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何以成为必争之地:集成电路制造浅析

CPS中安网 2020-06-15

摘要 随着台积电赴美建厂事件闹得沸沸扬扬, 集成电路再次进入了大众的视野,而集成电路产业链中的重要环节——集成电路制造产业,在中美贸易摩擦过程中显得尤为关键。

    【CPS中安网 cps.com.cn】近期,外媒路透社报道,台积电计划前往美国亚利桑那州投资120亿美元建立芯片厂,届时将创造超过1600个就业机会,资金将在2021年至2029年陆续到位。

  亚利桑那州工厂的建设将在2021年开展,若顺利可于2024年生产被应用于高端防御系统以及通讯设备的5nm芯片。该工厂每个月将加工20000个以上的晶圆片,每个晶圆片会包括上千个独立芯片。

  随着台积电赴美建厂事件闹得沸沸扬扬, 集成电路再次进入了大众的视野,而集成电路产业链中的重要环节——集成电路制造产业,在中美贸易摩擦过程中显得尤为关键。

  如今,芯片制程工艺不断提升,芯片中可以有多达百亿个晶体管。

  而如此之多的晶体管,究竟是如何被安置在芯片上的,正是集成电路制造业之所以高端的原因。

  其整个制造过程,牵扯到大量的基础科学、资金、技术、高端设备,因此非常复杂。同时作为硬件基础,集成电路性能对于人工智能、物联网、计算机、通讯、汽车、航天等多个领域的发展尤为重要。

  集成电路结构

  下图为一张芯片照片,非常清晰的展示了芯片内部的层状结构。

  集成电路在芯片内部采用的是层级排列方式。越往下线宽越窄,同时越靠近器件层。其中最下层为器件层,即是晶体管(MOSFET)。

  芯片中的晶体管不仅仅只有MOS管,还有三栅极晶体管等,这些晶体管不是安装在芯片上的,而是在芯片制造的时刻上去的。

  集成电路设计

  在进行芯片设计的时候,芯片设计人员会利用EDA工具,对芯片进行布局规划,然后走线、布线。

  下图为集成电路设计软件中的版图设计界面,白色的点就是衬底, 还有一些绿色的边框为掺杂层。

  集成电路制造企业——晶圆代工厂,就是根据芯片设计师设计好的物理版图进行芯片制造的。

  集成电路制造

  芯片制造过程共分为七大生产步骤,分别是扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化,其中光刻和刻蚀是最为核心的两个步骤。

  光刻就是把芯片制作所需要的线路与功能区做出来。利用光刻机发出的光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的薄片曝光,光刻胶见光后会发生性质变化,从而使光罩上得图形复印到薄片上,使得薄片具有电子线路图的作用。

  光刻的作用,类似照相机照相原理。照相机拍摄的照片印在底片上,而光刻将电路图和其他电子元件印至晶圆薄片上。

  刻蚀是使用化学或者物理方法,有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程。

  通常的晶圆加工流程中,刻蚀工艺位于光刻工艺之后,有图形的光刻胶层在刻蚀中不会受到腐蚀源的显著侵蚀,从而完成图形转移的工艺步骤。因此刻蚀环节是复制掩膜图案的关键步骤.

  其制造步骤可以简单地演示如下:

  在涂满光刻胶的晶圆(硅片)上盖上事先做好的光刻板,然后用紫外线隔着光刻板对晶圆进行一定时间的照射。利用紫外线使部分光刻胶变质,易于腐蚀。

  溶解光刻胶:光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉,清除后留下的图案和掩模上的一致。

  刻蚀:用腐蚀液将变质的那部分光刻胶腐蚀掉,晶圆表面就显出半导体器件及其连接的图形。然后用另一种腐蚀液对晶圆腐蚀,形成半导体器件及其电路。

  清除光刻胶:蚀刻完成后,光刻胶的使命宣告完成,全部清除后就可以看到设计好的电路图案。

  超大型集成电路上100多亿个晶体管就是通过这样的方式雕刻出来的,晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能,包括放大,开关,稳压,信号调制和振荡器。

  集成电路上晶体管越多,其运算效率越高;同时,减小体积也以降低耗电量,芯片体积缩小也使其更容易置入移动设备或装置中,满足便携化的需求。

  芯片技术演进,博弈仍在持续

  目前芯片制造有两大趋势,一是晶圆越来越大,可以切割出更多的芯片,节省效率,另外一个就是芯片制程缩小。

  制程,也就是栅极的最小宽度(栅长)。栅极的宽度则决定了电流通过时的损耗,表现出来就是芯片发热和功耗,宽度越窄,功耗越低。制程缩小,就可以在芯片中塞入更多的电晶体,提高芯片工作效率,减小功耗,同时减小体积。

  集成电路制造工艺复杂,且半导体在消费电子产品和国防设备中都起到关键作用。因此大量的先进芯片集中在亚洲生产,是美国政府将中国视为战略竞争对手的原因之一。

  在6月9日台积电股东大会上,董事长刘德音重点回应了有关台积电赴美建厂的议题,认为该方案的成功与否取决于美国政府是否愿意提供相应补助。

  由此可见,迫于美国压力,台积电赴美建厂提上日程,但建厂时间、规模都证明了这并非是台积电的关键项目,这场关于半导体技术的博弈充满变数,结果仍未可知。 

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