何以成為必爭之地：集成電路制造淺析

    【CPS中安網 cps.com.cn】近期，外媒路透社報道，臺積電計劃前往美國亞利桑那州投資120億美元建立芯片廠，屆時將創造超過1600個就業機會，資金將在2021年至2029年陸續到位。

　　亞利桑那州工廠的建設將在2021年開展，若順利可于2024年生產被應用于高端防御系統以及通訊設備的5nm芯片。該工廠每個月將加工20000個以上的晶圓片，每個晶圓片會包括上千個獨立芯片。

　　隨著臺積電赴美建廠事件鬧得沸沸揚揚， 集成電路再次進入了大眾的視野，而集成電路產業鏈中的重要環節——集成電路制造產業，在中美貿易摩擦過程中顯得尤為關鍵。

　　如今，芯片制程工藝不斷提升，芯片中可以有多達百億個晶體管。

　　而如此之多的晶體管，究竟是如何被安置在芯片上的，正是集成電路制造業之所以高端的原因。

　　其整個制造過程，牽扯到大量的基礎科學、資金、技術、高端設備，因此非常復雜。同時作為硬件基礎，集成電路性能對于人工智能、物聯網、計算機、通訊、汽車、航天等多個領域的發展尤為重要。

　　集成電路結構

　　下圖為一張芯片照片，非常清晰的展示了芯片內部的層狀結構。

　　集成電路在芯片內部采用的是層級排列方式。越往下線寬越窄，同時越靠近器件層。其中最下層為器件層，即是晶體管（MOSFET）。

　　芯片中的晶體管不僅僅只有MOS管，還有三柵極晶體管等，這些晶體管不是安裝在芯片上的，而是在芯片制造的時刻上去的。

　　集成電路設計

　　在進行芯片設計的時候，芯片設計人員會利用EDA工具，對芯片進行布局規劃，然后走線、布線。

　　下圖為集成電路設計軟件中的版圖設計界面，白色的點就是襯底, 還有一些綠色的邊框為摻雜層。

　　集成電路制造企業——晶圓代工廠，就是根據芯片設計師設計好的物理版圖進行芯片制造的。

　　集成電路制造

　　芯片制造過程共分為七大生產步驟，分別是擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化，其中光刻和刻蝕是最為核心的兩個步驟。

　　光刻就是把芯片制作所需要的線路與功能區做出來。利用光刻機發出的光通過具有圖形的光罩對涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見光后會發生性質變化，從而使光罩上得圖形復印到薄片上，使得薄片具有電子線路圖的作用。

　　光刻的作用，類似照相機照相原理。照相機拍攝的照片印在底片上，而光刻將電路圖和其他電子元件印至晶圓薄片上。

　　刻蝕是使用化學或者物理方法，有選擇地從硅片表面去除不需要材料的過程。

　　通常的晶圓加工流程中，刻蝕工藝位于光刻工藝之后，有圖形的光刻膠層在刻蝕中不會受到腐蝕源的顯著侵蝕，從而完成圖形轉移的工藝步驟。因此刻蝕環節是復制掩膜圖案的關鍵步驟.

　　其制造步驟可以簡單地演示如下：

　　在涂滿光刻膠的晶圓（硅片）上蓋上事先做好的光刻板，然后用紫外線隔著光刻板對晶圓進行一定時間的照射。利用紫外線使部分光刻膠變質，易于腐蝕。

　　溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。

　　刻蝕：用腐蝕液將變質的那部分光刻膠腐蝕掉，晶圓表面就顯出半導體器件及其連接的圖形。然后用另一種腐蝕液對晶圓腐蝕，形成半導體器件及其電路。

　　清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設計好的電路圖案。

　　超大型集成電路上100多億個晶體管就是通過這樣的方式雕刻出來的，晶體管可用于各種各樣的數字和模擬功能，包括放大，開關，穩壓，信號調制和振蕩器。

　　集成電路上晶體管越多，其運算效率越高；同時，減小體積也以降低耗電量，芯片體積縮小也使其更容易置入移動設備或裝置中，滿足便攜化的需求。

　　芯片技術演進，博弈仍在持續

　　目前芯片制造有兩大趨勢，一是晶圓越來越大，可以切割出更多的芯片，節省效率，另外一個就是芯片制程縮小。

　　制程，也就是柵極的最小寬度（柵長）。柵極的寬度則決定了電流通過時的損耗，表現出來就是芯片發熱和功耗，寬度越窄，功耗越低。制程縮小，就可以在芯片中塞入更多的電晶體，提高芯片工作效率，減小功耗，同時減小體積。

　　集成電路制造工藝復雜，且半導體在消費電子產品和國防設備中都起到關鍵作用。因此大量的先進芯片集中在亞洲生產，是美國政府將中國視為戰略競爭對手的原因之一。

　　在6月9日臺積電股東大會上，董事長劉德音重點回應了有關臺積電赴美建廠的議題，認為該方案的成功與否取決于美國政府是否愿意提供相應補助。

　　由此可見，迫于美國壓力，臺積電赴美建廠提上日程，但建廠時間、規模都證明了這并非是臺積電的關鍵項目，這場關于半導體技術的博弈充滿變數，結果仍未可知。 

來源：CPS中安網