造个芯片这么难

◉梁海涛   2018-06-28 16:44:30

芯片是怎么被造出来的?为什么我们造芯片难度那么大?要回答这些问题,就得从芯片的工作原理说起。

众所周知,只要是电子产品,就离不开芯片。芯片通常分为两种:一种是功能芯片,比如我们常说的中央处理器(CPU),就是带有计算功能的芯片;另一种就是存储芯片,比如电脑里的闪存(Flash),是一种能储存信息的芯片。

这两种芯片,本质上都是载有集成电路的硅片。怎么理解呢?就是我们在一片硅片上,按照设计刻出一些凹槽,在凹槽里填充一些介质,从而使硅面上形成许多晶体管、电阻、电容和电感,让这片硅成了复杂的电路,得以实现一些特定的功能。所以,我们才会看到芯片放大图上有那么多弯曲、平行的凸起和纹路。

听起来不难,做起来可要命。芯片的诞生分三个步骤,分别是设计、制作和封装,难度依次减弱。现在全球芯片设计基本集中在美国,制作集中在中国台湾地区和韩国,中国大陆大部分承担的是封装工作,也就是把芯片装到板上拿出去卖。可以说,在芯片的电路设计这个领域,中国的竞争力远不如美国和韩国。

设计难,制作也不简单。我们来看具体过程。首先,需要提取纯硅,就是把二氧化硅(其实就是沙子)还原成硅单质,把硅打成硅锭切片,就得到了硅片——这相当于芯片的地基。这个步骤简单,我们的技术做得很不错。

有了硅片后,就要在上面涂上一层胶,名为“光刻胶”。这是一种感光胶状物,当用紫外线加透镜去照射某一个部位,胶面会发生变化,之后利用化学原理进行腐蚀,光照过的部分就会被腐蚀掉,留下凹槽。此时,往凹槽里添加硼、磷等介质,就会出现一个半导体或者电容。以此类推,我们再涂一层胶,再照,再腐蚀,再掺入……不断重复,像搭房子一样搭出一个复杂的集成电路,也就是芯片的核心部分。

然而,以上说的只是光刻技术的基本原理,实际操作起来要复杂得多,还会涉及波长等问题。光刻最主要的器械就是光刻机,这项技术长期被荷兰、日本、德国垄断,一台机器要花七八亿元人民币,而且他们只优先提供给中国台湾、韩国等地的大客户。中国大陆也有自己的光刻机,但是和世界先进水平比,差距还很大。

现在看来,中国要真正做出自己的芯片,顶层设计和光刻技术是两大难题。但我们也有理由相信,以中国的科研实力和技术积累,突破这两个难关只是时间问题。

(聃 尘摘自《环球人物》2018年第9期,辛 刚图)

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