芯片为什么这么难造 做完这些堪称神迹

众所周知,在每个智能设备当中,芯片起到了至关重要的作用,不论是PC、智能手机还是智能可穿戴设备,CUP作为核心元器件都是必不可少的存在。但就这么一个小小的玩意,中国目前却无法有效地进行量产。

有时候一个东西过于细微,并不意味着容易制造,更别说芯片这种需要纳米级工艺来进行操控的东西,更是人力所不能及的。在IC芯片中,最重要的东西是晶体管,这相当于人体大脑中的神经系统,晶体管越多,芯片的运算速度也就越快。因此,如何在这么一个狭小的地方放置更多的晶体管,成为一道难题。

芯片的基本单位——晶体管

所谓晶体管是一种半导体器件,放大器或电控开关常用。由于其相应速度快,准确性高,可以用于各种数字和模拟功能,包括放大、开关、稳压、信号调制和振荡器。晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域,可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分,这也是为什么CPU中可以集成如此多晶体管的原因。

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早在1929年,当时的工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是限于当年的技术水平,还无法将晶体管制造出来。直到1947年12月,世界上最早的实用半导体器件才在贝尔实验室中被制造出来,而在首次试验时,这个晶体管能够把音频信号放大100被,而外形则类似火柴棍。

而到了1950年,第一只“PN结型晶体管”(PN结就是P型和N型的结合处,P型多空穴,N型多电子,下面会讲到)才终于问世,如今的晶体管,大部分仍然属于这种PN结型晶体管。

制造芯片的流程

 回到芯片制作中来,如今一块好的芯片制作流程又是怎样的呢?作为这些智能设备的大脑,它的诞生又需要经历哪些步骤呢?

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芯片实际上是一片载有集成电路的元件,大致可以分为两类,一类为功能芯片,如CPU、通讯基站的处理芯片等;第二类为存储芯片,比如电脑中的闪存。

而要制造一个芯片,在产业上主要分为这么几个内容。首先便是芯片的设计,就如同做一个工程需要有蓝图一样,芯片也是如此,做出的芯片想要实现什么样的功能,在设计这一步就已经确定,这需要专业人才来进行电路的设计。

其次是制作,这一步也是最繁琐的,后面会详细讲到。而最后是封装,也就是把成品的芯片装好变成一个可以销售的产品,也就是我们在市面上所看到的模样,这样的过程就叫做封装,我国大多数芯片产业中所涉及的便是封装行业。

在这三大步骤中,最难的是设计,而容易的是封装。作为芯片的灵魂,没有一个好的设计,芯片根本无法成行,因此设计至关重要。

现如今我国芯片产业主要集中在制作与封装,尤其是封装最多,而在设计层面有所涉猎的企业则是凤毛麟角。即便有设计出来的芯片也主要是集中在中低端层面,而在高端芯片的设计中所占份额基本为零。

芯片运行的原理

制作芯片的主要原材料是硅,通常而言是从砂石之中提炼而出,把沙子中的二氧化硅融化然后还原,最后得到硅单质。然后再在硅单质上进行掺杂,左侧掺入硼元素,右侧掺入磷元素。

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掺杂的主要原因是由于硅单质本身不导电,而硅元素周围有四个电子,相当于四个空穴,硼元素周边只有三个电子,相对硅而言缺少了一个电子,因此以空穴导电为主,称之为P型半导体。而磷元素周围有五个电子,相比硅多一个,因此称为N型半导体。两者相结合,也就成为上述的PN结。

PN结的主要特点在于,只有在左侧加正极右侧加负极电流才能通过,如果把电流方向掉转,那么电流是不流通的,这也就是二极管。这样做我们便可以通过这些只能进行单向电流流通的二极管做出许多操作,比如与或非门等等,这些知识如今在高中课程中也有讲到,这里就不再赘述。

怎么做一块芯片?

回到芯片的具体制作,在把硅单质制作出来后进行切片,切成一个个的圆盘。然后在这些圆盘之上涂抹光刻胶,再用紫外线通过透镜对这些涂抹光刻胶的硅片进行光刻,按照设计中的图纸对某些特定位置的光刻胶照射后,这些光刻胶也会产生相应的变化。

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光刻之后便是腐蚀,由于设计的不同,腐蚀的区域也不同,通产而言经过光刻之后的区域会被腐蚀,而没有经过光刻的区域则不会,当然情况也有可能相反,这都是根据实际需求来制作。

  以光刻区域被腐蚀为例,腐蚀的地方为形成凹槽,再在这些凹槽中进行掺杂,也就是上面讲到的硼元素或者磷元素等。最后通过洗刷,把光刻胶洗掉,只留下了掺杂之后的硅片,这时候就可以制作半导体PN结了。

  而这样的步骤可能不止一次,若是需要实现复杂的功能,则还需要重复上胶、掺杂、腐蚀、清洗等步骤,然后再在其上沉积金属,进行电路的联接。最后,一片完整的晶圆就此产生。把晶圆切割后,封装就成为芯片。这便是一个完整的芯片制作流程。

芯片设计领域稀缺的原因

从产业结构上来看,我国的芯片行业在设计领域尤其稀缺,最主要的原因有三点。第一是教育环境问题,由于国外技术封锁,加上国内的芯片领域人才稀缺,因此对于教育方面一直欠缺,无法接触世界上最先进的芯片设计思维,自然无法培养出一个好的人才。

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第二是对于技术人才不够重视,或者说整个行业对于技术人才都过于冷漠,导致许多技术向的人才从硬件改行从事软件开发或者销售,这样也导致了我国的芯片人才缺口一直无法填补。

第三是整个市场全都充斥着国外的高端芯片,因此国产芯片在很多情况下无法得到市场有效的反馈,这导致其更新换代的速度非常缓慢,自然也就拖累了国产芯片发展的脚步。

当然,对于这样的现状,如今国家已经有许多对策进行解决。针对第一个问题,中国已经有“国家千人计划”,将国外的高科技人才引渡回国,带领国内科技产业进一步发展。对于第二个问题,还是要改变国内企业家的观念,当技术人员的待遇什么时候能够成为公司中靠前的位置,这些技术人才自然也会回流。

关于最后一个问题,由于美国对于中兴的制裁,虽然如今已经有所缓和,但这件事的影响已经让国内所有科技公司感到了威胁,对于国内芯片产业则迎来了新的商机,至少能够给国产芯片一个试水的地方,让其进行更新迭代。

小结

我国芯片产业一路走来跌跌撞撞,在“汉芯”事件后更是经受了沉重的打击,如今一切都处于百废待兴的状态,加上美国创造的大好时机,正是我国芯片产业蓬勃发展的关键机遇,相信我国的芯片行业能够重回辉煌。

与企业不同,国家若想要实现伟大复兴,必然要在每个行业中都掌握自己的核心技术,可以不用第一,但是不能没有,而这个芯片领域的兴起,加上国家的助推,相信会对未来半导体行业造成更加深远的影响。

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