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为何一个国家不能独立自主制造芯片?( 二 )

为何一个国家不能独立自主制造芯片?
首先 ， 将组成电路的金属材料均匀洒在硅片上 ， 形成一层金属薄膜 ， 这一过程叫做金属溅镀 ， 然后将能够阻挡光源的材料铺放在晶圆片上 。我们知道 ， 芯片上的电路是一种层叠结构 ， 而非平铺 ， 集成电路的设计图是按照层叠的顺序一层一层堆叠起来的 。 每一层堆叠的电路图又被称作“光罩” ， 有电路的地方无法透光 ， 没电路的地方光束可以透过 ， 故称“光罩” 。透过光罩的光束打在阻光材料上 ， 就可以把不要的部分破坏掉 ， 再以化学药剂将被破坏的光阻材料洗去 。此时 ， 需要组成电路的金属处于光阻材料的保护之下 ， 不需要的部分则暴露出来 。 下一步将使用离子束对金属材料进行蚀刻 ， 受到光阻材料保护的部分不会被蚀刻 ， 暴露出来的部分会被蚀刻 ， 剩下的金属就会组成电路图描画的形状 ， 一层电路就制作出来了 。最后 ， 再使用去光阻液把剩下的光阻材料溶解掉 ， 就大功告成 。一块小小的芯片上 ， 集成的电路太多 ， 以至于电路的每一个元件都必须非常小 ， 否则芯片电路将会十分巨大 。芯片越小 ， 体积就越轻薄;小小的芯片中塞入的电路元件越多 ， 同样大小的芯片电路就越复杂 ， 运算能力就更强;而由于电路多而元件小 ， 电阻也会更小 ， 芯片就更省电 。目前芯片上的电路大小是纳米级别 ， 有14纳米、7纳米、5纳米、3纳米甚至2纳米等 。不过 ， 如此小的元件大小 ， 会遇到物理问题 。因为电路与电路之间需要有绝缘体 ， 就像我们的电线必须包一层绝缘胶皮否则就会漏电一样 ， 早期芯片上的元件是通过电路之间的二氧化硅层来绝缘的 。当元件缩小到60纳米左右的时候 ， 二氧化硅绝缘层就会漏电 。 工业界研究出了是使用一种高介电常数(high dielectric)的材料, 以金属铪(Hafnium)氧化物为基础 ， 取代二氧化硅作为绝缘层 。集成电路的电子元件是场效应晶体管(FET) ， 由源极(Source)、柵极(Gate)和漏极(Drain)组成 。栅极可以被认为是控制一个物理栅的开关 ， 可以制造或者消除源极和漏极之间的沟道 ， 从而允许或者阻碍电子流过 。 如果受一个外加的电压影响 ， 电子流将从源极流向漏极 ， 达到控制电流的效果 。当元件缩小到20纳米左右的时候 ， 由于元件导电的阈值电压不断下降 ， 元件的源极、栅极和漏极压差也极小 ， 元件便不再有明显的源极和漏极区别 ， 电流就不再通过栅极的控制 ， 从源极流向漏极 ， 看起来就像是元件漏电了 。这种效应叫做“沟道漏电效应” 。为了解决这个问题 ， 业界提出了FinFET的设计概念 ， 在三个侧面用栅极把晶体管包住 ， 使得源极和漏极的任何通道离栅极都不会太远 ， 保证栅极的控制能力 ， 减弱短沟道效应带来的漏电现象 。因为这一设计的形状像鱼鳍(Fin) ， 所以也被称为FinFET 。03芯片为什么难做?当集成电路的元件缩小到10纳米以下 ， 又面临新的问题 。因为1颗原子的大小约为0.1纳米 ， 在10纳米的情况下 ， 一条线只有不到100颗原子 ， 不仅在制作上相当困难 ， 而且只要有一个原子的缺陷 ， 比如有原子掉出或掺进了其他原子杂质 ， 都会极大影响产品的良率 。我们看到 ， 当工艺到了极限的时候 ， 其实是现有的结构、材料和设备性能到了极限 。为何一个国家不能独立自主制造芯片?
张忠谋 ， 1931年7月10日出生于浙江宁波 ， 台湾积体电路制造股份有限公司(台积电)创始人 ， 被誉为“芯片大王”、台湾“半导体教父” 图源于网络每一代芯片工艺的复杂性和成本都在上升 ， 现在还能够支持最先进工艺制造的厂商已经只剩下“三家半” ， 三家是指Intel、台积电、三星 ， GlobalFoundries由于只具备10纳米制程的芯片制造技术 ， 业界只把它算作半家 。台积电的创始人张忠谋曾经在美国的德州仪器公司工作 ， 曾经做到了公司半导体业务的副总裁 ， 但终因理念不同于1983年离开德州仪器 ， 回到台湾创业 。张忠谋认为 ， 未来的世代是半导体的世代 ， 一切消费电子领域都依赖半导体 。 张忠谋时任台湾工业技术研究院院长 ， 联合了荷兰飞利浦电子公司合资成立了台湾积体电路公司 ， 简称台积电 。台积电最初的半导体技术主要来自台湾当局出资1000万美元引进的美国RCA技术转移计划 。张忠谋设想 ， 由于技术和资金实力都不充足 ， 新成立的台积电应当专门从事半导体代工 ， 为下游厂商接单生产芯片 。 这一代工模式 ， 为台积电所首创 。当时半导体产业尚处于起步阶段 ， 所需的技术要求和投资要求都不算太高 ， 这也是张忠谋得以一展才华的历史机遇 。 创立之初 ， 遭遇了全球电子领域的低谷 ， 订单稀少 ， 但张忠谋始终坚持创业的目标 ， 领导公司挺过了初创的艰难时期 。为何一个国家不能独立自主制造芯片?
▲英特尔CPU性能排行 图源于网络而从初创时期到二十一世纪初 ， 英特尔是当仁不让的行业翘楚 。之前提到的高介电常数材料、改进设计的晶体管 ， 此类技术创新都是由英特尔来完成 。 英特尔之所以能做到这些 ， 完全依赖美国雄厚的基础科学研究实力和强大的创新能力 。美国的科技实力何以至此 ， 也已经是无需论证的常识 ， 此处略去不表 。从2005年左右开始 ， 台积电的技术实力开始超越英特尔 。 晶圆代工行业毛利率很高 ， 台积电从初创开始 ， 就始终保持了充足的资金流 。台积电的大量技术人员都在美国受过高等教育 ， 台湾地区与世界发达国家群体互相信任的关系 ， 又让台积电获得了得天独厚的科研成果基础 。除此之外 ， 就是张忠谋塑造的低调专注的企业文化 。 台积电从不进行商业炒作 ， 也不搞多种经营 ， 几乎全部实力都投入了芯片制造技术的研究中 。值得注意的是 ， 未经证实的消息显示 ， 武汉弘芯项目从台积电挖掘的人才给到了200万人民币的年薪 ， 是台积电的三倍 ， 也就是说台积电的顶尖技术人员年薪也就数十万人民币 ， 可见专注和付出 ， 并不是光用钱就能买到的 。04别怕“卡脖子”台积电虽然是世界首屈一指的芯片生产企业 ， 但生产芯片所需要的设备 ， 台积电乃至整个台湾地区却不能自行生产 。生产芯片需要使用光刻机 ， 在介绍芯片生产过程的时候 ， 我们提到需要让光束透过光罩打在涂抹了阻光材料的晶圆表面 ， 将不需要的部分破坏掉 ， 再进入下一步的离子蚀刻阶段 。光刻机就是能够发出光束破坏阻光材料的一种机器 ， 在芯片制造中至关重要 。生产光刻机需要先进和强大的光学和电子工业基础 ， 世界上只有少数厂家掌握配套技术 ， 因此光刻机的价格十分昂贵 ， 通常在数千万到数亿美元一台不等 。


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