一文读懂芯片制造全过程

　　科技的重要性不言而喻，同时因为中美贸易战，芯片的国产替代刻不容缓，今天就梳理下芯片制造到底哪里被卡脖子。
　　芯片制造总体上分为三部分：设计、制造、封测。其中设计和封测两个阶段我国目前做的还不错，占据行业一定份额，但是制造方面差距依然较大，本文接下来详细介绍芯片制造全流程以及被卡脖子环节，全文大概需要五分钟。
　　1.沙子：谁能想到芯片这样精密的东西竟然是从沙子开始的，这种沙子不是空地上的那种河沙，而是硅含量更高的硅石，主要成分和沙子一样是二氧化硅，在坩埚里经过熔炼，得到纯度约为98%-99%的冶炼级工业硅。虽然还含有少量的铁和铝等杂质，但它已经是化工、冶金和建筑等行业的重要材料。我国产量约为全球的65%，产量为世界第一，这一步还没有被卡脖子。
　　我国工业硅目前的竞争格局情况：
　　2.多晶硅：对于半导体行业而言，99%的纯度的工业硅还远远不够，所以第二步就是工业硅的提纯。一般使用西门子法因为是西门子公司于1955年开发出来的，然后可以得到硅纯度可以高达99.999999999%，一共11个九的硅棒。
　　硅棒结构不均匀，整体是由众多不规则的小晶体构成的，所以叫做多晶硅，和工业硅一样我国同样是多晶硅产量最大的国家。2019年我国多晶硅产能占比高达69.2%，稳居世界第一。
　　我国多晶硅目前的竞争格局情况：
　　3.单晶硅：芯片更多需要的是晶格均匀、连续、电学性质稳定的单晶硅，要把磨砂款的多晶硅棒变成镜面款的单晶硅，目前主流制法采用柴克拉夫斯基法，因为1918年诞生于波兰化学柴克拉夫斯基之手而得名，又称直拉法或者提拉法。具体做法是，在坩埚中加热熔化上一步获得的高纯度多晶硅，把般温度控制在略高于硅的熔点。然后将一条细小的单晶硅作为引子进入硅溶液，再缓慢地向上旋转提拉，被拉出的硅溶液，因为温度梯度下降会凝固成固态硅。从视觉上看就是小牙签进去，大棒子出来。
　　目前，我国依然是全球最大的单晶硅生产国。据中国有色金属工业协会硅业分会统计数据，截至2021年底，我国单晶硅片产能为115GW，占全球的97.6%。
　　我国单晶硅目前的竞争格局情况：
　　因为拉硅棒的过程中容易断掉，所以直径八英寸的硅棒一般拉六米长，十二英寸的大棒一般就拉一米五。从多晶硅棒精炼成了单晶硅棒，将其切成薄片，就得到生产晶圆的硅片，所以这一步拉出来的硅棒会决定晶圆的尺寸。你想做八英寸的晶圆就得拉得细一点，你想要12英寸的晶圆就得拉粗一点。理论上直径是越粗越好因为单个晶圆面积越大造出的芯片就越多，分摊下来的成本就越低但同时工艺难度和设备费用也会直线上升，比如一座八英寸的晶圆厂要花十六亿美元而十二英寸的厂子则需要三十到四十亿美元，所以做芯片是真的烧钱。
　　4.滚磨：拉出来的硅棒会被截去头和尾，杂质浓度通过检测后，将其裁成30厘米左右长度的硅段，固定在机器上，让其缓慢滚动，用侧面带金刚石的砂轮对硅身进行打磨，进而得到想要的目标尺寸。
　　5.切片：把硅段切成一片片的就是切片，目前主流的切片方式是使用金刚线的多线切割机，也就是用线上固定有金刚石颗粒的钢丝线对硅段进行多段切割，这种现切法效率高、损耗少。
　　6.硅片，硅段被切片后就是硅片，还要再进行滚磨、倒角、精研、化学机械抛光等一系列操作，与此同时这些步骤的基础门槛逐渐升高，对精细加工的要求逐渐变态起来，也正是从这一阶段开始我国的产能占比和自主化程度下降，芯片制造的国产之路也将迎来首个被卡脖子的环节。
　　光伏级与半导体级区别：刚才不是说我国单晶硅占世界产量很大吗？这里解释下，用于制造太阳能电池和组件的光伏级单晶硅和用来制造芯片的半导体级单晶硅两者最大的区别在于硅的纯度，光伏级是六个九，半导体机普遍要求十到11个九，相差好几个数量级。此外，在诸如表面平整度、金属杂质等指标上，半导体级单晶硅也严苛许多。
　　因此，尽管两者的制造流程基本相同，但在精度控制上相差悬殊。目前我国生产的单晶硅料和硅片绝大部分都是光伏级别。从产业规模看，今年的生产和市场增量基本都在我国，所以光伏级单晶硅的产量我们吊打全球，但用来做芯片的半导体硅片我国企业的产能占比就骤降到不足5%。
　　目前芯片及硅片市场主要控制在五家公司手中，分别是日本的信越化工和胜高集团，其次是台湾地区的环球晶圆、德国的Siltronic以及韩国的SK，他们加起来控制了全球90%的硅片供应。
　　硅片市场目前的竞争格局情况：
　　7.磨片：就是切下来的硅片会先经过一遍机械打磨，让表面更加平整，同时让整体变薄
　　8.倒角：这一步就是通过倒角机把硅片边缘的直角边磨成圆弧形，这是因为高纯度硅是一种脆性很高的材料，这样处理可以降低边缘处发生崩裂的风险。
　　9.刻蚀：将硅片放入容器中进行化学刻蚀，通常使用氢硝酸和氢氟酸腐蚀掉表面约20到50微米左右的厚度，来去除之前的打磨过程中硅片积累的机械损伤，以及混入硅片表层的磨料。
　　10.化学机械抛光：到此经过一系列打磨和刻蚀之后，硅片表面已经很光滑了，但用来制造芯片它还不够光滑，根据2004年的国际半导体技术发展蓝图十二寸硅片的整体平整度要小于五十一纳米，这相当于在电影院挂一块imax幕布，其起伏程度比一根头发丝还要细。
　　这一步是结合了物理和化学的理综型抛光手段，具体做法是将硅片装载到旋转的抛光仪器上下降到下方，表面薄层会先被研磨液化学氧化，再被抛光垫物理打磨。这一步硅片厚度会被打薄五微米左右，直到被抛光成完美的镜面。通常对八英寸硅片进行单面抛光，十二英寸硅片进行双面抛光，这样就得到了一枚抛光片。
　　11.清洗：最后还要用去离子水和各种化学溶剂进行清洗，去掉制程中粘附在硅片表面上的各种尘埃和杂质。
　　除了要严格控制污染物密度之外，还要控制颗粒大小。在先进制程中能允许的单个颗粒物直径最多只有几纳米，而一例流感病毒的直径就能有100纳米，细菌就更大了，所以很多硅片厂工人得了感冒必须休假，否则打一个喷嚏都可能污染芯片，这也是为什么疫情对芯片产能打击格外严重的原因之一。
　　12.封测包装：在平整度和清洁度之外，硅片还要保证翘曲度、氧含量、金属残余量等指标，要经过电镜检查、光学散射检查等各种检测达标后，一张用于制造芯片的硅片才终于诞生了。
　　它将被放在充满氮气的密封盒里，送往晶圆厂开始下一段旅程。
　　来到晶圆厂最主要的操作就是光刻，光刻，顾名思义就是用光来雕刻，为什么是光？因为他快，在我们所处的宇宙中，光就是速度的极限。
　　光是如何被驾驭用来刻出新片的呢？答案是通过光掩膜、光刻机、和光刻胶。
　　13.光掩模：光掩膜是芯片的蓝图，是一张刻有集成电路版图的玻璃遮光板，刻机就像一台纳米机的打印机发光，将光掩模上的图形投射在硅片上。
　　14.光刻胶：光刻胶则是能把光影化为现实的一种胶体，它是一种见光死的材料，在黑暗中坚挺，但只要被特定波长的光照射就会疲软，继而能被溶解、清除。利用光刻胶的这种光敏性，就能用光来雕刻芯片。
　　具体操作就是暗中给硅片涂一层光刻胶，再加上光掩模进行曝光，照在光刻胶上这一部分的胶体就会疲软，随即被溶剂洗掉，而剩下坚挺的光刻胶就成了保护膜，接着只要用能腐蚀硅的溶剂在没有光刻胶保护的坑位区域腐蚀掉一层，最后再把光刻胶保护膜清除，我们就在同一时间里完成了大量的精确雕刻工作。
　　所以狭义上的光刻刻的不是硅片，而是硅片上的这一层光刻胶。
　　15.离子注入：另外为了给半导体硅赋予电特性，还要在特定区域做离子注入，为此也得先进行光刻，把不想注入离子的区域用光刻胶贴膜保护，因为每一次刻蚀、沉积和离子注入几乎都需要光刻作为前提，所以在芯片制造的工序之中光刻是根基，往往占据整套工艺近一半的工时和三分之一的成本。
　　15.后烘：硅片从光刻机出来后，还要经历烘焙简称后烘。这一步的目的是通过加热让光刻胶中的光化学反应充分完成，可以弥补曝光强度不足的问题，同时还能减少光刻胶显影后，因为驻波效应产生的一圈圈纹路。
　　16.显影冲洗：后烘之后，把之前曝光的部分溶解清除，光掩模上的图形就浮现在了光刻胶上，这就是显影和冲洗。
　　常的做法是先用去离子水润湿硅片，然后把显影液溶液均匀喷在光刻胶表面，让光刻中被曝光了部分充分溶解，最后再用去离子水冲走。
　　17.芯片诞生：这样的操作要反复经过上千次才能雕刻出数以亿计的电子器件及其对应的电路连接，最终成为我们手机里的一枚小小芯片。
　　以上基本上就是从沙子到芯片成品的全过程，由于篇幅有限将会在下一篇文章中详细介绍生产流程中所会涉及的机器设备以及我国在其中的国产机会，希望能为你们的投资做一点贡献。