最近一段時(shí)間，全球汽車行業(yè)因?yàn)樾酒溉必洝苟鴮?dǎo)致車企對(duì)自身產(chǎn)品的產(chǎn)能結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，其中大眾、通用、福特、斯巴魯、豐田、日產(chǎn)等汽車生產(chǎn)商均受到影響。而且據(jù)美國(guó)伯恩斯坦研究公司預(yù)計(jì)，2021 年車用芯片的短缺，會(huì)造成大概 450 萬輛汽車產(chǎn)量的損失，占據(jù)總產(chǎn)量的 5%。

芯片制造「大佬」臺(tái)積電總裁魏哲家在法說會(huì)上表示，在 2020 年二季度，很多汽車客戶削減了對(duì)臺(tái)積電采購(gòu)的芯片訂單，于是臺(tái)積電將芯片產(chǎn)能轉(zhuǎn)移到了「消費(fèi)電子」以及「高性能芯片」客戶訂單上，但下半年汽車客戶的需求開始恢復(fù)，鑒于半導(dǎo)體行業(yè)較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期，目前還在處于艱難地應(yīng)對(duì)汽車公司的需求反彈，若能擴(kuò)大芯片制造產(chǎn)能，將優(yōu)先制造汽車芯片。

較為輕描淡寫的語氣，說明了臺(tái)積電對(duì)于汽車行業(yè)客戶其實(shí)并不是特別上心，因?yàn)閺呐_(tái)積電的 2020 年銷售情況來看，汽車芯片只占了 3% 的份額，份額更大的是消費(fèi)電子的 48% 以及高性能芯片的 33%。另外 2020 年第四季度，臺(tái)積電的汽車芯片銷量比三季度上升了 27%，但仍只占整個(gè)季度的 3%。對(duì)于臺(tái)積電來說，誰才是更重要的客戶，一目了然。

當(dāng)然這只是一部分原因，還有就是，如果這時(shí)候部署新產(chǎn)線，初期磨合期內(nèi)芯片的良品率并不會(huì)太高，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加以及效率的降低。對(duì)于制造廠商來說，少賺錢的生意肯定不愿意接。

但以汽車工業(yè)為主的德國(guó)哪坐得住，緊接著經(jīng)濟(jì)部長(zhǎng) Peter Altmaier 致函臺(tái)灣地區(qū)政府呼吁提供車用芯片供給，并特別點(diǎn)名臺(tái)積電傳遞這個(gè)訊息。出于種種原因臺(tái)積電的態(tài)度開始發(fā)生了一些變化，「我們將持續(xù)與汽車電子客戶保持緊密合作，確保支援產(chǎn)能需求」是臺(tái)積電近期對(duì)外的聲明。

而緊密的合作關(guān)系通常是需要「拿錢說話」的，目前臺(tái)積電和聯(lián)電已經(jīng)向荷蘭的恩智浦以及日本瑞薩電子等汽車零部件客戶詢問漲價(jià)意向。據(jù)「日本經(jīng)濟(jì)新聞」1 月 25 日?qǐng)?bào)道，漲價(jià)的原因除了全球面臨車用芯片短缺，還有就是新臺(tái)幣對(duì)美元匯率過去一年升值了 6％，而關(guān)于芯片的漲幅最高可能達(dá) 15％，最快預(yù)計(jì)自 2 月下半月至 3 月實(shí)施。

但據(jù)知情人士透露，汽車客戶因?yàn)閱蝹€(gè)產(chǎn)品毛利比消費(fèi)電子客戶更高，采購(gòu)方面更加財(cái)大氣粗，且新增的芯片產(chǎn)能也是有限的，大家為了確保自己的汽車產(chǎn)能不受影響，不要說 15% 的漲幅，如果有確定的產(chǎn)能 20%-30% 的漲幅也可以接受。另外汽車行業(yè)哪怕是目前算力最高的 Orin 芯片采用也是 7 nm 工藝，只要不是 5 nm 工藝，對(duì)于臺(tái)積電來說釋放一些產(chǎn)能給汽車客戶也是可以接受的。

一塊小小的芯片，為什么會(huì)逼得那么多「英雄好漢」手足無措，那就要從芯片的誕生說起了。

從畫圖開始

芯片又稱集成電路，但兩者之間還是有「一樣又不一樣」的地方。首先是集成電路更強(qiáng)調(diào)電路的設(shè)計(jì)以及布局本身，芯片更強(qiáng)調(diào)的是電路的集成、生產(chǎn)以及安裝。但芯片涵蓋的意義更大，比如說集成電路一定是有電路的，但芯片不一定有電路，例如我們手機(jī)里的 MEMS 陀螺儀、生物醫(yī)療上的 DNA 芯片等。

但集成電路和芯片的交集就是「硅晶圓上的電路」?；\統(tǒng)地概括一下芯片的原理：把一個(gè)電路集成在一個(gè)很小的硅片上，通過線路布局以及材料的應(yīng)用可以做到導(dǎo)電與不導(dǎo)電兩種狀態(tài)并記錄，以此達(dá)到運(yùn)算以及儲(chǔ)存的功能。

再說回芯片設(shè)計(jì)，一般會(huì)分為「前端」以及「后端」兩個(gè)部分。前端干的活大概是根據(jù)甲方丟過來的關(guān)于芯片功能以及性能的需求，去劃分出芯片的模塊功能，初步的電路走線設(shè)計(jì)以及再去做仿真驗(yàn)證，測(cè)試這樣的設(shè)計(jì)是否具有可行性。其實(shí)有那么一點(diǎn)類似我們裝修房子時(shí)室內(nèi)設(shè)計(jì)師出的設(shè)計(jì)圖以及模擬效果圖。

而至于后端，則是在前端的基礎(chǔ)上做得更細(xì)致，例如布局規(guī)劃放置芯片的宏單元模塊、時(shí)鐘的布線、寄生參數(shù)提取、檢查短路以及開路等電氣規(guī)則，確保連線間距、寬度等是否滿足工藝的要求。簡(jiǎn)單點(diǎn)理解，后端要做的事就是出一張可靠的「施工圖」，給到工廠開工。

這里值得一提的是，大多數(shù)的芯片設(shè)計(jì)公司都要用到 ARM 公司的技術(shù)架構(gòu)授權(quán)，因?yàn)?ARM 的架構(gòu)擁有著更少的指令，更簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)以及更高的編譯效率，同時(shí)整體的功耗也更低。舉個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋确剑悬c(diǎn)類似阿拉伯?dāng)?shù)字的作用，我們用阿拉伯?dāng)?shù)字來表達(dá)具體數(shù)字，可以做到全世界通用且通俗易懂。

這里說個(gè)題外話，英偉達(dá)想以 540 億美金高價(jià)收購(gòu)這家公司，而針對(duì)英偉達(dá)這種「不僅要當(dāng)運(yùn)動(dòng)員，還想做裁判」的行為，目前正在被多個(gè)國(guó)家的反壟斷機(jī)制調(diào)查，估計(jì)沒個(gè)一年半載，可能不太會(huì)有下一步的結(jié)果，而這次收購(gòu)的原因，我認(rèn)為也不單純是出于技術(shù)發(fā)展的角度，因?yàn)榫秃孟駴]人會(huì)因?yàn)槌床说臅r(shí)候加點(diǎn)「太太樂雞精」讓菜的味道還不錯(cuò)，然后就想著把「太太樂雞精」這家公司給收購(gòu)了。

其實(shí)除了 ARM 的架構(gòu)，我們還有一條出路選擇，就是轉(zhuǎn)向其他的 CPU 架構(gòu)，例如 RISC-V。而從 RISC-V 為了保持公司的中立性，已經(jīng)于 2020 年 3 月從美國(guó)遷出，整個(gè)遷移到了永久中立國(guó)瑞士。例如國(guó)內(nèi)阿里平頭哥旗下的玄鐵 910 處理器，就是這個(gè)架構(gòu)上建立的，但這帶來的問題就是，芯片設(shè)計(jì)公司們之前積累的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)全部要打破重來，因此底層言語都換了，「123」 都變成「One Two Three」了，所以這對(duì)于芯片設(shè)計(jì)公司來說，是個(gè)艱難的取舍問題。

另外還要提到的是 EDA 軟件，也就是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件。這款軟件可以極大地提高芯片設(shè)計(jì)的效率，涵蓋了芯片設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)、分析、出 IC、PCB 圖紙等環(huán)節(jié)，同時(shí)在芯片制造、封測(cè)環(huán)節(jié)也有應(yīng)用。有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的同學(xué)可能比較好理解，可以參考 CAD 的原理，EDA 也正是為在圖紙上用簡(jiǎn)單的線條畫出立體的電路圖。

例如現(xiàn)在英偉達(dá)最新的 Orin 芯片含有 170 億個(gè)晶體管，設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行持續(xù)的模擬和驗(yàn)證，如果沒有高效的 EDA 軟件，那 Orin 單顆芯片 170 億個(gè)晶體管這巨大的工程可能會(huì)讓英偉達(dá)工程師們集體爆肝。

由于目前的 EDA 軟件主要的玩家只有三家，分別是 Synopsys、Candence、Mentor，占據(jù)了市場(chǎng) 90% 以上的份額，且三家互相所長(zhǎng)，形成技術(shù)互補(bǔ)，所以并沒有出現(xiàn)哪家特別壟斷，技術(shù)封鎖前的華為是這三家的 EDA 軟件都有使用，分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)景中。

但是這三家都是美國(guó)公司，都在川建國(guó)時(shí)期對(duì)華為實(shí)行技術(shù)封鎖，因此 EDA 軟件也正是「卡脖子」的一部分，也就是目前華為在使用的是之前已被授權(quán)或購(gòu)買的 EDA 軟件，但沒辦法再更新到最新版本了。

再說回正題，EDA 軟件除了提高設(shè)計(jì)芯片的效率，還有下文中制造芯片環(huán)節(jié)中非常重要的「光罩」，也正是需要用 EDA 軟件來制作。

這是一顆沙子

設(shè)計(jì)師出完「施工圖」以后，我們的房子就可以進(jìn)入裝修階段了，而對(duì)應(yīng)到芯片也是一樣的，甚至連原材料都有點(diǎn)相似，都是「沙子」。因?yàn)樾酒牧掀鋵?shí)就是「硅」，而沙子的主要成分就是「二氧化硅」，通過技術(shù)手段讓沙子變得比黃金還貴，這也是為什么說芯片制造是人類智慧最高結(jié)晶的原因。

第一步的芯片制造就要對(duì)沙子進(jìn)行提純，大概的原理就是在具有 2000 度高溫電弧爐中，將沙子與焦炭按照比例加入產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，再將沙子中的二氧化硅進(jìn)行還原，分離出二氧化碳以及硅元素?；瘜W(xué)式是 SiO2 + 2C + 高溫 = Si + 2CO。而如果加入碳少的話，會(huì)生成一定比例的 SiC ，也就是碳化硅，這個(gè)不在本次討論中。

上面的工藝可以從沙子中提煉出一定比例 98% 純度以上的硅，但可惜的是這樣純度的硅還不能直接用來制造芯片，因?yàn)殡s質(zhì)還是太多了，純度還不夠，也就是沙子的身價(jià)還不夠高。

因?yàn)樾酒圃煨枰呒兌鹊墓?，純度比例要達(dá)到 99.999999999%，這里有 11 個(gè) 9，也就是平均幾百億個(gè)原子中只能有幾個(gè)雜質(zhì)原子。目前國(guó)內(nèi)的技術(shù)大概可以提純到 3 個(gè) 9 左右，我們稱「多晶硅」，這時(shí)候硅要出去留學(xué)一番，需要 Sumco、Siltronic 等公司進(jìn)一步提純到 11 個(gè) 9，當(dāng)然這筆「留學(xué)費(fèi)」并不算低。

而關(guān)于工業(yè)硅進(jìn)一步的提純的流程，大概的做法就是把「工業(yè)硅」和「氯氣」混合加熱，得到「四氯化硅」，化學(xué)式是 Si + 2Cl2 +高溫 = SiCl4。

而至于為什么是要通「氯氣」，據(jù)專業(yè)人士透露，是因?yàn)槁葰饣衔镆话惚容^易于被提純，當(dāng)然除了四氯化硅、還有四碘化硅、甲硅烷等技術(shù)路線。

在得到「四氯化硅」后，就要把「氯元素」剔除，那么緊接著下一道流程，在高溫下繼續(xù)通入氫氣，再安排一波，就得到了高純度的硅。這個(gè)過程的化學(xué)式是 SiCl4 + 2H2 + 高溫 = 4HCl + Si。至于為什么加氫氣，因?yàn)檫@是利用了氧化還原反應(yīng)的原理，利用氯化氫的揮發(fā)性比較容易得到高純度的硅元素，對(duì)了，氯化氫的水溶液還有個(gè)大名鼎鼎的名字：鹽酸。

還有在高溫過程中「硅」會(huì)變成液態(tài)，在這個(gè)步驟中，等到高純度的硅完全冷卻固化后就變成了純度極高的「單晶硅」，我們?cè)偻ㄟ^圓柱形模具定型就得到了一個(gè)「單晶硅棒」，然后再把這個(gè)圓柱形的單硅晶棒拋光打磨成一個(gè)適合的直徑，就可以開始「切割」了，這個(gè)過程有那么一點(diǎn)像「切蘿卜」。

這里要補(bǔ)充一點(diǎn)的是，隨著技術(shù)的發(fā)展，晶圓的直徑也一直在擴(kuò)大，最早 1970 年晶圓直徑還不足 50 毫米提升到現(xiàn)在的 300 毫米，晶圓的直徑越來越大，可以制造的芯片數(shù)量也在增加， 300 多毫米的晶圓可以制造成 300 多個(gè)百億級(jí)晶體管的微型處理器。

對(duì)了，這也正是常說的 12 英寸晶圓平臺(tái)，因?yàn)?12 英寸大概等于 300 毫米。然后再對(duì)晶圓進(jìn)行切割，而這過程中的「刀法」很重要，每一刀都要控制在 0.5-1.5 毫米之間。

但切出來的晶圓還不夠精致，因?yàn)榫A直徑越來越大，但芯片尺寸越來越小，互連層數(shù)越來越多，要在晶圓表面實(shí)現(xiàn)多層布線，晶圓表面要極高的平整度、光滑度和潔凈度，而「化學(xué)機(jī)械拋光」是目前處理晶圓表面拋光最有效的技術(shù)手段。

這里多說一句，受疫情以及宏觀經(jīng)濟(jì)影響的「缺芯」現(xiàn)象，除了產(chǎn)能以外，缺的還有這個(gè)類似蘿卜片的「硅晶圓」，因?yàn)楫a(chǎn)能有限，芯片需求巨大，導(dǎo)致晶圓每個(gè)季度價(jià)格都有波動(dòng)。

這個(gè)時(shí)候，沙子的身價(jià)開始邁入「中產(chǎn)階級(jí)」，但它并沒有滿足。

整容很重要

經(jīng)過幾千攝氏度的高溫以及化學(xué)品的凈化后，沙子得到新生，身價(jià)也翻了無數(shù)遍。但已變成硅晶圓的沙子仍沒有放棄努力，為了更好的抬高身價(jià)，就需要把芯片設(shè)計(jì)圖紙的電線路復(fù)制到晶圓表面，賦予它自我思考能力，這個(gè)過程我們稱為「光刻」，舉個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋扔鳎悬c(diǎn)像走上「整容」這條不歸路。

「整容」的過程可謂是芯片制造環(huán)節(jié)中技術(shù)壁壘最高的部分，成功就「一克千金」，失敗則重回起點(diǎn)。

首先「整容」的大體流程是在硅晶圓涂上一層薄膜，再貼上光刻膠，然后再拿光罩加上透鏡的組合，用光來照射，反復(fù)多道工序，在晶圓表面勾勒芯片設(shè)計(jì)圖紙上的電路圖。

由于制造芯片是納米級(jí)的活，沒有任何手術(shù)刀可以完成這樣的任務(wù)。因此我們借助光學(xué)顯影原理將光罩上的線路圖轉(zhuǎn)換到薄膜上，一般包括光阻涂布、烘烤、光照對(duì)準(zhǔn)、曝光和顯影等步驟。說白了「整容」的過程就是借助了光中紫外線的灼燒效果，而讓光的灼燒效果變強(qiáng)，那就需要「透鏡」來加一把火。這里參考了放大鏡點(diǎn)火的原理，特別容易理解。

當(dāng)然這里要提一下大名鼎鼎的 ASML 這家公司，幾乎包攬了 EUV 光刻機(jī)的所有產(chǎn)能。

那怎么讓「光」灼燒出來的效果是我們想要的，「光罩」就顯得很重要，說白了光罩就是上文中提到的芯片圖紙制成的，但這個(gè)圖紙不是給人類看的，而是給「光」看的。大概的原理是把光源照射到凸透鏡上產(chǎn)生平行光，然后再經(jīng)過下方的透鏡，把光線縮微照射在工作臺(tái)的晶圓上，晶圓上涂有光刻膠，光刻膠被光線照射后，會(huì)被腐蝕溶解，然后晶圓表面就變成光罩上一樣的電路圖了，只不過變成了縮小版的。

于是，這個(gè)時(shí)候晶圓的表面就形成了起伏不平的「凹槽」，這個(gè)時(shí)候就可以在凹槽部分對(duì)晶圓摻入雜質(zhì)，就是「硼」和「磷」。

而這么做的原因就是在這個(gè)過程中，最重要就是電流是否可以流通。由于硅元素本身并不導(dǎo)電，因此需要「硼」和「磷」來幫忙。但有意思的是加入這兩個(gè)元素后，整個(gè)晶圓的導(dǎo)線性是「單項(xiàng)性」的，也就是電流只能從含有「硼雜質(zhì)」的區(qū)域流向含有「磷雜質(zhì)」的區(qū)域，而電流是無法從「磷雜質(zhì)」區(qū)域流向「硼雜質(zhì)」區(qū)域的。

我們把上述的結(jié)構(gòu)成為「半導(dǎo)體 PN 結(jié)」，在加入與門、或門、非門、與非門、或非門等各種門電路，來實(shí)現(xiàn)對(duì)于各種過程的結(jié)果輸出，最終是以「斷電低壓狀態(tài)輸出 0」以及「導(dǎo)電高壓狀態(tài)輸出 1」來進(jìn)行記錄以及運(yùn)算。

這是因?yàn)樯岛┖┑臋C(jī)器只能理解 0 和 1 兩個(gè)數(shù)字，也就是二進(jìn)制，這也正是人類與機(jī)器溝通的一種語言。拍腦袋說個(gè)假設(shè) 1101 代表在輔助駕駛語言中代表的是前方有障礙物，這時(shí)候人類加上邏輯算法，那么車輛就會(huì)在芯片輸出 1101 指令的時(shí)候執(zhí)行剎車操作，來達(dá)到輔助駕駛剎車的效果。

又跑題了，再來說「摻雜」結(jié)束后再通過干蝕刻、濕蝕刻技術(shù)，去除掉晶圓表面所不需要的物質(zhì)，然后重復(fù)多次上述「整容」工序，比如 7 nm 工藝的芯片制造就需要 80 張以上的薄膜，才能把芯片設(shè)計(jì)圖紙上的結(jié)構(gòu)刻在晶圓上，等到圖紙上的設(shè)計(jì)完全在晶圓上體現(xiàn)后，再用同樣的手法把金屬材料沉積到晶圓表面將晶體管的各部分連接起來，那么「整容」的工作就算告一段落了。

接下去就是封裝和測(cè)試，在硅晶圓刻出芯片后，就需要封裝了，封裝就是切割，把小芯片切割出來，套上芯片保護(hù)殼，然后再通電和接通信號(hào)。然后測(cè)試芯片的電流，散熱，以及連通性以及合格率等，在這塊的技術(shù)壁壘并不高，至此沙子也就完成了它走上人生巔峰的過程。

另外芯片在整個(gè)制造過程中要經(jīng)歷濕洗、光刻、離子注入、干蝕刻、濕蝕刻、等離子沖洗、快速熱退火、退火、熱氧化、化學(xué)及物理氣相淀積、分子束外延、電鍍處理、化學(xué)以及機(jī)械表面處理、晶圓測(cè)試和打磨等全過程，但因?yàn)槲恼缕脑蛑荒芎?jiǎn)單概括地描述，歡迎持續(xù)對(duì)芯片行業(yè)保持關(guān)注的朋友一起互相學(xué)習(xí)討論。

寫在最后

一個(gè)沙子到芯片的演變，身價(jià)翻了無數(shù)倍的背后是集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著電子設(shè)備越來越小，對(duì)性能以及功耗的要求越來越高，芯片的制造難度也就越來越高。

而且目前芯片行業(yè)的發(fā)展可以說是集全世界人民之力來營(yíng)造出的欣欣向榮，例如尖端的芯片設(shè)計(jì)公司有華為、英偉達(dá)、高通、英特爾、博通、聯(lián)發(fā)科等企業(yè)，芯片制造公司有臺(tái)積電、三星、聯(lián)電、中芯國(guó)際等，因此說芯片技術(shù)是人類智慧文明最高的結(jié)晶，這句話并不失真。

反觀國(guó)內(nèi)，目前芯片制造環(huán)節(jié)依然是我們的短板。正如任正非所說，「我們的企業(yè)可以設(shè)計(jì)出頂級(jí)的芯片，但按照我們目前的技術(shù)水平卻制造不出來」。

而這還是因?yàn)椴粌H有來自國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的價(jià)格打壓，還有缺乏先進(jìn)的精密制造設(shè)備，最重要的還是芯片制造工藝對(duì)于線寬的要求都是在千萬分之一米的量級(jí)，每個(gè)工序中的誤差是都是極為微小的，而這些越來越高的技術(shù)壁壘也意味著我國(guó)發(fā)展半導(dǎo)體行業(yè)「自給自足」的使命愿景，任重而道遠(yuǎn)。