芯片的制造难点及应用

电子科技大学 格拉斯哥学院 2017级 周沁心

摘要

美国商务部2018年4月16日宣布，今后7年内，将禁止该国企业向中国电信设备制造商中兴通讯出售任何电子技术或通讯元件。这一事件在舆论场上引发广泛地讨论，中国通信领域核心技术的缺失的问题，又一次赤裸裸地摆在人们面前，其中最紧迫的当属芯片技术。

小到家用电器，大到汽车，飞机的运行，芯片是一切工业制品的核心。芯片无处不在。

芯片也是当今社会我们已经离不开一样东西——手机的重要组成部分，其中的CPU就是一块芯片，它体积小、性能高。更薄和更小时人们对手机性能不变的期待，这就是为什么苹果不断地追求更薄更轻的产品，也是为什么芯片在电子控制系统中有着举足轻重的地位。在中国，电子控制系统核心的芯片，80%以上都需要进口，没有了它们我们的科技技术发展将受到严重限制。在美国限制对中国芯片出口的今天，我们需要制造出属于自己的芯片。

本文将介绍芯片的构造和作用并阐述中国芯片技术与国际顶尖水平的差距及芯片制造对应的的难点。

芯片是什么

芯片实际上是一片载有集成电路的一个半导体元件。

集成电路（英语：integrated circuit，缩写作 IC；德语：integrierter Schaltkreis），或称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、晶片/芯片（chip）在电子学中是一种把电路（主要包括半导体设备，也包括被动组件等）小型化的方式，并时常制造在半导体晶圆表面上。

集成电路对于离散晶体管有两个主要优势：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的组件通过照相平版技术，作为一个单位印刷，而不是在一个时间只制作一个晶体管。性能高是由于组件快速开关，消耗更低能量，因为组件很小且彼此靠近。2006年，芯片面积从几平方毫米到350 mm²，每mm²可以达到一百万个晶体管。

集成电路的分类方法很多，依照电路属模拟或数字，可以分为：模拟集成电路、数字集成电路和混合信号集成电路（模拟和数字在一个芯片上）。

数字集成电路可以包含任何东西，在几平方毫米上有从几千到百万的逻辑门、触发器、多任务器和其他电路。这些电路的小尺寸使得与板级集成相比，有更高速度，更低功耗（参见低功耗设计）并降低了制造成本。这些数字IC，以微处理器、数字信号处理器和微控制器为代表，工作中使用二进制，处理1和0信号。

模拟集成电路有，例如传感器、电源控制电路和运放，处理模拟信号。完成放大、滤波、解调、混频的功能等。

芯片制造流程

中国科学院西安光机所副研究员、中科创星创始合伙人米磊介绍，芯片核心产业链流程可以简单描述为设计—制造—封装。

其中有三个关键步骤：第一，提炼高纯度二氧化硅，做成比纸还薄的晶圆；第二，在晶圆上用激光刻出数十亿条线路，铺满几亿个二极管和三极管；第三，把每片晶圆切割封装好。

芯片的制造难点在哪里

要做出单晶的晶圆，就要对原料硅进行纯化和拉晶。拉晶过程中，要用到单晶硅生产炉、切片机、倒角机等多种设备和材料，其中90%需要进口。

指甲盖大小的芯片，密布千万电线，纹丝不乱，需要极端精准的照相机——光刻机。光刻机精度，决定了芯片的上限。高精度光刻机产自ASML、尼康和佳能三家；顶级光刻机由ASML垄断。

光刻机跟照相机差不多，它的底片，是涂满光敏胶的硅片。电路图案经光刻机，缩微投射到底片，蚀刻掉一部分胶，露出硅面做化学处理。制造芯片，要重复几十遍这个过程。

位于光刻机中心的镜头，由20多块锅底大的镜片串联组成。镜片得高纯度透光材料+高质量抛光。SMEE光刻机使用的镜片，得数万美元一块。

ASML的镜片是蔡司技术打底。镜片材质做到均匀，需几十年到上百年技术积淀。

如何将系统的误差分配到子系统，设计有高下之分。但顶级光刻机也需要细节上的技术洁癖。所以即使有完整图纸也很难制造出等同质量的芯片。没一根光纤，一行软件编码，一个小动作，都需要一丝不苟地完成。

中外芯片制造差距有多大

当前国际上可达到的芯片量产精度为10纳米，我国能达到的精度为28纳米，还差两代。而且，关键原材料和设备还都是进口。
根据一份分析报告，在计算机系统、通用电子系统、通信设备、内存设备和显示及视频系统中的多个领域中，我国国产芯片占有率为0%。
而发展光刻机，需要高素质的人群。所以我们最需要的是培养人，改变人。这需要用五十年一百年的长远眼光去做事情，而不是期望几个月解决问题。

结题

中国芯片技术追赶国际顶尖水平任重道远，其民用价值无处不在，现在只有发展自己的集成电路才能满足当今社会对其需求，实现电子技术的持续进步。

附：此文为本人在电子科技大学格拉斯哥学院2017年杨涛副教授主讲的新生研讨会后，整理相关资料所得，并提出了自己的一些不成熟的见解。不足之处欢迎大家的意见和建议，如有谬误也诚恳地希望读者批评指正。

杨涛副教授个人主页：http://faculty.uestc.edu.cn/yangtao2/zh_CN/index.htm

参考网址：https://baike.baidu.com/item/芯片/32249

https://www.guancha.cn/industry-science/2018_04_19_454197.shtml

https://www.guancha.cn/industry-science/2018_04_20_454325.shtml