高端芯片制造面临什么生产困难

美国商务部宣布对中兴通讯采取出口管制措施，引发了全民对国产芯片的关注。我们什么时候才能实现真正的“中国芯，中国造”？今天我们来简单谈谈中国的芯片制造业。

据数据统计，中国集成电路产品连续多年每年进口额超过2000亿美元，一旦缺“芯”，可以想像会面临什么生产困难。那么“芯片”为什么这么重要？

芯片跟集成电路、半导体是一回事吗？

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我们经常碰到“芯片”、“集成电路”、“半导体”这几个术语，这些词在我们日常的讨论中经常是混用的，硬要区分的话，可以说集成电路是更广泛的概念。

1958年9月12日，在美国德州仪器公司担任工程师的Jack.Kilby发明了集成电路的理论模型。1959年，曾师从晶体管发明人之一肖克莱的Bob.Noyce率先创造了掩模版曝光刻蚀方法，发明了今天的集成电路技术。

我们所说的集成电路指的是采用特定的制造工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及元件间的连线，集成制作在一小块硅基半导体晶片上并封装在一个腔壳内，成为具有所需功能的微型器件。在国家的产业统计上，集成电路也常常作为一个宽泛的概念而使用。

芯片则是指内含集成电路的半导体基片（最常用的是硅片），是集成电路的物理载体。而半导体是一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，常见的有硅、锗、砷化镓等，用于制造芯片。

集成电路产业离普通人很近又很远。大多数人只知道手机电脑、各行各业里面都要用到电子器件，CPU、GPU、单片机、数控装备、汽车都离不开芯片，但是说起芯片的设计制造，却只有少数人知道。

芯片行业的技术含量可以说十分密集，像画板子、晶圆、流片、制程、封装、光刻这样的芯片制造“黑话”很多人可能闻所未闻。另外，芯片行业资金极度密集，生产线动辄数十亿上百亿美金。此外，人才也是这个行业的稀缺资源。

一方面是技术又贵又难、人才难以培养，另一方面是行业的集中度很高，少数的几家大企业垄断了行业的尖端技术和市场，剩下的企业里人才的待遇也就很难赶上几家巨头了。

从晶圆到芯片，价值翻12倍

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芯片生产是一个点砂成金的过程，从砂子到晶圆再到芯片，价值密度直线飙升。真正的芯片制造过程十分复杂，下面我们为大家简单介绍一下。

晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆。单单从晶圆到芯片，其价值就能翻12倍，2000块钱一片的晶圆原料经过加工后，出来的成品价值约2.5万元，可以买一台高性能的计算机了。

从熔融态Si中拉出晶圆并切片

获得晶圆后，将感光材料均匀涂抹在晶圆上，利用光刻机将复杂的电路结构转印到感光材料上，被曝光的部分会溶解并被水冲掉，从而在晶圆表面暴露出复杂的电路结构，再使用刻蚀机将暴露出来的硅片的部分刻蚀掉。

晶圆片抛光后利用光刻机将电路转印

在晶圆上刻蚀出来复杂的结构

接着，经过离子注入等数百道复杂的工艺，这些复杂的结构便拥有了特定的半导体特性，并能在几平方厘米的范围内制造出数亿个有特定功能的晶体管。

镀铜后再切削掉表面多余的铜

再覆盖上铜作为导线，就能将数以亿计的晶体管连接起来。

测试、晶片切割和封装

一块晶圆经过数个月的加工，在指甲盖大小的空间中集成了数公里长的导线和数以亿计的晶体管器件，经过测试，品质合格的晶片会被切割下来，剩下的部分会报废掉。千挑万选后，一块真正的芯片就这么诞生了。

切割出合格晶片后报废的晶圆

光刻机精度，芯片制造的卡脖子环节

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制约集成电路技术发展的有四大要素：功耗、工艺、成本和设计复杂度，其中光刻机就是一个重中之重，核心技术中的核心。

一些装备由于其巨大的制造难度被冠以“工业皇冠上的明珠”的称号，最主流的说法是两大装备：航空发动机和光刻机，最先进的航空发动机目前的报价在千万美元量级，但是最先进的光刻机目前的报价已经过亿美金。

芯片的集成程度取决于光刻机的精度，光刻机需要达到几十纳米甚至更高的图像分辨率，光刻机的两套核心系统——光学系统和对准系统的精度越高，可以在硅片上刻的沟槽越细小，芯片的集成度越高、计算能力越强。

目前，世界上80%的光刻机市场被荷兰公司占据，高端光刻机也被其垄断。中国在努力追赶，但是目前仍与国外存在技术代差，比美国差两代、比美国的盟国差一代——但是这不是说我们的追赶不重要，如果我们不做出来，国外就可以想怎么卖就怎么卖，卖不卖、卖啥型号、卖多少钱都不由我们，而我们做出来了，国外更高精度的设备就会卖给我们，价格也相对实惠很多。