小芯片 大学问 大产业
粤芯半导体园区航拍图
大洋网讯 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。
12英寸晶圆
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。
国产芯片需要补哪些短板
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
制造芯片需要大量精致的光学技术、材料技术以及精密的加工技术。其中的高精度光刻机，更是整个芯片产业的命门之所在。目前，全球仅有极少数的光刻机设备厂商能够研制出高端光刻机，而荷兰的ASML则拥有全球晶圆厂光刻机设备高达八成的市场份额。
该公司最先进的EUV（极紫外线）光刻机已经能够制造7纳米以下制程的芯片。在这台光刻机中，每秒在真空环境中，从底部容器流出5万滴融化的锡液，激光束照射每一滴液体产生等离子体，从而释放出更短的波长，产生极紫外线，通过超高精度的反射镜引导光线。这台光刻机也被称为现代工业的皇冠，是地球上最精密的仪器之一。
去年国产芯片产量达2018亿块
过去几年，国产芯片产量大增。以2019年数据为例，国产芯片产量达到2018亿块，同比增长16%，不过在核心芯片方面自给率仍然很低，不足3%。
“我们和国外领先企业相比，比如英特尔、三星，大概有2-3个世代以上的差异。”李海明坦言，目前粤芯50%以上的原材料晶圆是日本提供的，薄膜、刻蚀、扩散等生产设备的制造技术几乎都掌握在国外厂商手里。
大湾区是芯片需求高地
广东是中国主要的集成电路元器件市场和重要的电子整机生产基地，占据60%以上的集成电路市场需求。
“粤港澳大湾区最大的优势是，在这里能找到不同等级的电子产品。从广州到东莞再到深圳，这一带是中国重要的消费型电子产品制造发源地。珠江另一岸，从广州到佛山、中山到珠海，这一带又是中国非常重要的大中型家电生产基地。所以，粤港澳大湾区是所有电子行业企业都能够找到贴近市场、又找到后端应用资源的地方。”李海明说。
2018年底，广州市出台《加快发展集成电路产业的若干措施》，明确将集成电路作为广州市产业发展战略重点。广州拥有泰斗微电子、润芯、硅芯、新岸线、昂宝、安凯等一批集成电路设计企业，以及兴森快捷、安捷利、风华芯电、新星微电子等一批封装测试企业，粤芯项目更是填补芯片制造空白。
粤芯半导体逆势增资
疫情是否对粤芯的生产造成影响？李海明表示，2020年第一季度，粤芯半导体在受到新冠肺炎疫情影响的情况下，超额完成了预计生产出货目标——首季产出高出预期25%。
今年2月，粤芯半导体二期项目成功扩产签约，新增投资65亿元。粤芯半导体逆势增资扩产为发展按下“启动键”的同时，也摁下“加速键”，朝着释放产能、满足粤港澳大湾区芯片市场需求的方向加速。
文、图/广州日报全媒体记者方晴
