芯片制造到底有多難？真正的芯片制造過程十分復(fù)雜

今年4月中興事件引發(fā)了全民對國產(chǎn)芯片的關(guān)注。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2017年國內(nèi)集成電路進口額仍高達2601.4美元，進出口逆差更是達到了1932億美元。顯然，中國目前對于國外芯片的依賴程度依然很高。

芯片制造到底有多難？

芯片生產(chǎn)是一個點砂成金的過程，從砂子到晶圓再到芯片，價值密度直線飆升。真正的芯片制造過程十分復(fù)雜，下面我們?yōu)榇蠹液唵谓榻B一下。

晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱為晶圓。單單從晶圓到芯片，其價值就能翻12倍，2000塊錢一片的晶圓原料經(jīng)過加工后，出來的成品價值約2.5萬元，可以買一臺高性能的計算機了。

從熔融態(tài)Si中拉出晶圓并切片

獲得晶圓后，將感光材料均勻涂抹在晶圓上，利用光刻機將復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到感光材料上，被曝光的部分會溶解并被水沖掉，從而在晶圓表面暴露出復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，再使用刻蝕機將暴露出來的硅片的部分刻蝕掉。

晶圓片拋光后利用光刻機將設(shè)計好的電路轉(zhuǎn)印到晶圓上

在晶圓上刻蝕出來復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

接著，經(jīng)過離子注入等數(shù)百道復(fù)雜的工藝，這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)便擁有了特定的半導(dǎo)體特性，并能在幾平方厘米的范圍內(nèi)制造出數(shù)億個有特定功能的晶體管。

鍍銅后再切削掉表面多余的銅

再覆蓋上銅作為導(dǎo)線，就能將數(shù)以億計的晶體管連接起來。

經(jīng)過測試、晶片切割和封裝，就得到了我們見到的芯片

一塊晶圓經(jīng)過數(shù)個月的加工，在指甲蓋大小的空間中集成了數(shù)公里長的導(dǎo)線和數(shù)以億計的晶體管器件，經(jīng)過測試，品質(zhì)合格的晶片會被切割下來，剩下的部分會報廢掉。千挑萬選后，一塊真正的芯片就這么誕生了。

切割出合格晶片后報廢的晶圓

光刻機——芯片制造的卡脖子環(huán)節(jié)

制約集成電路技術(shù)發(fā)展的有四大要素：功耗、工藝、成本和設(shè)計復(fù)雜度，其中光刻機就是一個重中之重，核心技術(shù)中的核心。

一些裝備由于其巨大的制造難度被冠以“工業(yè)皇冠上的明珠”的稱號，最主流的說法是兩大裝備：航空發(fā)動機和光刻機，最先進的航空發(fā)動機目前的報價在千萬美元量級，但是最先進的光刻機目前的報價已經(jīng)過億美金。

芯片的集成程度取決于光刻機的精度，光刻機需要達到幾十納米甚至更高的圖像分辨率，光刻機的兩套核心系統(tǒng)——光學(xué)系統(tǒng)和對準(zhǔn)系統(tǒng)的精度越高，可以在硅片上刻的溝槽越細(xì)小，芯片的集成度越高、計算能力越強。

目前，世界上80%的光刻機市場被荷蘭ASML公司占據(jù)，而能夠進行7nm甚至5nm生產(chǎn)的EUV光刻機目前全球也只有ASML一家能夠供應(yīng)。再加上ASML的EUV光刻機成本高昂（ASML最高端的EUV光刻機NXE 3400B一臺售價約1.2億美元），而且產(chǎn)能非常有限，可謂是一機難求。

前面有提到2012年前后英特爾、臺積電、三星都對ASML進行了資助，并入股成為了其股東。ASML一共得到了13.8億歐元(17.22億美元)的研發(fā)資金，正好達到了最初的預(yù)期值，而通過出讓23％的股權(quán)換來了38.79億歐元(48.39億美元)，合計達到52.59億歐元(65.61億美元)。而英特爾、臺積電、三星之所以選擇資助和入股ASML其中一個原因就是為了推動其EUV光刻機的研發(fā)，并且控制供應(yīng)。

另外需要注意的是，由于《瓦森納協(xié)定》的存在，中國大陸引進國際先進的半導(dǎo)體設(shè)備是會受到限制的。

《瓦森納協(xié)定》又稱瓦森納安排機制，目前共有包括美國、日本、英國、俄羅斯等40個成員國。盡管“瓦森納安排”規(guī)定成員國自行決定是否發(fā)放敏感產(chǎn)品和技術(shù)的出口許可證，并在自愿基礎(chǔ)上向“安排”其他成員國通報有關(guān)信息。但“安排”實際上完全受美國控制。而中國大陸就在“被禁運”國家之列。

當(dāng)“瓦森納安排” 某一國家擬向中國出口某項高技術(shù)時，美國甚至直接出面干涉，如捷克擬向中國出口“無源雷達設(shè)備”時，美便向捷克施加壓力，迫使捷克停止這項交易。

事實上，對于中國半導(dǎo)體領(lǐng)域的禁運一直存在，英特爾、三星、臺積電2015年就能買到荷蘭ASML的10nm光刻機，而中國大陸的中芯國際2015年只能買到ASML 2010年生產(chǎn)的32nm光刻機，5年時間對半導(dǎo)體來說，已經(jīng)足夠讓市場更新?lián)Q代3次了。

雖然ASML曾否認(rèn)其會受到《瓦森納協(xié)定》的影響，而且今年中芯國際也成功訂購到了一臺EUV光刻機，但是最快也要等2019年年初才會交貨。也就是說等到2019年，中芯國際才能用上EUV光刻機進行一些試驗性研發(fā)。

按照中芯國際目前的進度，恐怕最快也要等到2020年底才可能量產(chǎn)10nm，而實際上更先進的7nm才會需要用到EUV。而且一臺EUV光刻機最多也只能做試產(chǎn)，根本沒法做量產(chǎn)。顯然，中芯國際要想用EUV量產(chǎn)7nm，就需要采購更多的EUV光刻機，而ASML后續(xù)能賣你幾臺還不知道，即使能夠繼續(xù)買，樂觀估計中芯國際7nm量產(chǎn)最快也要等到2022年了。而到那時，臺積電、三星的3nm可能都出來了！中國大陸的半導(dǎo)體制程與海外仍將保持近兩代的差距。

當(dāng)然，中國也有自己的光刻機產(chǎn)業(yè)，但是由于起步較晚且技術(shù)積累薄弱，與國外的差距仍是非常的巨大。

作為國內(nèi)光刻設(shè)備的龍頭企業(yè)，上海微電子裝備(SMEE)目前最先進的光刻設(shè)備也只能提供最高90mn的工藝技術(shù)。單從指標(biāo)上看，基本也和ASML的低端產(chǎn)品PAS5500系列屬于同一檔次。此外還有合肥芯碩半導(dǎo)體、無錫影速半導(dǎo)體等企業(yè)，目前也只能提供最高200mn的工藝技術(shù)。

不過，我們也不必過于悲觀。目前國家也在針對光刻機領(lǐng)域進行重點突破。中國16個重大專項中的02專項，就提出光刻機到2020年研發(fā)出22nm。2015年出45nm的并且65nm的產(chǎn)業(yè)化。45nm是目前主流的光刻機工藝，包括32nm的還有28nm基本都是在45nm的侵入深紫外光刻機上面改進升級來的。所以中國掌握45nm的很重要。45nm光刻機是一個很重要的臺階，達到這個水平后，在45nm光刻機上面進行物鏡和偏振光升級可以達到32nm。

另外，用于光刻機的固態(tài)深紫外光源也在研發(fā)，我國的光刻機研發(fā)是并行研發(fā)的，22nm光刻機用到的技術(shù)也在研發(fā)，用在45nm的升級上面。還有電子束直寫光刻機，納米壓印設(shè)備，極紫外光刻機技術(shù)也在研發(fā)。對光刻膠升級，對折射液升級，并且利用套刻方法可以達到22nm到14nm甚至10nm的水平。相應(yīng)的升級的用的光刻膠，第3代折射液等也在相應(yīng)的研發(fā)中。

而在目前最為先進的EUV技術(shù)方面，去年“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”國家科技重大專項“極紫外光刻關(guān)鍵技術(shù)研究”項目順利通過驗收。項目研究團隊歷經(jīng)八年的艱苦奮戰(zhàn)，突破了制約我國極紫外光刻發(fā)展的超高精度非球面加工與檢測、極紫外多層膜、投影物鏡系統(tǒng)集成測試等核心單元技術(shù)，成功研制了波像差優(yōu)于0.75nm RMS 的兩鏡EUV 光刻物鏡系統(tǒng)，構(gòu)建了EUV 光刻曝光裝置，國內(nèi)首次獲得EUV 投影光刻32nm 線寬的光刻膠曝光圖形。

當(dāng)然，從技術(shù)突破到真正的商用，到量產(chǎn)仍有很長的一段距離。但是，如果我們不想被卡脖子，就必須敢啃這塊硬骨頭。