芯耀
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什么是芯片？
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芯片是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱，是電子學(xué)中將電路小型化的一種方式。雖然，在日常生活中，我們常將芯片、集成電路和半導(dǎo)體混同使用，但它與半導(dǎo)體和集成電路其實(shí)略有不同，通常半導(dǎo)體指的是一類材料的總稱，集成電路是用半導(dǎo)體材料加工而成的小型化電路的大型集合，而芯片則是由一種或多種類型的集成電路形成的產(chǎn)品。如果將其映射到生活中，那么半導(dǎo)體是纖維，集成電路布料，而芯片則是衣服，這樣是不是很好理解了呢？
時(shí)間軸上的 “芯”路歷程
圖源：Computer History Museum
從上述定義可知，講芯片的發(fā)展史，核心就是要講清楚半導(dǎo)體材料和集成電路的發(fā)展史。
集成電路的早期概念可以追溯到 1949 年，當(dāng)時(shí)來(lái)自西門(mén)子的一位德國(guó)工程師 Werner Jacobi 在助聽(tīng)器中采用了一個(gè)專利，在該專利中就提到了在三級(jí)放大器中實(shí)現(xiàn)了五個(gè)晶體管排布在同一基板上的技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了助聽(tīng)器的小型、低價(jià)化。
1952 年，一位名叫 Geoffrey Dummer 的英國(guó)國(guó)防部皇家雷達(dá)局科學(xué)家在華盛頓質(zhì)量電子元件進(jìn)展研討會(huì)上向公眾提出了集成電路的概念。電工實(shí)驗(yàn)室的 Sidney Darlington 和 Yasuro Tarui 又進(jìn)一步提出了類似的芯片設(shè)計(jì)，只是此時(shí)的集成電路還是非電氣隔離的。
1957 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Mohamed M. Atalla 開(kāi)發(fā)出了通過(guò)熱氧化使硅表面實(shí)現(xiàn)電穩(wěn)定的表面鈍化工藝，該表面鈍化工藝隔離了單個(gè)的二極管和晶體管，從而使硅基單片集成電路芯片成為可能。
1958 年，來(lái)自德州儀器的 Kilby 成功演示了集成電路的第一個(gè)工作示例，并于次年申請(qǐng)了發(fā)明專利，該專利后來(lái)榮獲了 2000 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但是該集成電路的工作需要外部連線的配合才能實(shí)現(xiàn)工作，也就只能算是混合集成電路，談不上真正意義上的單片集成電路芯片。
1959 年，仙童半導(dǎo)體的 Jean Hoerni 在表面鈍化工藝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了平面工藝，來(lái)自 Sprague Electric 的 Kurt Lehovec 將隔離技術(shù)擴(kuò)展到單個(gè)硅片上的獨(dú)立晶體管。說(shuō)白了就是，每個(gè)晶體管盡管是嵌入到了同一塊硅上，卻都能獨(dú)立運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，同樣來(lái)自 Sprague Electric 的 Robert Noyce 同年發(fā)明了世界上第一款單片集成電路芯片。
1960 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Mohamed M. Atalla 又提出了 MOS 集成電路芯片，對(duì)比雙極性晶體管，MOSFET 更易形成電氣隔離。
MOS 集成電路的出現(xiàn)奠定了當(dāng)代集成電路芯片的基礎(chǔ)，隨著技術(shù)的不斷精進(jìn)，到 1964 年，MOS 芯片已實(shí)現(xiàn)了比雙極芯片更高的晶體管密度和更低的制造成本。
MOS 芯片的復(fù)雜度進(jìn)一步以摩爾定律所預(yù)測(cè)的速度在增加，從 1960 年代后期的大規(guī)模集成（LSI），經(jīng)歷 1970 年代的超大規(guī)模集成（VLSI），到 1980 年代的超大規(guī)模集成（VLSI）和甚大規(guī)模集成（ULSI），再到現(xiàn)在最頂尖的 7nm 技術(shù)和系統(tǒng)級(jí)芯片。在這過(guò)程中，我們經(jīng)歷了一次前所未有的科技革命，芯片或者說(shuō)集成電路徹底改變了人們的工作、生活方式。
一群硅基芯片的誕生過(guò)程：設(shè)計(jì)+制造+測(cè)試
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來(lái)源：知網(wǎng)論文
設(shè)計(jì)篇
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圖源：einfochips
規(guī)格制定
在芯片設(shè)計(jì)公司內(nèi)部，設(shè)計(jì)一枚芯片的第一步是通過(guò)管理和數(shù)據(jù)分析起草一份提案，使該該設(shè)計(jì)能從一開(kāi)始就滿足行業(yè)細(xì)分要求。此時(shí)高層設(shè)計(jì)人員會(huì)開(kāi)會(huì)，進(jìn)行可行性分析，并在此基礎(chǔ)上確定芯片的功能和運(yùn)行方式，并確定性能、功能、物理尺寸、制造技術(shù)和設(shè)計(jì)技術(shù)等主要設(shè)計(jì)參數(shù)。
架構(gòu)定義
定義系統(tǒng)的基本規(guī)范，比如浮點(diǎn)單元等；確定要使用的系統(tǒng)，比如精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）或復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）；敲定 ALU 緩存大小的數(shù)量等。
功能設(shè)計(jì)
定義系統(tǒng)的主要功能單元，從而有助于識(shí)別單元之間的互連要求，還有每個(gè)單元的物理、電氣規(guī)格。
邏輯設(shè)計(jì)
開(kāi)發(fā)出布爾表達(dá)式、控制流、字寬、寄存器分配等，并采用 VHDL 或 Verilog HDL 硬件描述語(yǔ)言將功能用代碼描述出來(lái)，形成寄存器傳輸級(jí)別（RTL）代碼。
邏輯設(shè)計(jì)給出了簡(jiǎn)化的邏輯實(shí)現(xiàn)，而電路設(shè)計(jì)則是以網(wǎng)表的形式進(jìn)一步將該邏輯表示出來(lái)，網(wǎng)表通常由門(mén)、晶體管和各種互連組成，而電路設(shè)計(jì)的效果可以由仿真得到。
物理設(shè)計(jì)
在此步驟中實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)表到其幾何表示的轉(zhuǎn)換，其結(jié)果稱為布局，它可以從功能上對(duì)綜合后的網(wǎng)表進(jìn)行驗(yàn)證。此步驟遵循一些預(yù)定義的固定規(guī)則，例如 lambda 規(guī)則，該規(guī)則提供了組件大小、比例和間距等確切的詳細(xì)信息。下一步是對(duì)完成布線的物理版圖進(jìn)行功能和時(shí)序上的驗(yàn)證，驗(yàn)證項(xiàng)目通常包括 LVS、DRC、ERC 等，當(dāng)然還包括一些功耗分析以及可制造性分析。
設(shè)計(jì)工藝導(dǎo)出
這是芯片設(shè)計(jì)的最后一步，即將設(shè)計(jì)工藝文件按照芯片代工廠的要求導(dǎo)出來(lái)，設(shè)計(jì)公司保留原設(shè)計(jì)稿可做靈活性的修改，而相對(duì)定版的工藝文件——物理版圖以 GDS II 的文件格式交由芯片代工廠作為制造依據(jù)。
制造與測(cè)試篇
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圖源：Joseph A. Elias, PhD
打開(kāi)工藝的卷軸，里面記錄了沙子的升華史，我們通過(guò)它，了解到了芯片是如何制成的。
提煉單晶硅錠
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圖源：VIDHYARTHE
最廉價(jià)的硅來(lái)源非沙子莫屬，因此半導(dǎo)體材料中采用的硅元素就是從沙子（SiO?）中提取出來(lái)的。通常，生產(chǎn)單晶硅錠的公司會(huì)將沙子從的硅元素提取出后來(lái)經(jīng)過(guò)高溫整形、多次提純等手段得到電子級(jí)硅（EGS），純度為 99.9999%。然后將純硅在 1400oC 的鍋中融化，把包含所需晶體取向的小晶種插入熔融的硅中，再緩慢地（1 毫米 / 分鐘）拔出，這樣硅晶體就被制造成了圓柱形的單晶硅錠，單個(gè)單晶硅錠的重量約為 100 公斤。
晶圓加工
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圖源：Cismst
晶圓加工主要包含兩個(gè)步驟，第一步是將單晶硅錠橫向鋸成圓盤(pán)，再進(jìn)行拋光和晶體定向，得到如鏡面般平整的晶圓。第二步是對(duì)晶圓進(jìn)行熱氧化，這個(gè)時(shí)候純硅會(huì)經(jīng)過(guò)充氧的高溫爐，從而在表面形成一層很薄的二氧化硅，作為晶體管的進(jìn)時(shí)柵極氧化物層。
光刻
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圖源：Nikon
所謂的光刻工藝包括掩膜和光蝕刻兩個(gè)部分。首先是將具有抗光蝕能力的光刻膠涂敷到晶圓上，在硅基表層形成電路圖案，然后利用光對(duì)準(zhǔn)器將晶圓對(duì)準(zhǔn)掩膜，晶圓將透過(guò)掩膜鏤空部分暴露在紫外線下，此時(shí)暴露部分的光刻膠變成可溶狀態(tài)，從而將掩膜版上的電路結(jié)構(gòu)臨時(shí)復(fù)制到硅基上。
刻蝕
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圖源：SlideShare
按光刻機(jī)刻出的電路結(jié)構(gòu)，在硅片上進(jìn)行微觀雕刻，刻出溝槽或接觸孔。具體來(lái)說(shuō)，刻蝕是利用顯影后的光刻膠圖形作為掩模，再借助化學(xué)液體或等離子體在襯底上腐蝕掉一定深度的薄膜物質(zhì)，隨后得到與光刻膠圖形相同的集成電路圖形。
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圖源：格芯
離子注入是芯片制造工藝中的一種重要的摻雜技術(shù)，也是控制 MOSFET 閾值電壓的一個(gè)重要手段。通常是在真空、低溫的環(huán)境下，將磷化氫或三氯化硼雜質(zhì)離子加速，獲得有一定動(dòng)能的雜質(zhì)離子，然后將離子束攝到敷有光刻膠掩膜的晶圓上。有光刻膠掩蓋的部分，離子束無(wú)法穿透光刻膠而被阻擋開(kāi)來(lái)；沒(méi)有掩蓋的部分，離子束會(huì)被注入到襯底上，實(shí)現(xiàn)摻雜，而摻雜深度取決于離子束的能量。最后，在離子注入完成后，必須進(jìn)行光刻膠的徹底清除工作，才能進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。
金屬化
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圖源：Pinterest
金屬化指的是采用沉積等方式將金屬薄膜沉積到晶圓上，再通過(guò)金屬薄膜光刻，形成表面金屬連線，將各個(gè)元器件連接到一起的工藝。因此第一步就是要刻蝕出接觸孔。第二步是制備金屬薄膜，主要導(dǎo)電金屬材料可能是鋁合金或金，手段通常包括蒸發(fā)、濺射、金屬 CVD 以及電鍍等，目前金屬 CVD 因具有很強(qiáng)的臺(tái)階覆蓋能力、良好的高深寬比接觸和無(wú)間隙式的填充特性而受到廣泛應(yīng)用。第三步是采用光刻和刻蝕工藝或剝離技術(shù)去除布線以外的部分，形成相互連接的金屬導(dǎo)線。第四步是進(jìn)行合金化的熱處理，從而保證芯片和金屬之間有較好的導(dǎo)電性。最后是平坦化，減少因晶圓表面的不平整度帶來(lái)的光傳播的精確度受損，從而影響其準(zhǔn)確地進(jìn)行圖形制作的一種工藝。這種工藝不僅會(huì)被用到表層，當(dāng)金屬層增加的時(shí)候也會(huì)被用到中間層中。
晶圓測(cè)試
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圖源：知乎
當(dāng)載有集成電路的晶圓加工出來(lái)之后，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，主要目的是減少封裝的成本，提早篩選出有問(wèn)題的集成電路模塊（芯片原型）。具體操作是采用探針測(cè)試平臺(tái)，在無(wú)塵室中根據(jù)事先定義好的測(cè)試點(diǎn)對(duì)芯片原型進(jìn)行交直流、光照等電氣性能測(cè)試。該測(cè)試通過(guò)治具可以對(duì)測(cè)試平臺(tái)上的晶圓進(jìn)行一次性測(cè)試，而無(wú)需對(duì)芯片逐一進(jìn)行，因此測(cè)試效率較高。
切割與封裝
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圖源：The CPU Shack
每個(gè)晶圓都包含數(shù)百至上萬(wàn)個(gè)芯片，通過(guò)金剛石鋸將晶圓切割成單片，經(jīng)過(guò)減薄工序，然后針對(duì)每一個(gè)單片（芯片）進(jìn)行電氣測(cè)試。如果測(cè)試結(jié)果有問(wèn)題，這顆芯片就會(huì)被丟棄；如果測(cè)試結(jié)果合格，該芯片就會(huì)被送去封裝。在封裝前，將會(huì)使用顯微鏡對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)檢，只有通過(guò)復(fù)檢的芯片才會(huì)被真正封裝起來(lái)。
封裝測(cè)試
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IC tester | 圖源：Agilent
對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)，出廠前測(cè)試主要包含三個(gè)方面，前兩項(xiàng)分別是晶圓測(cè)試和芯片測(cè)試，這兩項(xiàng)在上一節(jié)中已經(jīng)描述過(guò)了（見(jiàn)“切割與封裝”章節(jié)）。而這里重點(diǎn)要將的其實(shí)是第三項(xiàng)測(cè)試：封裝測(cè)試，也就是芯片出廠前測(cè)試。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這三項(xiàng)測(cè)試將會(huì)占據(jù)整個(gè)芯片生產(chǎn)成本的比例高達(dá) 1/4 至 1/2。
此時(shí)的待測(cè)芯片已經(jīng)包裹了一層封裝，沒(méi)有那么脆弱了，因此對(duì)于測(cè)試環(huán)境要求也沒(méi)有那么嚴(yán)苛，不需要無(wú)塵室測(cè)試了。但是對(duì)于封裝測(cè)試而言，由于封裝本身的阻擋，測(cè)試探針無(wú)法觸及芯片內(nèi)部，測(cè)試范圍受到限制的同時(shí)，也增加了測(cè)試的復(fù)雜度。
話不多說(shuō)，一般的芯片封裝測(cè)試包括各種環(huán)境下的消耗功率、發(fā)熱量、運(yùn)行速度、耐壓度等多項(xiàng)電氣特性測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中往往需要大量的編程、燒錄驗(yàn)證工序。有的時(shí)候根據(jù)客戶的要求，也會(huì)做一些針對(duì)性測(cè)試，看是否滿足客戶的需求。當(dāng)測(cè)試結(jié)果一切正常，該芯片就會(huì)被打上規(guī)格、型號(hào)及出廠日期等絲印，等待打包出廠了。
國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
芯片市場(chǎng)行情
據(jù) IC Insights 數(shù)據(jù)顯示，IC 市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大，成為越來(lái)越重要的 GDP 驅(qū)動(dòng)力，預(yù)計(jì) 2019-2024 年的相關(guān)系數(shù)將達(dá)到 0.90，高于 2010-2019 年的 0.85。
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圖源：IC Insights
芯片設(shè)計(jì)
對(duì)于芯片設(shè)計(jì)而言可分為兩大部分來(lái)講，第一部分是 EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）工具，第二部分是芯片設(shè)計(jì)。
首先來(lái)談一談EDA 工具，根據(jù)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)（ESD）聯(lián)盟市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)服務(wù)（MSS）發(fā)布了關(guān)于 EDA 行業(yè) 2019 年第二季度的調(diào)查報(bào)告顯示，EDA 行業(yè) 2019 年第二季度收入為 24.721 億美元，同比 2018 年第二季度的 23.185 億美元，總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，增長(zhǎng)幅度為 6.6%。同時(shí)，將最近四個(gè)季度與前四個(gè)季度相比，四個(gè)季度的移動(dòng)平均值增長(zhǎng)了 6.0%。可見(jiàn) EDA 工具需求度在不斷上漲，市場(chǎng)前景廣闊。然而從市場(chǎng)分布的角度看，卻不太樂(lè)觀。怎么說(shuō)？目前全球 EDA 市場(chǎng)主要由 Cadence、Synopsys 和被西門(mén)子收購(gòu)的 Mentor Graphics 三大巨頭壟斷，它們占全球市場(chǎng)的份額超過(guò) 60%。而中國(guó)的 EDA 工具產(chǎn)業(yè)卻缺乏與先進(jìn)工藝結(jié)合的機(jī)會(huì)，從而步步落后，缺少深亞微米的 EDA 成體系的設(shè)計(jì)平臺(tái)。
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圖源：行芯科技
其次我們來(lái)談一談芯片設(shè)計(jì)，從市場(chǎng)分布的角度來(lái)講，高通是當(dāng)之無(wú)愧的手機(jī)芯片霸主，而計(jì)算機(jī)、服務(wù)器 CPU 則是由英特爾和 AMD 分食，對(duì)比之下，我國(guó)能拿得出手的應(yīng)該就是華為的麒麟系列了。但明明我們大多數(shù)工程師都采用了和國(guó)外相同的 EDA 軟件，除了 IP 限制以外，我想阻礙我國(guó)在芯片設(shè)計(jì)行業(yè)大展拳腳的最大因素肯定就是芯片設(shè)計(jì)高端人才了。但是人才不是一朝一夕能培養(yǎng)出來(lái)的，尤其是模擬芯片行業(yè)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，數(shù)字芯片由于經(jīng)驗(yàn)依賴性小，是我國(guó)目前主攻的部分，尤其是 AI 時(shí)代的到來(lái)，以及中美貿(mào)易戰(zhàn)的警鐘督促，讓本土芯片廠商尋到了一絲契機(jī)。
芯片制造、測(cè)試
從標(biāo)題我們就可以看出本章節(jié)將會(huì)從芯片制造和封裝測(cè)試兩個(gè)角度來(lái)剖析。
我們從芯片制造談起，芯片行業(yè)應(yīng)對(duì)芯片需求量上漲的方式不是增加單位晶圓的芯片數(shù)量，而是在不斷增加晶圓的數(shù)據(jù)總量。據(jù) IC Insights 預(yù)測(cè)，2020 年可能增加多達(dá) 1790 萬(wàn)個(gè)晶圓（200 mm 當(dāng)量）的新 IC 產(chǎn)能，2021 年將再增加 2080 萬(wàn)個(gè)晶圓的產(chǎn)能。
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圖源：IC Insights
當(dāng)然，如果有的人說(shuō)，現(xiàn)在不是在不斷擴(kuò)大晶圓的尺寸嗎？沒(méi)錯(cuò)，但其主要目的是為了降低成本，而非應(yīng)對(duì)數(shù)量需求上漲的主要手段。
就目前晶圓代工（芯片制造）市場(chǎng)而言，目前全球主流的幾家晶圓代工廠包括臺(tái)積電、英特爾、三星、格芯和中芯國(guó)際。據(jù)統(tǒng)計(jì)，他們的工藝進(jìn)階如下圖所示：
大家可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于芯片制造廠商而言，除了芯片 nm 級(jí)工藝以外，良率也是他們生產(chǎn)制造能力的主要考量因素。
我國(guó)在芯片制造行業(yè)雖顯落后，但近些年的奮起直追，也誕生了像中芯國(guó)際、華虹半導(dǎo)體這樣的本土巨頭，成績(jī)也算顯著。只是在芯片制程設(shè)備方面還顯沉重，尤其是光刻機(jī)這一塊，已經(jīng)成為制約我國(guó)芯片制造業(yè)的最大痛點(diǎn)。但在沉重中又有一絲欣慰，這欣慰來(lái)自于尹志堯等愛(ài)國(guó)人士的付出，他們的努力是我國(guó)的刻蝕設(shè)備走上了國(guó)際頂尖水平，目前已攻破 5nm 難關(guān)。
接下來(lái)，我們?cè)賮?lái)談一談封裝測(cè)試，從全球范圍來(lái)看，封裝測(cè)試市場(chǎng)排名世界第一的是中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的日月光公司，而出于成本和市場(chǎng)的考慮，不少半導(dǎo)體廠商選擇將封測(cè)廠轉(zhuǎn)移到中國(guó)，因此國(guó)內(nèi)封測(cè)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備了一定的規(guī)模和技術(shù)基礎(chǔ)。立足中國(guó)，差距在不斷縮小，本土的長(zhǎng)電科技、華天科技和通富微電發(fā)展也不錯(cuò)，對(duì)比芯片設(shè)計(jì)、制造行業(yè)而言，封測(cè)可以說(shuō)是芯片產(chǎn)業(yè)中國(guó)內(nèi)發(fā)展較好的一塊了。
寫(xiě)在最后
對(duì)于芯片行業(yè)或者說(shuō)集成電路行業(yè)來(lái)說(shuō)，缺的從來(lái)不是市場(chǎng)，而是工藝、技術(shù)的比肩。對(duì)于像中國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家而言，我們從前落后，但當(dāng)下我們可以抓住 AI 的機(jī)遇，讓自己從低端市場(chǎng)向高端市場(chǎng)爬坡，挑戰(zhàn)是不可避免的，沉下心來(lái)做技術(shù)才能成就一個(gè)產(chǎn)業(yè)。未來(lái)，無(wú)人可知，吾輩只需努力！
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