記者帶你走進粵芯半導體 瞭解小芯片背後的大產業
粵芯半導體園區航拍圖
12英寸晶圓
集成電路，又稱芯片，是絕大多數電子設備的核心組成部分，被譽為“工業糧食”。它不僅在智能手機、電視機、計算機、汽車等電子設備方面得到廣泛的應用，在軍事、通信、遙控等方面也不可或缺，對5G、人工智能、物聯網、自動駕駛等都是必不可少的基礎。
然而，芯片製造又是世界上最為複雜的製造業。以採用了20納米工藝的蘋果A8手機芯片為例，其在不足指甲蓋大小的空間裏，包含了20億個晶體管結構，內部猶如一座超級城市。所以芯片被業界稱為“集人類超精細加工技術之大成”。
一個小小的芯片，是如何誕生的呢？在廣州市黃埔區中新知識城，有一家芯片製造企業——廣州粵芯半導體技術有限公司，擁有廣州第一條12英寸芯片生產線，也是廣東省及粵港澳大灣區目前唯一進入量產的12英寸芯片生產平台。昨日，記者採訪了粵芯半導體市場及營銷副總裁李海明博士。
芯片製造“點沙成金”五步走
1.打造地基——晶圓
硅是芯片最重要的基礎材料，是地球上第二豐富的資源，但更多以二氧化硅，也就是沙子的形態儲存在地球上。製造芯片，首先要從二氧化硅提煉出高純度的硅晶體，製成硅錠，再切割成薄脆的圓盤形狀，拋光後形成晶圓，這相當於芯片的“地基”。
李海明説，12英寸晶圓是指晶圓的直徑為12英寸，其他常見的晶圓尺寸，還有8英寸和6英寸。“晶圓尺寸越大，在同一個圓片上生產切割的芯片就越多，但同時對材料技術和生產技術的要求也會更高。目前粵芯半導體主要生產12英寸晶圓。”
芯片就是以晶圓為“地基”，在上面“建房子”，把所需的電路和器件“建”在硅片上。“比如説，我們可以在上面沉積一層金屬薄膜，再把這層薄膜刻出圖形，留下一個金屬連線的圖案，也就是我們需要的電路。而在這層圖形上面還可以再做另一層，每層之間還可以做出互聯。”中國科協首席科學傳播專家張宇識説。
2.光刻
由於芯片內的距離以納米為單位，在這麼小的範圍內布一根根超細的電線是不現實的，所以芯片製造需要用到光刻工藝。
首先，在晶圓上塗一層特殊的光刻膠，再將包含數十億個電路元件的芯片藍圖製作成掩膜，利用光的投影將縮小版的掩膜投影到晶圓的光刻膠膜上。光刻膠膜發生光化學反應，被光照的地方變得可溶於水，經過顯影清洗後留下的圖案與掩膜上一致。再用特製的化學藥水蝕刻暴露出來的晶圓，蝕刻完成後，清除所有光刻膠，便得到縱橫交錯的電路溝槽。
3.摻雜
所謂摻雜，是通過離子注入，賦予硅晶體管的特性。為了改變某些區域的導電性，覆蓋着光刻膠的晶圓經過離子束（帶正電荷或負電荷的原子）轟擊後，未被光刻膠覆蓋的部分嵌入了雜質（高速離子衝進未被光刻膠覆蓋的硅的表面），硅裏進入了雜質，便會改變某些區域硅的導電性。
4.薄膜沉積
通過化學或者物理氣相金屬沉積，再重複光刻和蝕刻工藝，進行金屬連接。一個正常運作的芯片需要連接數以百萬計的傳導線路，包含幾十層結構，每層結構的形成，都離不開光刻和蝕刻。平面上看，像密集交織的高速公路；立體上看，像是擁有許多房間、樓宇的“超級城市”。
5.封裝與測試
封裝環節，即把裸片放在一塊起到承載作用的基板上，把管腳引出來，然後固定包裝成為一個整體。封裝後測試，即對已製造完成的芯片進行結構及電氣功能的確認，以保證芯片符合系統的需求。
國產芯片需要補哪些短板
EDA、IP和設計服務
從上述製造工藝開始看出，掩膜，即芯片藍圖的複雜程度，是決定芯片性能的關鍵。
其中，在芯片設計領域，有一家不得不提的“圖紙”提供商——英國ARM公司。它是全球領先的半導體知識產權（IP）提供商，全世界超過95%的智能手機和平板電腦都採用ARM架構，包括蘋果、華為。
根據自身產品的性能需求，在“圖紙”上進行進一步改造，需要用到專門的設計軟件，統稱為EDA軟件。在EDA軟件全球市場中，德國以及美國技術領先。EDA、IP和設計服務，是整個芯片產業的技術源頭，也是中國芯片產業結構中最為薄弱的環節。
極紫外線光刻機
製造芯片需要大量精緻的光學技術、材料技術以及精密的加工技術。其中的高精度光刻機，更是整個芯片產業的命門之所在。目前，全球僅有極少數的光刻機設備廠商能夠研製出高端光刻機，而荷蘭的ASML則擁有全球晶圓廠光刻機設備高達八成的市場份額。
該公司最先進的EUV（極紫外線）光刻機已經能夠製造7納米以下製程的芯片。在這台光刻機中，每秒在真空環境中，從底部容器流出5萬滴融化的錫液，激光束照射每一滴液體產生等離子體，從而釋放出更短的波長，產生極紫外線，通過超高精度的反射鏡引導光線。這台光刻機也被稱為現代工業的皇冠，是地球上最精密的儀器之一。
去年國產芯片產量達2018億塊
過去幾年，國產芯片產量大增。以2019年數據為例，國產芯片產量達到2018億塊，同比增長16%，不過在核心芯片方面自給率仍然很低，不足3%。
“我們和國外領先企業相比，比如英特爾、三星，大概有2-3個世代以上的差異。”李海明坦言，目前粵芯50%以上的原材料晶圓是日本提供的，薄膜、刻蝕、擴散等生產設備的製造技術幾乎都掌握在國外廠商手裏。
大灣區是芯片需求高地
廣東是中國主要的集成電路元器件市場和重要的電子整機生產基地，佔據60%以上的集成電路市場需求。
“粵港澳大灣區最大的優勢是，在這裏能找到不同等級的電子產品。從廣州到東莞再到深圳，這一帶是中國重要的消費型電子產品製造發源地。珠江另一岸，從廣州到佛山、中山到珠海，這一帶又是中國非常重要的大中型家電生產基地。所以，粵港澳大灣區是所有電子行業企業都能夠找到貼近市場、又找到後端應用資源的地方。”李海明説。
2018年底，廣州市出台《加快發展集成電路產業的若干措施》，明確將集成電路作為廣州市產業發展戰略重點。廣州擁有泰斗微電子、潤芯、硅芯、新岸線、昂寶、安凱等一批集成電路設計企業，以及興森快捷、安捷利、風華芯電、新星微電子等一批封裝測試企業，粵芯項目更是填補芯片製造空白。
粵芯半導體逆勢增資
疫情是否對粵芯的生產造成影響？李海明表示，2020年第一季度，粵芯半導體在受到新冠肺炎疫情影響的情況下，超額完成了預計生產出貨目標——首季產出高出預期25%。
今年2月，粵芯半導體二期項目成功擴產簽約，新增投資65億元。粵芯半導體逆勢增資擴產為發展按下“啓動鍵”的同時，也摁下“加速鍵”，朝着釋放產能、滿足粵港澳大灣區芯片市場需求的方向加速。文、圖/廣州日報全媒體記者方晴