芯片生产制造为何那么难

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芯片,指的是内含集成电路的硅片,所以芯片又被称集成电路,可能只有2.5厘米见方大小,但是却包含几千万个晶体管,而较简单的处理器可能在几毫米见方的芯片上刻有几千个晶体管。芯片是电子设备中最重要的部分,承担着运算和存储的功能。芯片生产和制造极其复杂。

芯片生产制造为何那么难

一颗芯片的诞生,可以分为设计与生产制造两个环节。芯片生产制造的过程就如同用乐高盖房子一样,先有晶圆作为地基,再层层往上叠,完成自己期望的造型(也就是各式芯片)。知晓芯片制造流程后,就可产出想要的IC芯片?No,没有设计图,拥有再强大的制造能力也无济于事。

芯片生产制造工艺流程

芯片制造工艺复杂

芯片的制造工艺复杂非常,一条芯片生产线大约涉及50多个行业、2000-5000道工序。就拿代工厂来说,需要先将“砂子”提纯成硅,再切成晶元,然后加工晶元。晶元加工厂包含前后两道工艺,前道工艺分几大模块——光刻、薄膜、刻蚀、清洗、注入;后道工艺主要是封装——互联、打线、密封。其中,光刻是芯片生产制造和设计的纽带。

其中许多芯片生产加工工艺都在独立的工厂进行,而使用的设备也需要专门的设备厂制造;使用的材料包括几百种特种气体、液体、靶材,都需要专门的化工工业。另外,集成电路的生产都是在超净间进行的,因此还需要排风和空气净化等系统。

有说法认为,集成电路是比航天还要高的高科技。该业内人士表示,这种说法也不无道理,“航天的可靠性估计也就4个9、5个9的样子(X个9表示在软件系统一年时间的使用过程中,系统可以正常使用时间与总时间之比)。现在硅晶圆材料的纯度就要6个9以上。”

美、日、荷垄断芯片生产设备

半导体设备技术壁垒较高,行业呈现高集中度特点,国际前十大半导体设备厂占据绝对市场优势,主要集中于美国,日本及荷兰,而国内厂商处于起步阶段,产业相对薄弱。由于技术和资金上的壁垒制约,使得国内半导体设备国产化率偏低,产能远不能满足自身需求,且国内企业生产的设备以中低端为主。

比如,荷兰ASML在全球半导体光刻机设备领域市场占比超过80%,其生产的TWINSCAN系列是目前世界上精度最高、生产效率最高、应用最广泛的高端光刻机,被全球各大半导体厂商所采用。

我国芯片生产制造水平

大体而言,目前我国的芯片产业,芯片设计水平与国际基本相当,封装技术水平有4至5年差距,而芯片生产制造工艺差距在3年半左右。其次,芯片行业本身具有高投入、长期发展、回报周期长的特征,普通芯片制造企业的投资都要达到数百亿级之巨。因此,一般的企业难以承受。而且芯片行业的发展遵循着“摩尔定律”,技术更新非常快。而每一次更新,都是一次巨大的投资。

这种投入大、回报周期相对较长的行业特点,使得芯片产业成为高风险产业,一般社会资本都不愿进入。这种高风险,又使得芯片行业产生所谓“大者恒大”的行业特征,很容易形成自然垄断,后来者发展难度极大。这也就意味着,打造强壮的中国“芯”之路必然是一场持久战。

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