芯片概念股都是干什么的?芯片产业科普简介

从去年开始,由于大家都知道的原因,毛衣战转变成了科技战。发生在中兴,华为等公司上的事件让芯片半导体行业进入大家的视野。一些曾经听都没听过的名词在耳边环绕,到底是什么意思也是一知半解。这周末想和大家简单说一下芯片是怎么制造的,那些耳熟能详的大公司到底是做什么的?

集成电路,半导体,芯片产业的重要程度已经不需多言。我们先来简单回顾一下整个半导体产业的历史。

半导体产业的起源在美国硅谷,硅谷汇集了各个领域的人才和资源,开发出了电脑这种跨时代的产品,带动了整个半导体的需求。半导体产业的第一次转移在1970-1980年代。当时的美国把芯片设计部分保留在自己国内,而将劳动密集型的芯片制造业移到海外以降低成本。美国忠诚的小弟日本以DRAM为入口,在美国的扶持下,成功造就了松下,索尼,东芝等企业。1980年代初,在广场协议后,半导体行业迎来了第二次产业升级。同样是在美国的扶持下,半导体制造产业从美国,日本转移到了韩国和台湾,也造就了三星,海力士,台积电等企业的崛起。

从历史来看,半导体产业的每次升级,背后都少不了美国,而且也涌现了一批超级巨头。可以预期的是,在即将到来的第三次产业转移中,谁掌握了高端IC制造,谁就掌握了整个行业的话语权,同样也会得到未来数十年的财富源泉。

半导体整个产业主要分为芯片前端设计,芯片后端制造,和芯片封装测试。

有的企业只做芯片设计,没有fab(晶圆厂),所以被称为fabless。这类企业的代表为:高通,博通,英伟达,华为海思等。

有的企业只做代工,也就是fab。不做设计,这类企业被称为foundry。代表企业为:台积电,中芯国际等。

当然也有巨头一手包办从设计,制造,到封装,销售。这类企业被称为IDM即垂直整合制造工厂。代表企业为:Intel,德州仪器等。

打开股票软件,输入芯片,会发现有芯片概念的公司有200家左右。虽然按一下F10就能大概清楚这家公司是干什么的。但是他的业务在芯片制造的哪一步骤,科技含量高不高却不清楚,中国现在到底是哪一环节被卡脖子了?这还需要从整个芯片的制造流程说起。

前端:芯片设计

造楼要有图纸,制造芯片当然也需要图纸。这部分环节包括了:规格制定,硬件描述,模拟,合成,电路模拟,布局环绕,检测,制成光罩。总之,这些芯片设计公司需要设计出一套符合要求的电路图,把这个电路图以光罩的形式送到代工厂让他们画在芯片上。

设计部分肯定是不会被卡脖子了,毕竟画图有电脑就行。相关的技术,人才中国也不会缺,最关键的还是在芯片制造。

 

后端-芯片制造 从沙子变成芯片(

1:硅片
芯片是制作在硅片上的。制作硅片首先要加工沙子。沙子在被送进熔炉加工后会形成98%纯度的冶金硅锭。然后再通过一系列的精炼加纯后,成为了纯度高达99.99999%的纯硅锭。再经过一些抛光,研磨后,变成了下图的样子。

接着进行切片,就得到了一张张硅片,也就是晶片。

2:制造
得到晶片后就可以真的来制作了。
1) 首先要将晶片清洗,烘烤脱水一下,这样可以增加芯片与光刻胶的粘附性。
2)接下来是涂光刻胶。通过旋转,离心,让光刻胶均匀覆盖在晶片的表面。

3)涂完光刻胶后,就是最重要的步骤:光刻。

光刻机开始工作,它会在最上方发射光源,透过光罩。光罩上就是设计公司画好的线路图。光穿过光罩,在透镜的指引下照射在晶片上进行曝光。透镜可以让光线聚集在需要曝光的地方,而遮挡住不需要曝光的地方。就这样,紫外线不断移动,在晶片上画出想要得到的图案(电路图)。

4)曝光完成后,光刻胶有一部分被曝光了,而有另一部分没有被曝光。被曝光的部分会变成水溶性,因此接下来要清洗掉水溶性的光刻胶。清洗完成后,会变成这样:

5)请注意,刚刚以上的步骤都是光刻机在晶片表面的光刻胶上进行作画,晶片本身是没有变化的。到了这个阶段,光刻胶已经在晶片上形成了图案,接下来就是刻蚀机发挥作用了。
晶片被送入刻蚀机后,表面有光刻胶的部分可以保护晶片不被刻蚀,而没有光刻胶的部分(上一步被冲洗掉了)会被刻蚀。

6) 刻蚀工作完成后,会在晶片上留下小小的细沟。清洗掉之前残留的光刻胶,我们就得到了一张刻有电路图的晶片了。

这时候晶片还是不导电的,所以还要在晶片里加入杂质,在细沟里填入铜,使其导电。所有的供需完成后,得到了这样的一张晶片。到此为止,整个芯片制造就算完成了。

3:封装测试

看到上图晶圆上一个个小方格了么,那就是后来的芯片。由于芯片实在太小了,无法一个个单独制作,封装测试的厂商在拿到晶圆后会将整个晶片进行切割,贴片再做成一个个芯片,经过测试和封装后,就可以交付给下游的厂商啦。

整个芯片制作流程差不多就是这样。虽然用文字描述得很简单,但其中技术的含量,工序的复杂是超过的人们的想象的。芯片制造是劳动密集型,技术密集型,资本密集型集于一身的产业,想要短时间超越难度可想而知。

 

其中,芯片的前端设计和最后的封装测试,相信对中国企业的发展无法构成阻碍。难点就在于芯片制造中的某些环节。

目前芯片制造材料还掌握在日本的手中。

而光刻机全世界也就日本和荷兰两大玩家。光刻机真是遏制中国半导体发展最关键的地方。如何提高芯片的性能?就是在有限的晶片上画出很多的电路。光刻机就像一支笔一样,只有笔尖越细,才能在纸上写更多的字。那你说,我没有细笔尖,那我的纸比别人大不行么?我同样可以写上很多字啊。理论上是可以的,但是这毫无意义。因为一个产品留给芯片的位置就这么一点,而且别人同样可以那一张更大的纸,用更细的笔吊打你。

 

先来了解一下目前世界上芯片制成工艺的水平(越小越高级)
28nm:大部分公司都能生产
14nm:中芯国际
12nm:台积电,三星,格芯
10nm:台积电,三星
7nm:台积电,三星,英特尔
5nm:台积电
3nm:台积电(预计2022年量产)

上述皆为有能力在该档次量产的公司。

前段时间,荷兰的ASML,也就是全球最高端的的光刻机厂商交付了一台DUV光刻机给中芯国际,这让中芯国际能够小规模生产7nm的芯片。而上半年,中芯国际向ASML订购的EUV光刻机却因为受阻挠,而迟迟无法交付。而现在其他主流晶圆厂都是采用EUV光刻机。EUV光刻机目前由ASML完全垄断,市场占有率100%。

DUV光刻机和EUV光刻机差别在哪里呢?

其实第一行就能明显看到,DUV光刻机的波长是193nm,而EUV光刻机的波长是13.5nm。
不需要了解波长是什么东西,光是看数据就能感受到,EUV光刻机的性能是高压水枪,而DUV光刻机就像玩具水枪。

如果中国无法得到EUV光刻机,那中国半导体行业将受到严峻的考验。因为DUV光刻机的极限是生产7nm-5nm的芯片,效率和良率更是差了EUV光刻机不是一点半点。而前段时间台积电的股东大会上,已经表示公司正在研究2nm和1nm以下的制程工艺。目前中芯国际与台积电的差距差不多是三代左右,在中芯国际能够量产7nm芯片的前提下,我们的窗口期大约为3-5年。如果EUV光刻机迟迟无法供货,那就会越来越落后。

中国有自己的国产光刻机么?国产光刻机一哥上海微电子可以生产90nm芯片的光刻机。前段时间传出上海微电子可以在2021年交付能制造28nm芯片的光刻机,我持怀疑态度。虽然28nm已经十分落后,但是光刻机其中的零部件中国自己还是无法生产,而且上海微电子据说研发费用只有6亿,要知道海外的公司可都是千亿万亿的研发费用,上海微电子想要生产28nm的光刻机实在是不太现实。

目前国产光刻机落后海外至少15年甚至20年。

看到这里会不会有一丝绝望。

但是国产自研绝对不能放弃,未来中国一定会在半导体行业加大投资。即使我们拿不到这台EUV,我们也绝不能停下我们的脚步。比如我们的北方华创,14nm先进制程的等离子刻蚀机已经正式进入生产线。我们的中微半导体等离子刻蚀设备、深硅刻蚀设备、MOCVD设备已经是世界一流水平,我们的晶盛机电在12英寸大硅片技术上也正在取得突破。中芯国际,更是承载着大家的希望,研发着7nm芯片。

中国半导体,绝对不会倒下!

本文旨在对芯片制造进行一个梳理,希望大家在投资芯片股的时候能有一个大概的逻辑。观察一下它在芯片制造中位于哪一环节,它每年的研发费用占比配得上一个半导体企业么?如果能对您有一丝丝的帮助,那就再好不过了。

本文来自:Steven 股动力投资俱乐部

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