捡尸神器走进粤芯半导体 了解小芯片背后的大产业

记者带你走进粤芯半导体 了解小芯片背后的大产业

　　粤芯半导体园区航拍图

　　12英寸晶圆

　　集成电路，又称芯片，是绝大多数电子设备的核心组成部分，被誉为“工业粮食”。它不仅在智能手机、电视机、计算机、汽车等电子设备方面得到广泛的应用，在军事、通信、遥控等方面也不可或缺，对5G、人工智能、物联网、自动驾驶等都是必不可少的基础。

　　然而，芯片制造又是世界上最为复杂的制造业。以采用了20纳米工艺的苹果A8手机芯片为例，其在不足指甲盖大小的空间里，包含了20亿个晶体管结构，内部犹如一座超级城市。所以芯片被业界称为“集人类超精细加工技术之大成”。

　　一个小小的芯片，是如何诞生的呢？在广州市黄埔区中新知识城，有一家芯片制造企业——广州粤芯半导体技术有限公司，拥有广州第一条12英寸芯片生产线，也是广东省及粤港澳大湾区目前唯一进入量产的12英寸芯片生产平台。昨日，记者采访了粤芯半导体市场及营销副总裁李海明博士。

　　芯片制造“点沙成金”五步走

　　1.打造地基——晶圆

　　硅是芯片最重要的基础材料，是地球上第二丰富的资源，但更多以二氧化硅，也就是沙子的形态储存在地球上。制造芯片，首先要从二氧化硅提炼出高纯度的硅晶体，制成硅锭，再切割成薄脆的圆盘形状，抛光后形成晶圆，这相当于芯片的“地基”。

　　李海明说，12英寸晶圆是指晶圆的直径为12英寸，其他常见的晶圆尺寸，还有8英寸和6英寸。“晶圆尺寸越大，在同一个圆片上生产切割的芯片就越多，但同时对材料技术和生产技术的要求也会更高。目前粤芯半导体主要生产12英寸晶圆。”

　　芯片就是以晶圆为“地基”，在上面“建房子”，把所需的电路和器件“建”在硅片上。“比如说，我们可以在上面沉积一层金属薄膜，再把这层薄膜刻出图形，留下一个金属连线的图案，也就是我们需要的电路。而在这层图形上面还可以再做另一层，每层之间还可以做出互联。”中国科协首席科学传播专家张宇识说。

　　2.光刻

　　由于芯片内的距离以纳米为单位，在这么小的范围内布一根根超细的电线是不现实的，所以芯片制造需要用到光刻工艺。

　　首先，在晶圆上涂一层特殊的光刻胶，再将包含数十亿个电路元件的芯片蓝图制作成掩膜，利用光的投影将缩小版的掩膜投影到晶圆的光刻胶膜上。光刻胶膜发生光化学反应，被光照的地方变得可溶于水，经过显影清洗后留下的图案与掩膜上一致。再用特制的化学药水蚀刻暴露出来的晶圆，蚀刻完成后，清除所有光刻胶，便得到纵横交错的电路沟槽。

　　3.掺杂

　　所谓掺杂，是通过离子注入，赋予硅晶体管的特性。为了改变某些区域的导电性，覆盖着光刻胶的晶圆经过离子束（带正电荷或负电荷的原子）轰击后，未被光刻胶覆盖的部分嵌入了杂质（高速离子冲进未被光刻胶覆盖的硅的表面），硅里进入了杂质，便会改变某些区域硅的导电性。

　　4.薄膜沉积

　　通过化学或者物理气相金属沉积，再重复光刻和蚀刻工艺，进行金属连接。一个正常运作的芯片需要连接数以百万计的传导线路，包含几十层结构，每层结构的形成，都离不开光刻和蚀刻。平面上看，像密集交织的高速公路；立体上看，像是拥有许多房间、楼宇的“超级城市”。

　　5.封装与测试

　　封装环节，即把裸片放在一块起到承载作用的基板上，把管脚引出来，然后固定包装成为一个整体。封装后测试，即对已制造完成的芯片进行结构及电气功能的确认，以保证芯片符合系统的需求。

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　　EDA、IP和设计服务

　　从上述制造工艺开始看出，掩膜，即芯片蓝图的复杂程度，是决定芯片性能的关键。

　　其中，在芯片设计领域，有一家不得不提的“图纸”提供商——英国ARM公司。它是全球领先的半导体知识产权（IP）提供商，全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构，包括苹果、华为。

　　根据自身产品的性能需求，在“图纸”上进行进一步改造，需要用到专门的设计软件，统称为EDA软件。在EDA软件全球市场中，德国以及美国技术领先。EDA、IP和设计服务，是整个芯片产业的技术源头，也是中国芯片产业结构中最为薄弱的环节。

　　极紫外线光刻机