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芯片是半导体的一个组成部分。芯片会有很多细分领域，半导体也是，我今天主要分享一下芯片的一些知识。
们先从制造流程说起。芯片制造流程，分为硅片制造、芯片制造和封装测试三个步骤。我们大多数都知道芯片的原料是沙子，那么沙子是如何变成芯片的呢？沙子里面最多的是二氧化硅，想要让沙子变成芯片，就想要沙子里面提炼出来纯度高的二氧化硅，我们通常把这种硅叫做——工业硅。但是这种硅的纯度在98%以上，仍然还有其他杂质。在全球的硅工业产能分布中，中国的工业硅生产占比达到78%，独占鳌头，其次是巴西的5%和美国的4%，但是这个提取工业硅的技术含量不高。
紧接着，我们看第二步——将工业硅的98%继续提纯达到芯片级别的高纯度硅，纯度要达到99.999999999%，高纯度硅片的纯度要到达11个9。相应的技术含量就提高了几个档次，有数据分析平均100万个硅原料中最多只有一个杂志原子，这就意味着我们必须对自然界中的硅进行反复提纯，使用的方法一般是通过高温下整形，多部进化，然后在采用旋转拉升的方式，得到一个圆柱体的单晶硅锭。在单晶硅锭的市场份额中，占据市场第一的是美国，其次是德国和日本，中国玩家没有了身影。
第三步：切割单晶硅片。在拥有了高纯度的硅之后，我们就需要对高纯度的单晶硅锭横向切割数次形成硅晶片，也就是我们常说的晶圆，这些晶圆抛光后表面如镜子般平整洁净，我们国内的单晶硅生产企业有：隆基绿能、通威股份、中环股份等。但是全世界只有很少的公司能够做出电子级别的硅晶圆，这其中前五家公司就占据了市场92%的份额，中国虽然也有生产硅晶圆的能力，由于技术的限制供应量上无法满足国内的庞大需求。
第四步：芯片设计能力。在全球的芯片产业的设计上美国占据了50%以上的市场，可以说是独霸一方。大家平时所知道，高通、英伟达、博通都是这一类的公司。在芯片设计领域我们必须提到一个细分领域就是——EDA。在设计芯片的时候，EDA软件（电子自动化软件）必不可少，芯片的电路设计、性能分析、设计芯片版图等等工作都需要，但是EDA软件基本上已经被新思科技(Synopsys)、铿腾电子(Cadence)、明导国际(MentorGraphic,2016 年被德国西门子收购)等三大巨头所垄断，所占份额超过60%，2018年新思科技全球市场份额领先，占比达到32.1%，铿腾电子次之，占比为22%，明导国际占比为10%。
在芯片完成设计之后，从电脑软件上的图纸转变为实体的第一步就是需要一个光照也叫做掩膜板，这个和照相机的底片很相似，你有底片就可以冲洗出无数多的照片，光照就是利用激光刻蚀技术，在一张以石英玻璃为衬底其上镀了一层金属铬（ge）和感光胶把电脑上的图刻在石英板上成为一个模板。
目前拥有这项刻模技术的公司的前五名占据了全球市场的95%的份额，除了LG是韩国公司，其他四家都是日本公司，其中中国公司有清溢光电。但是我国在芯片设计的需求占比达到全球的50%以上，一个清溢光电远不能满足国内的需求。
第五步是光刻。光刻的原理和我们冲洗照片很类似，一个好的光罩就相当于是一个照片的底片，通过光源照射在凸透镜上产生平行光，然后在经过下方的透镜，把光线收缩照射在工作台上的晶圆上。首先在晶圆上涂上光刻胶，光刻胶是一个非常重要的耗材，他是光刻工艺的核心材料。光刻胶是一种在光照后能具有抗腐蚀能力的高分子化合物，用于在半导体基件表面产生电路形状，通过晶圆旋转让光刻胶变得非常薄，非常平，光刻胶随后透过掩膜被暴露在紫外线下，并变成——可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门的那一刻胶片的变化，通过紫外线，掩膜会在芯片的每一层形成各种各样的电路图案最后进入光刻流程，全球的光刻胶主要被日本企业垄断。美国仅有一家陶氏，市占率为15%。制造厂根据电路版图，将需要集成的电路，永久性的刻蚀在硅片上，这就需要光刻这一重要的步骤，最主流的光学光刻技术，基本原理和胶片曝光类似，就是利用光刻胶感光形成的耐蚀性，将掩模版上的图形刻制在一种底片上，并且不断的重复这个步骤，便可以完成整齐且复杂的图形。
第六步：在硅晶圆上做芯片。芯片制作的第一步是对晶圆表面进行氧化，形成一层绝缘层，一是可以做后期工艺的辅助层，二是协助隔离电学器件，防止短路。把氧化后的晶圆表面一边旋转，一边涂上一层光刻胶，随后对其进行曝光，再通过显影将电路图形显现出来。光刻层多达几十层，在进行校准之后，接下来再用化学腐蚀或者等离子体轰击晶圆表面的方法对其进行化学刻蚀，光刻胶覆盖的位置被保护，没有被覆盖的位置被刻蚀，形成一个个凹陷实现电路图形的转移，离子注入就是把杂质离子轰进半导体晶格中，使得晶格中的原子排列混乱，后者变为非晶区。再用退火的方式将离子注入后的半导体在一定温度下进行加热，恢复晶体结构消除缺陷从而激活半导体材料的不同电学性能，物理气象沉积用于各种金属层联通不同的器件与电路，以便于进行逻辑和模拟计算，化学迹象沉积用于形成不同金属层之间的绝缘层。
电镀则是用于生长铜连线金属层，在每个结构层完成后，用化学腐蚀和机械研磨相结合的形式，对晶圆表面进行磨抛，实现表面平坦化，这个过程最重要的就是光刻机，这里面最著名的就是荷兰的阿斯迈尔公司，全球光刻机市场的前3位就占据是市场93%的份额，我国的上海微电子也是研究出来了28纳米的光刻机，但是紧接着荷兰的阿斯迈尔公司就对旗下的28纳米的光刻机实施了降价，对上海微电子进行打压，光刻机道阻且长。
第七步：对晶圆封装测试。首先要进行封装测试，对最终得到的晶圆进行测试之后，进行切割，将晶圆切割成块，每一块都是一个处理器的内核，封装芯片将衬底、芯片、散热器结合在一起，最后形成了一个完整的处理器。测试合格的芯片会在减薄之后粘在一个厚的塑料膜上，送到装备厂压焊，抽真空形成装配包，最终的封装形势随芯片的类型和应用场合来定。最后需要对封装好的芯片进行测试，华天科技、通富微电、长电科技都是中国封装测试的重要企业。
说了这么久，芯片到底是怎么做了？就是拿一个硅片然后再上面做光刻，再去做腐蚀，做沉积，做离子注入，形成各种各样的半导体，通过纳米级的准确度把本来完全均匀一片的硅变成了芯片。
们先从制造流程说起。芯片制造流程，分为硅片制造、芯片制造和封装测试三个步骤。我们大多数都知道芯片的原料是沙子，那么沙子是如何变成芯片的呢？沙子里面最多的是二氧化硅，想要让沙子变成芯片，就想要沙子里面提炼出来纯度高的二氧化硅，我们通常把这种硅叫做——工业硅。但是这种硅的纯度在98%以上，仍然还有其他杂质。在全球的硅工业产能分布中，中国的工业硅生产占比达到78%，独占鳌头，其次是巴西的5%和美国的4%，但是这个提取工业硅的技术含量不高。
紧接着，我们看第二步——将工业硅的98%继续提纯达到芯片级别的高纯度硅，纯度要达到99.999999999%，高纯度硅片的纯度要到达11个9。相应的技术含量就提高了几个档次，有数据分析平均100万个硅原料中最多只有一个杂志原子，这就意味着我们必须对自然界中的硅进行反复提纯，使用的方法一般是通过高温下整形，多部进化，然后在采用旋转拉升的方式，得到一个圆柱体的单晶硅锭。在单晶硅锭的市场份额中，占据市场第一的是美国，其次是德国和日本，中国玩家没有了身影。
第三步：切割单晶硅片。在拥有了高纯度的硅之后，我们就需要对高纯度的单晶硅锭横向切割数次形成硅晶片，也就是我们常说的晶圆，这些晶圆抛光后表面如镜子般平整洁净，我们国内的单晶硅生产企业有：隆基绿能、通威股份、中环股份等。但是全世界只有很少的公司能够做出电子级别的硅晶圆，这其中前五家公司就占据了市场92%的份额，中国虽然也有生产硅晶圆的能力，由于技术的限制供应量上无法满足国内的庞大需求。
第四步：芯片设计能力。在全球的芯片产业的设计上美国占据了50%以上的市场，可以说是独霸一方。大家平时所知道，高通、英伟达、博通都是这一类的公司。在芯片设计领域我们必须提到一个细分领域就是——EDA。在设计芯片的时候，EDA软件（电子自动化软件）必不可少，芯片的电路设计、性能分析、设计芯片版图等等工作都需要，但是EDA软件基本上已经被新思科技(Synopsys)、铿腾电子(Cadence)、明导国际(MentorGraphic,2016 年被德国西门子收购)等三大巨头所垄断，所占份额超过60%，2018年新思科技全球市场份额领先，占比达到32.1%，铿腾电子次之，占比为22%，明导国际占比为10%。
在芯片完成设计之后，从电脑软件上的图纸转变为实体的第一步就是需要一个光照也叫做掩膜板，这个和照相机的底片很相似，你有底片就可以冲洗出无数多的照片，光照就是利用激光刻蚀技术，在一张以石英玻璃为衬底其上镀了一层金属铬（ge）和感光胶把电脑上的图刻在石英板上成为一个模板。
目前拥有这项刻模技术的公司的前五名占据了全球市场的95%的份额，除了LG是韩国公司，其他四家都是日本公司，其中中国公司有清溢光电。但是我国在芯片设计的需求占比达到全球的50%以上，一个清溢光电远不能满足国内的需求。
第五步是光刻。光刻的原理和我们冲洗照片很类似，一个好的光罩就相当于是一个照片的底片，通过光源照射在凸透镜上产生平行光，然后在经过下方的透镜，把光线收缩照射在工作台上的晶圆上。首先在晶圆上涂上光刻胶，光刻胶是一个非常重要的耗材，他是光刻工艺的核心材料。光刻胶是一种在光照后能具有抗腐蚀能力的高分子化合物，用于在半导体基件表面产生电路形状，通过晶圆旋转让光刻胶变得非常薄，非常平，光刻胶随后透过掩膜被暴露在紫外线下，并变成——可溶，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门的那一刻胶片的变化，通过紫外线，掩膜会在芯片的每一层形成各种各样的电路图案最后进入光刻流程，全球的光刻胶主要被日本企业垄断。美国仅有一家陶氏，市占率为15%。制造厂根据电路版图，将需要集成的电路，永久性的刻蚀在硅片上，这就需要光刻这一重要的步骤，最主流的光学光刻技术，基本原理和胶片曝光类似，就是利用光刻胶感光形成的耐蚀性，将掩模版上的图形刻制在一种底片上，并且不断的重复这个步骤，便可以完成整齐且复杂的图形。
第六步：在硅晶圆上做芯片。芯片制作的第一步是对晶圆表面进行氧化，形成一层绝缘层，一是可以做后期工艺的辅助层，二是协助隔离电学器件，防止短路。把氧化后的晶圆表面一边旋转，一边涂上一层光刻胶，随后对其进行曝光，再通过显影将电路图形显现出来。光刻层多达几十层，在进行校准之后，接下来再用化学腐蚀或者等离子体轰击晶圆表面的方法对其进行化学刻蚀，光刻胶覆盖的位置被保护，没有被覆盖的位置被刻蚀，形成一个个凹陷实现电路图形的转移，离子注入就是把杂质离子轰进半导体晶格中，使得晶格中的原子排列混乱，后者变为非晶区。再用退火的方式将离子注入后的半导体在一定温度下进行加热，恢复晶体结构消除缺陷从而激活半导体材料的不同电学性能，物理气象沉积用于各种金属层联通不同的器件与电路，以便于进行逻辑和模拟计算，化学迹象沉积用于形成不同金属层之间的绝缘层。
电镀则是用于生长铜连线金属层，在每个结构层完成后，用化学腐蚀和机械研磨相结合的形式，对晶圆表面进行磨抛，实现表面平坦化，这个过程最重要的就是光刻机，这里面最著名的就是荷兰的阿斯迈尔公司，全球光刻机市场的前3位就占据是市场93%的份额，我国的上海微电子也是研究出来了28纳米的光刻机，但是紧接着荷兰的阿斯迈尔公司就对旗下的28纳米的光刻机实施了降价，对上海微电子进行打压，光刻机道阻且长。
第七步：对晶圆封装测试。首先要进行封装测试，对最终得到的晶圆进行测试之后，进行切割，将晶圆切割成块，每一块都是一个处理器的内核，封装芯片将衬底、芯片、散热器结合在一起，最后形成了一个完整的处理器。测试合格的芯片会在减薄之后粘在一个厚的塑料膜上，送到装备厂压焊，抽真空形成装配包，最终的封装形势随芯片的类型和应用场合来定。最后需要对封装好的芯片进行测试，华天科技、通富微电、长电科技都是中国封装测试的重要企业。
说了这么久，芯片到底是怎么做了？就是拿一个硅片然后再上面做光刻，再去做腐蚀，做沉积，做离子注入，形成各种各样的半导体，通过纳米级的准确度把本来完全均匀一片的硅变成了芯片。
发布于2022-8-9 14:38 北京
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