)的EUV(極紫外線)光刻機(jī)已經(jīng)能夠制造7納米以下制程的芯片。在這臺(tái)光刻機(jī)中，每秒在真空環(huán)境中，從底部容器流出5萬(wàn)滴融化的錫液，激光束照射每一滴液體產(chǎn)生等離子體，從而釋放出更短的波長(zhǎng)，產(chǎn)生極紫外線，通過(guò)超高精度的反射鏡引導(dǎo)光線。這臺(tái)光刻機(jī)也被稱為現(xiàn)代工業(yè)的皇冠，是地球上最精密的儀器之一。
去年國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)量達(dá)2018億塊
過(guò)去幾年，國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)量大增。以2019年數(shù)據(jù)為例，國(guó)產(chǎn)芯片產(chǎn)量達(dá)到2018億塊，同比增長(zhǎng)16%，不過(guò)在核心芯片方面自給率仍然很低，不足3%。
“我們和國(guó)外領(lǐng)先企業(yè)相比，比如英特爾、三星，大概有2-3個(gè)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(kuò)散等生產(chǎn)設(shè)備的制造技術(shù)幾乎都掌握在國(guó)外廠商手里。
大灣區(qū)是芯片需求高地
廣東是中國(guó)主要的集成電路元器件市場(chǎng)和重要的電子整機(jī)生產(chǎn)基地，占據(jù)60%以上的集成電路市場(chǎng)需求。
“粵港澳大灣區(qū)最大的優(yōu)勢(shì)是，在這里能找到不同等級(jí)的電子產(chǎn)品。從廣州到東莞再到深圳，這一帶是中國(guó)重要的消費(fèi)型電子產(chǎn)品制造發(fā)源地。珠江另一岸，從廣州到佛山、中山到珠海，這一帶又是中國(guó)非常重要的大中型家電生產(chǎn)基地。所以，粵港澳大灣區(qū)是所有電子行業(yè)企業(yè)都能夠找到貼近市場(chǎng)、又找到后端應(yīng)用資源的地方。”李海明說(shuō)。
2018年底，廣州市出臺(tái)《加快發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的若干措施》，明確將集成電路作為廣州市產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)。廣州擁有泰斗微電子、潤(rùn)芯、硅芯、新岸線、昂寶、安凱等一批集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)，以及興森快捷、安捷利、風(fēng)華芯電、新星微電子等一批封裝測(cè)試企業(yè)，粵芯項(xiàng)目更是填補(bǔ)芯片制造空白。
粵芯半導(dǎo)體逆勢(shì)增資
疫情是否對(duì)粵芯的生產(chǎn)造成影響?李海明表示，2020年第一季度，粵芯半導(dǎo)體在受到新冠肺炎疫情影響的情況下，超額完成了預(yù)計(jì)生產(chǎn)出貨目標(biāo)——首季產(chǎn)出高出預(yù)期25%。
今年2月，粵芯半導(dǎo)體二期項(xiàng)目成功擴(kuò)產(chǎn)簽約，新增投資65億元?；浶景雽?dǎo)體逆勢(shì)增資擴(kuò)產(chǎn)為發(fā)展按下“啟動(dòng)鍵”的同時(shí)，也摁下“加速鍵”，朝著釋放產(chǎn)能、滿足粵港澳大灣區(qū)芯片市場(chǎng)需求的方向加速。(文、圖/廣州日?qǐng)?bào)全媒體記者方晴)
