从砂子到芯片——芯片（IC）全产业链梳理

来源:半导体圈子发布时间:2023-03-152230浏览

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从一堆沙子，到一个精密的芯片，这中间究竟经历了什么环节，各个环节又需要什么样的技术呢？

1.从砂子到硅片。

所谓“半导体”，是一种导电性能介于“导体”和“绝缘体”之间的物质总称。导体能导电，比如铁铜银等金属，绝缘体不导电，比如橡胶。芯片的制作为什么要用半导体？因为半导体的导电与所加电场方向有关，即它的导电是可以有方向性的。比如，给半导体两端加上正电压，它可能就导电；反之，将它两端所加的电压极性反过来，就不导电。而这种性能，可以做成“电子开关”。我们都听说过“计算机做的都是二进制的0-1运算”，这种运算体现在物理层面就是指“高低电位的变化”，高电位代表1，低电位代表0。高低电位在复杂的电路设计下面可以实现复杂的转化，这样表现出来就好像是计算机在做01运算。半导体的这种电学特性可以设计成电子开关，可以很好实现高低电位的转化。

在自然界中，获取成本最低的半导体就是硅。而硅料的提取是熔炼砂子。提到这里可能有朋友想到“光伏电池片用的也是硅片”。没错，生产芯片和生产光伏电池片在硅片制作环节是非常相似的，都是需要先熔炼取硅，然后做切割、研磨等工艺，因此，你可能会看到一些光伏产业链的股票也伴有半导体概念，比如高测股份。

芯片用硅和光伏用硅最大的区别就在于纯度不同。在纯度方面，光伏用单晶硅片的纯度要求硅含量为4N-6N之间（99.99%-99.9999%），但是半导体用单晶硅片在9N（99.9999999%）-11N（99.999999999%）左右，纯度要求最低是光伏单晶硅片的1000 倍。在外观方面，半导体用硅片在表面的平整度，光滑度和洁净程度要比光伏用硅片的要求高。

总结来说，砂子到硅片需要经过熔炼、切片、研磨、蚀刻、抛光等过程，最终形成一片片的晶圆（所谓晶圆，就是圆形的高纯度硅片）。

硅料领域主要有TCL中环，切片领域主要有高测股份，抛光领域主要有华特气体、鼎龙股份等。

好了，此时你得到了一片片处理好的高纯度硅片，接下来我们就需要我们需要在晶圆上雕刻电路，形成能用的芯片。在下面的工艺流程中，大致可以分为前端工艺、后端工艺和测封。前端工艺指的是设计，后端工艺指的是制造。

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2.前端设计

遥想当年在没有计算机辅助的情况下，电路设计都是许多人趴在一张大纸上画。现在有了计算机，人们可以利用计算机像写代码一样去设计芯片。芯片的功能是由设计决定的，比如CPU和GPU，二者在电路设计上就不同，GPU在硬件电路设计上就比CPU更适合大规模运算。我们常听说的手机CPU是几核的，也是设计层面的东西。

设计IC的软件叫EDA。EDA是面向电子设计领域的基础工具，包括电路设计、版图设计、版图验证、性能分析等，是集成电路产业的战略基础支柱之一。国内最著名的做EDA的企业就是华大九天。

EDA用的编程语言叫Verilog。1986年，硬件描述语言Verilog问世，Verilog HDL是一种硬件描述语言，以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。1987年，VHDL问世， Verilog HDL和VHDL是世界上最流行的两种硬件描述语言。得益于这些硬件描述语言的出现，它们进一步推动了集成电路设计水平的提升，使得可以设计出更复杂更精细的芯片。如果你读计算机专业，基本上都会有硬件语言设计这门课，反正我当年是被折磨的不轻哈哈。

在EDA领域，我们也是被卡脖子的。国内有非常多优秀的IC设计公司，比如华为海思、紫光国微，景嘉微等，但因为设计工具EDA受限而处处受制于人。EDA是我国芯片设计领域最卡脖子的环节，华大九天EDA的全球占有率只有1%左右（2020年数据），因此在这一块我们也是道阻且长。

3.后端制造

在芯片设计完成之后，接下来就是制作了。首先，在光刻之前，我们会先生产一块掩模板，掩模板上刻画着我们设计好的电路，然后在晶圆片上涂上一层光刻胶，用特定的紫外线透过掩模板照射在涂有光刻胶的硅片上，就会在硅片上形成与掩模板上一样的电路图。光刻胶也是我们被卡脖子的领域，国内做光刻胶比较有名的公司比如彤程新材。