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2022-09-03 22:05:03 +08:00

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# 04 | 芯片制造:一颗芯片到底是如何诞生的(下)
你好,我是邵巍。
上一讲,我带你从市场需求分析开始,完成了一颗芯片的设计。但是到此时,这颗芯片,还是一个纸上的产品,这一讲,我就带你从晶圆制造到封装测试,历遍芯片的完整制造流程。
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芯片是这个世界上最复杂的工程也是最高精尖的制造工艺。上一讲我跟你说过iPhone的A11处理器大约在88平方毫米的面积上集成了43亿个晶体管。43亿个晶体管是什么概念呢如果一秒钟制造一个晶体管的话制造43亿晶体管需要136年。
如果仔细看每个晶体管都是由硅基底Silicon Substrate、氧化层Oxide、鳍Fin、栅Gate构成的。鳍的高度宽度都在十几、几十纳米栅极长度高度也在几十纳米的范围之内是非常精致的纳米级器件。下图已经是简化过的抽象模型随着半导体工艺的演进实际的器件其实比下图要更加复杂。
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而芯片的制造,就是要在平方毫米的尺寸上,制造上亿个纳米级晶体管的过程。我们在讲芯片的物理实现的时候说过,每个晶体管,都是被工程师们精心设计,放置在特定的位置上,要完成一定功能的,因此在制造过程中,任何一个晶体管的失效,都会导致最终芯片的一部分,或者整个芯片的失效。
对于整个芯片的制造过程,我给你分了三个步骤让你理解,包括上游的晶圆材料准备,中游的晶圆加工,和下游的封装与测试。开头我给你展示了一张流程图,图中把晶圆制造和封装测试分成两步了,这里我换一种说法,分为上中下游,你也许能更好理解。我们一步一步来拆解。
## 芯片制造:晶圆厂的王国
#### 上游:晶圆材料准备
这阶段的重点是提炼单晶硅锭。生产单晶硅锭的公司会将硅元素从沙子中提取出来经过高温整形、多次提纯等手段得到高纯度的硅EGS。然后再将纯硅熔化抽出圆柱形的单晶硅锭。
硅锭切割之后,变成一片一片的圆盘,再经过打磨抛光,一片纯硅晶圆,就准备好了。
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直径为300毫米的纯硅晶圆俗称12寸晶圆大约是400美金。但尺寸并不是衡量硅晶圆的最重要指标纯度才是。日本的信越公司可以生产13个9纯度的晶圆。
其实日本的信越、SUMCO三菱住友株式会社在晶圆市场上占据了近60%的市场份额这让晶圆市场排名第三的台湾环球晶圆非常有压力在2020年开展了并购排在第四的德国世创的计划。
其实半导体产业的上游原材料不仅仅是晶圆像在光刻胶、键合引线、模压树脂及引线框架等重要材料方面日本的企业在全球都占有很高份额。可以这么说如果没有日本材料企业全球的半导体制造都要受挫。因此2019年日本限制向韩国出口三种半导体核心原料含氟聚酰亚胺、高纯度氟化氢、光阻剂曾经一度让三星实际掌门人不得不四处奔走为保证生产而努力。
#### 中游:晶圆加工过程
有了硅晶圆下一步就是把设计团队交付的电路图通过光罩移植到硅晶圆上。这个加工过程有上百个步骤一般需要2到5个月。感谢现代社会的精细分工即使是半导体从业人员甚至是在晶圆厂工作的人只要不涉及工艺的研发也无需完全掌握这些步骤只需要各司其职共同协作就好。
我把加工的过程简化为7个步骤给你逐步讲解一下。
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第一步,纯硅晶圆,在加工之前, 需要打磨抛光。
第二步,抛光完成后,通过高温,或者其他方式,在晶圆表面产生一层薄薄的二氧化硅保护膜,叫做镀膜。
第三步,光刻,光刻是整个过程中最重要的一个环节。这个环节的重要性体现在两个方面,第一,它是设计和制造进行联系的唯一环节;第二它是最昂贵的一个环节。
光刻的一个重要输入是光罩。在上一讲中设计团队交付的GDS II文件会被用来制成如下的光罩。这个光罩有点像印钞时候的母版也是设计和制造之间的纽带。
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光罩有专业的公司可以生产。因为光罩和晶圆制造紧密衔接所以一般晶圆制造厂都有自己的专业工厂来生产自身需要的光罩。为了制造一款芯片需要上百道工序光罩也是不只有一张的在14nm工艺制程上大约需要60张光罩7nm可能需要80张光罩甚至更多。光罩层数的增加也就代表着成本的增加。工艺提升带来的光罩层数的增多算是先进工艺成本越来越高的原因之一。
**使用特定波长的光,透过光罩,照射在涂有光刻胶的晶圆上,光罩上芯片的设计图像,就复制到晶圆上了,这就是光刻**,这一步是由光刻机完成的,光刻机是芯片制造中光刻环节的核心设备。你可以把光刻理解为,就是用光罩这个母版,一次次在晶圆上印电路的过程。
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刚刚我说光刻是最贵的一个环节一方面是光罩越来越多越来越贵另一方面光刻机也很贵。光刻机是半导体制造设备中价格占比最大也是最核心的设备。2020年荷兰公司ASML的极紫外光源EUV光刻机每台的平均售价是1.45亿欧元而且全世界独家供货年产量31台有钱也未必能买得到。
回顾光刻机的发展历史从1960年代的接触式光刻机、接近式光刻机到1970年代的投影式光刻机1980年代的步进式光刻机到步进式扫描光刻机、浸入式光刻机和现在的深紫外光源DUV和极紫外光源EUV光刻机一边是设备性能的不断提高另一边是价格逐年上升且供应商逐渐减少。
到了EUV光刻机ASML就是独家供货了。
EUV作为下一代技术的代表不需要多重曝光一次就能曝出想要的精细图形没有超纯水和晶圆接触在产品生产周期、光学邻近校正OPC的复杂程度、工艺控制、良率等方面的优势明显。是7nm以下工艺必备的。
光罩加光刻机,让光刻这个步骤 “贵”了起来。
好,光刻之后,就到了第四步蚀刻,蚀刻就是去除多余物质。
第五步,离子注入,在真空的环境下进行离子注射,在光刻的晶圆电路里注入导电材料,这样可以改变对应区域的导电特性。
第六步,电镀,电镀这个步骤主要是用来制作铜导线的。
一颗芯片通常有多层,每一层的线路不同,功能不同,使用的膜的材质不同。所以每一层的光罩也不同。因此,**以上的1-6步需要根据实际的集成电路的设计层数重复进行几次到数十次**。这里可以有一个小知识点如果芯片有一些小Bug可以只对其中几层的光罩进行修正而不用重做全部的光罩。
第七步,测试,测试永远是重要环节。对于晶圆的测试可以分成两类,一类是制造工艺相关的晶圆验收测试,一类是电路功能测试。当然,当晶圆切割完毕,在封装之前,还会再进行测试。不过对于整个晶圆进行测试,效率要高过切割之后。
这里我们可以复习一下上一讲逻辑设计中提到的DFT环节。在进行电路的前端设计时就预先设计并插入用来测试的电路这就是DFT。后期无论是晶圆的电路功能测试还是封测阶段中最后的测试都是依赖DFT设计的。
芯片制造的中游环节到这里就介绍完了。我一定要提一下价值问题这么昂贵的工厂制造环节究竟可以增值多少呢据国际商业策略IBS公司International Business Strategies的推算台积电一片5nm晶圆的加工费高达12500美金。根据台积电的财报推算台积电平均每片晶圆可以产生近4000美金300mm晶圆的利润。无论是哪个数字对比400美金的纯硅晶圆原料来说这都是一个至少增值10倍的高价值的加工过程。
#### 下游:封装与测试
当晶圆制造进行测试之后就会被送往下游的IC封装测试厂实施切割、封装和进一步的测试。
整个晶圆在切割成单片之后,会针对每一个单片(芯片)进行电气测试。在封装前,还会使用显微镜对芯片进行复检。提前检测出有瑕疵的芯片,可以减少后续流程上的成本开销。
封装的主要目的是将半导体材料集中在一个保护壳内,防止物理损坏和化学腐蚀。相对于测试,封装对芯片的最终形态,影响更大。
半导体封装技术有三次大的技术进步:第一次是在 20 世纪 80 年代从引脚Pin插入式封装到表面贴片封装表面贴片封装极大地提高了印刷电路板上的组装密度第二次是在 20 世纪 90 年代球型矩阵封装的出现,满足了市场对高引脚的需求,改善了半导体器件的性能。
第三次是2D、2.5D、3D封装等混合了芯片堆叠、异构封装的先进封装。先进封装的最主要推动力来自手机因为手机有着对封装面积最小的极致追求其次推动力来自于数据中心对高性能芯片的追求。
关于2D、2.5D、3D封装我有一个朋友有个非常形象的比喻“摊大饼摊不下去了搞个千层饼试试”。总之所谓的先进封装就是把单独设计和制造的组件或者小芯片chiplet封装在一起如下图。
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封装之后还会对每个芯片进行最后的测试。这个环节是由ATE专业自动测试设备完成的。因为一般的公司都是租用ATE机台所以每个芯片的测试计划测试时间等都是成本的一部分。一般的经验是一颗芯片的1/3的成本是花在封测阶段的。
基于测试的结果,将具有相同能力的芯片归属一类,可以根据芯片的最高工作频率,稳定性等规格制定等级,以便定价。该芯片就会被打标示,分类芯片的规格、型号及出厂日期等丝印,等待打包出厂了。有部分缺陷的芯片,在很多时候是可以作为低规格的正式产品出厂的。要做到这点,必须在架构设计阶段,就要规划好。一个优秀的架构师,考虑的不仅仅是功能和性能的竞争性,整个流程中的每一个与芯片成本相关的问题,都必须提前考虑周到。
到这里,芯片制造的过程我就讲完了,目前除了极少数半导体设计公司还有工厂之外,芯片的制造是都由**专业的晶圆厂**代为制造,是晶圆厂的王国领地。上一讲我们提到的芯片设计,和这一讲分析的芯片制造与封测,并不需要一个公司完成,我给你总结了一个产业链的分工合作示意图:
## 产业链分工视角:设计、制造、封装、测试的分工合作
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在半导体行业开始的三十多年所有的半导体公司都是从设计到制造全部自己完成。在下一讲介绍Intel的时候我会提到当IBM向Intel订购芯片Intel会设计、制造、测试、封装然后直接交付芯片。这种模式业界称为集成设备制造商也就是IDM模式。
这种模式在1987年台积电创立之后慢慢地改变了。台积电这样的代工厂专注于芯片制造这个环节服务整个半导体产业。越来越多的创业公司选择放弃需要高额资金的建厂环节专注在价值更高的设计芯片环节。设计和制造开始了分离。
在摩尔定律的推进下半导体行业高速运转半导体工艺从45nm到28nm到16nm不断演进随着晶体管体积不断变小建造工厂的成本剧增。能够维持一定的生产规模进行良性的商业循环的IDM模式公司在减少甚至专业的晶圆厂都在逐步减少之中。
下图是一张工厂对应工艺制程的总表。到了10nm工艺制程的时候全世界晶圆厂也就只有三家了。
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那些原来的IDM模式的公司都怎样了呢有的完全剥离工厂成为无厂的纯设计公司例如AMD、IBM。有的放弃跟随新工艺成为轻工厂模式例如博通德州仪器。
制造和设计分离之前,技术和资本门槛都略低的封测环节,就已经被分离,且向人力资源成本便宜的亚洲转移了。半导体行业是全球化分工最早最彻底的行业之一。这也是中美之争中,芯片行业会成为一个焦点的原因。
## 总结
这一讲我分享了蛮多内容,下面简单总结一下。
1. 半导体行业的两个重要增值的过程是:晶圆加工和芯片设计。最先进工艺的晶圆制造,价值不菲,是制造业的顶级工艺。
2. 晶圆的加工过程,就是在晶圆上制造集成电路的过程。更准确的说,是在晶圆构造海量晶体管的过程。其中光刻环节最为重要。
3. 晶圆加工完成之后,还要经过切割,测试,封装为芯片。封装技术,已经成为和架构、工艺并行的第三大技术。
4. 台积电的出现促使了半导体公司由一包到底的IDM模式向代工模式转换。半导体行业是全球化分工最早最彻底的行业之一。
最后关于芯片制造Intel有一个形象的[动画视频](https://newsroom.intel.com/news/how-does-intel-make-chips-new-video-shows-you/#gs.000rjg),很不错,推荐你看一下。
## 思考题
芯片的制造环节究竟有多重要美国公司放弃IDM模式将生产制造环节转到亚洲的这个做法是正确的么欢迎你给我留言。