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走進粵芯半導體 了解小芯片背後的大産業
2020-06-02 08:37:44 來源: 廣州日報
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記者帶你走進粵芯半導體 了解小芯片背後的大産業

  粵芯半導體園區航拍圖

  12英寸晶圓

  集成電路,又稱芯片,是絕大多數電子設備的核心組成部分,被譽為“工業糧食”。它不僅在智能手機、電視機、計算機、汽車等電子設備方面得到廣泛的應用,在軍事、通信、遙控等方面也不可或缺,對5G、人工智能、物聯網、自動駕駛等都是必不可少的基礎。

  然而,芯片制造又是世界上最為復雜的制造業。以採用了20納米工藝的蘋果A8手機芯片為例,其在不足指甲蓋大小的空間裏,包含了20億個晶體管結構,內部猶如一座超級城市。所以芯片被業界稱為“集人類超精細加工技術之大成”。

  一個小小的芯片,是如何誕生的呢?在廣州市黃埔區中新知識城,有一家芯片制造企業——廣州粵芯半導體技術有限公司,擁有廣州第一條12英寸芯片生産線,也是廣東省及粵港澳大灣區目前唯一進入量産的12英寸芯片生産平臺。昨日,記者採訪了粵芯半導體市場及營銷副總裁李海明博士。

  芯片制造“點沙成金”五步走

  1.打造地基——晶圓

  硅是芯片最重要的基礎材料,是地球上第二豐富的資源,但更多以二氧化硅,也就是沙子的形態儲存在地球上。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,拋光後形成晶圓,這相當于芯片的“地基”。

  李海明説,12英寸晶圓是指晶圓的直徑為12英寸,其他常見的晶圓尺寸,還有8英寸和6英寸。“晶圓尺寸越大,在同一個圓片上生産切割的芯片就越多,但同時對材料技術和生産技術的要求也會更高。目前粵芯半導體主要生産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。“比如説,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。”中國科協首席科學傳播專家張宇識説。

  2.光刻

  由于芯片內的距離以納米為單位,在這麼小的范圍內布一根根超細的電線是不現實的,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,再將包含數十億個電路元件的芯片藍圖制作成掩膜,利用光的投影將縮小版的掩膜投影到晶圓的光刻膠膜上。光刻膠膜發生光化學反應,被光照的地方變得可溶于水,經過顯影清洗後留下的圖案與掩膜上一致。再用特制的化學藥水蝕刻暴露出來的晶圓,蝕刻完成後,清除所有光刻膠,便得到縱橫交錯的電路溝槽。

  3.摻雜

  所謂摻雜,是通過離子注入,賦予硅晶體管的特性。為了改變某些區域的導電性,覆蓋著光刻膠的晶圓經過離子束(帶正電荷或負電荷的原子)轟擊後,未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質(高速離子衝進未被光刻膠覆蓋的硅的表面),硅裏進入了雜質,便會改變某些區域硅的導電性。

  4.薄膜沉積

  通過化學或者物理氣相金屬沉積,再重復光刻和蝕刻工藝,進行金屬連接。一個正常運作的芯片需要連接數以百萬計的傳導線路,包含幾十層結構,每層結構的形成,都離不開光刻和蝕刻。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“超級城市”。

  5.封裝與測試

  封裝環節,即把裸片放在一塊起到承載作用的基板上,把管腳引出來,然後固定包裝成為一個整體。封裝後測試,即對已制造完成的芯片進行結構及電氣功能的確認,以保證芯片符合係統的需求。

  國産芯片需要補哪些短板

  EDA、IP和設計服務

  從上述制造工藝開始看出,掩膜,即芯片藍圖的復雜程度,是決定芯片性能的關鍵。

  其中,在芯片設計領域,有一家不得不提的“圖紙”提供商——英國ARM公司。它是全球領先的半導體知識産權(IP)提供商,全世界超過95%的智能手機和平板電腦都採用ARM架構,包括蘋果、華為。

  根據自身産品的性能需求,在“圖紙”上進行進一步改造,需要用到專門的設計軟件,統稱為EDA軟件。在EDA軟件全球市場中,德國以及美國技術領先。EDA、IP和設計服務,是整個芯片産業的技術源頭,也是中國芯片産業結構中最為薄弱的環節。

  極紫外線光刻機

  制造芯片需要大量精致的光學技術、材料技術以及精密的加工技術。其中的高精度光刻機,更是整個芯片産業的命門之所在。目前,全球僅有極少數的光刻機設備廠商能夠研制出高端光刻機,而荷蘭的ASML則擁有全球晶圓廠光刻機設備高達八成的市場份額。

  該公司最先進的EUV(極紫外線)光刻機已經能夠制造7納米以下制程的芯片。在這臺光刻機中,每秒在真空環境中,從底部容器流出5萬滴融化的錫液,激光束照射每一滴液體産生等離子體,從而釋放出更短的波長,産生極紫外線,通過超高精度的反射鏡引導光線。這臺光刻機也被稱為現代工業的皇冠,是地球上最精密的儀器之一。

  去年國産芯片産量達2018億塊

  過去幾年,國産芯片産量大增。以2019年數據為例,國産芯片産量達到2018億塊,同比增長16%,不過在核心芯片方面自給率仍然很低,不足3%。

  “我們和國外領先企業相比,比如英特爾、三星,大概有2-3個世代以上的差異。”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、擴散等生産設備的制造技術幾乎都掌握在國外廠商手裏。

  大灣區是芯片需求高地

  廣東是中國主要的集成電路元器件市場和重要的電子整機生産基地,佔據60%以上的集成電路市場需求。

  “粵港澳大灣區最大的優勢是,在這裏能找到不同等級的電子産品。從廣州到東莞再到深圳,這一帶是中國重要的消費型電子産品制造發源地。珠江另一岸,從廣州到佛山、中山到珠海,這一帶又是中國非常重要的大中型家電生産基地。所以,粵港澳大灣區是所有電子行業企業都能夠找到貼近市場、又找到後端應用資源的地方。”李海明説。

  2018年底,廣州市出臺《加快發展集成電路産業的若幹措施》,明確將集成電路作為廣州市産業發展戰略重點。廣州擁有泰鬥微電子、潤芯、硅芯、新岸線、昂寶、安凱等一批集成電路設計企業,以及興森快捷、安捷利、風華芯電、新星微電子等一批封裝測試企業,粵芯項目更是填補芯片制造空白。

  粵芯半導體逆勢增資

  疫情是否對粵芯的生産造成影響?李海明表示,2020年第一季度,粵芯半導體在受到新冠肺炎疫情影響的情況下,超額完成了預計生産出貨目標——首季産出高出預期25%。

  今年2月,粵芯半導體二期項目成功擴産簽約,新增投資65億元。粵芯半導體逆勢增資擴産為發展按下“啟動鍵”的同時,也摁下“加速鍵”,朝著釋放産能、滿足粵港澳大灣區芯片市場需求的方向加速。文、圖/廣州日報全媒體記者方晴

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