我國(guó)為何難以造出頂尖芯片？

你一定不相信，一顆3納米芯片的復(fù)雜程度會(huì)超過(guò)一個(gè)星系運(yùn)行規(guī)律，一顆指甲蓋大小的芯片中隱藏著1000億個(gè)開關(guān)，這些開關(guān)每秒鐘開合次數(shù)是地球人類總數(shù)的幾百萬(wàn)倍。

為了造出這東西，人類用了70年，即便如此世界上能夠獨(dú)立制造頂尖芯片的國(guó)家一只手都數(shù)不滿，可以說(shuō)芯片是人類智慧的終極邊界。

制作芯片首先需要一種叫作石英砂的礦物質(zhì)，全球僅中國(guó)、巴西、澳大利亞、美國(guó)北卡萊羅納州等極少數(shù)地方的基巖中才有應(yīng)用級(jí)的石英砂礦床。

把石英砂投入到2000度的熔爐里與碳一起燃燒，去氧后的東西叫做粗硅，純度為98%，還不能制造芯片……接下來(lái)要做的是無(wú)法超越的極限操作——把粗硅變成迄今為止人類制造出的最純凈物質(zhì)。

首先要通過(guò)一種叫做“西門子法”的工藝將粗硅轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，接著，在極端受控條件下將一個(gè)個(gè)原子重新凝結(jié)堆積，最終形成多晶硅，純度是99.99999999999%。

做一個(gè)對(duì)比，黃金夠純了吧？能夠提煉到99.99%，多晶硅比黃金純凈10億倍，百分之99后面有11個(gè)9。

但這依然不夠，芯片需要單晶硅，每個(gè)原子都必須乖乖的排列在一個(gè)晶格里，不能有任何一個(gè)原子偷懶插隊(duì)。

接下來(lái)，工程師會(huì)把多晶硅倒進(jìn)石英坩堝中加熱到1400℃，讓其融化成液體，然后用比芝麻還小的晶種輕輕觸碰液面，緩緩旋轉(zhuǎn)并向上提位……

奇跡會(huì)在這一刻發(fā)生，硅原子就像被晶種施了魔法，一層層的自動(dòng)排列對(duì)齊，一根巨大的單晶硅柱就這樣從溶液里生長(zhǎng)出來(lái)了。

這一過(guò)程要持續(xù)好幾個(gè)小時(shí)，最終會(huì)形成一根直徑300毫米重量超過(guò)200公斤的硅棒，硅棒中數(shù)千億個(gè)原子每一個(gè)位置都要精確，若有一個(gè)原子排列錯(cuò)位，整根硅棒就廢了，幾百萬(wàn)元瞬間被清零。

然后用鑲了金剛石的線鋸把硅棒切成薄片，厚薄與信用卡差不多，這就是我們常常聽到的晶圓。

剛切出的晶圓表面粗糙，需要經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光，打磨到原子級(jí)平整。

什么是原子級(jí)平整？若把這張晶圓放大成足球場(chǎng)，凸起的部分不能超半毫米，這才叫鏡面。

把晶圓裝進(jìn)密封容器后，由天花板上的自動(dòng)軌道運(yùn)送，全程不經(jīng)過(guò)人手……工人要進(jìn)晶圓車間工作，必須穿戴宇航員一樣的服裝，呼吸節(jié)奏都必須控制，因?yàn)闈崈羰抑忻苛⒎接⒊呖諝庵衅〉念w粒不能超過(guò)一個(gè)……

什么概念呢？你們家臥室中每立方英尺空氣中漂浮的顆粒為100萬(wàn)個(gè)，隨手摸一下晶圓，皮屑就會(huì)讓幾百萬(wàn)人民幣灰飛煙滅。

從這一刻起，芯片還要經(jīng)歷超過(guò)1000道工序，歷時(shí)整整三個(gè)月。

先在晶圓表面均勻地涂上一層光刻膠，這東西見光就會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，整個(gè)車間必須用黃色光，黃光不含足以破壞光刻膠的紫外線波段。

接下來(lái)就是價(jià)值超10億元的極紫外光刻機(jī)入場(chǎng)，其由荷蘭ASML公司制造，重量約100噸，零部件超過(guò)10萬(wàn)個(gè)，來(lái)自全球40多個(gè)國(guó)家5000多個(gè)供應(yīng)商，研發(fā)時(shí)間超30年，沒(méi)有任何國(guó)家能夠獨(dú)立制造出極紫外光刻機(jī)，全球最頂尖的芯片都必須經(jīng)過(guò)它，堪稱獨(dú)一無(wú)二存在。

極紫外光刻機(jī)又是怎樣工作的呢？

一顆極小的液態(tài)錫滴首先會(huì)從管道里噴出來(lái)落入腔體，這個(gè)時(shí)候，預(yù)脈沖激光束會(huì)迎面打來(lái)，把錫滴壓成煎餅狀。

接著主激光全力轟擊，瞬間將其氣化成等離子體，這一刻的溫度超過(guò)22萬(wàn)攝氏度，是太陽(yáng)表面溫度的40倍。

這團(tuán)地獄之火中會(huì)輻射出一種嬌貴的紫色光——極紫外光，波長(zhǎng)僅13.5納米。這種光有多嬌貴？空氣都會(huì)將其吸收掉，所以光路必須保持準(zhǔn)真空，不能用玻璃鏡頭，必須用特殊反射鏡，光在10面鏡子上連續(xù)彈射后才會(huì)落到晶圓上。

這些鏡子由德國(guó)蔡司公司制作，每反射一次光會(huì)損失約三成，反射10面鏡子后電磁波的能量就僅剩下原始光量的3%，所以光源必須足夠強(qiáng)，大部分光在路上就被鏡子吞掉了。

紫光穿過(guò)刻有芯片電路圖研磨板后，圖案會(huì)被縮小4倍，然后被精準(zhǔn)投影到晶圓表面的光刻膠上，光照到的地方化學(xué)鍵會(huì)自動(dòng)斷裂，溶液一沖就洗掉了，電路圖案就這樣被精確印了進(jìn)去……

這一過(guò)程對(duì)精度要求達(dá)到了恐怖級(jí)，做個(gè)具象比較，你在北京扔出一枚飛鏢必須精準(zhǔn)刺進(jìn)上海一只蚊子的左眼。

晶圓進(jìn)入刻蝕機(jī)后，氣體會(huì)被激發(fā)成等離子體，像無(wú)數(shù)微型導(dǎo)彈般轟擊晶圓表面，把沒(méi)有光刻膠保護(hù)區(qū)域的原子一層層地剝離，雕刻出真實(shí)的電路結(jié)構(gòu)……這套涂膠、曝光、顯影、刻蝕流程要重復(fù)百遍，最終才能在晶圓上疊出100層結(jié)構(gòu)，每一層和下一層排列整齊，誤差只允許5個(gè)原子距離。

這哪里是在做產(chǎn)品，完全是在挑戰(zhàn)宇宙最基本的物質(zhì)邊界。

而在層與層之間工程師還要給硅摻毒，用高能粒子束把磷硼這類的原子轟進(jìn)硅晶體的內(nèi)部，從而改變硅的導(dǎo)電性。

這樣會(huì)制造出兩種區(qū)域，一是有多余的電子，另一種缺少電子，在二者的交界處加入控制電極后就能夠用電壓控制電流開關(guān)，這就是晶體管，也是芯片最基本的開關(guān)，一枚頂級(jí)芯片中這種開關(guān)有1000億個(gè)，每個(gè)3納米大，是人類頭發(fā)絲直徑的20000分之一。

1000億個(gè)開關(guān)都要被銅導(dǎo)線連接起來(lái)，一層橫著走，一層豎著走，最多疊到15層，形成一棟納米尺度構(gòu)成的摩天大樓，比世界上任何城市的交通網(wǎng)都要復(fù)雜1000倍。

三個(gè)月1000多道工序，一張晶元才算完成。

但別高興太早，接下來(lái)是最殘忍的淘汰環(huán)節(jié)，布滿微型探針的探針卡會(huì)壓下去給每個(gè)芯片通電，檢測(cè)電路是否響應(yīng)正常，再生成地圖，綠色為合格，紅色為廢品，廢品會(huì)被打上墨點(diǎn)……然后，一把鑲了金剛石的微鋸片會(huì)以每分鐘6萬(wàn)轉(zhuǎn)的速度對(duì)其切割，把整張晶圓分割成數(shù)百萬(wàn)顆獨(dú)立的芯片，帶墨點(diǎn)的會(huì)被直接扔掉。

芯片檢測(cè)的廢品率往往高達(dá)50%，也就是說(shuō)耗時(shí)三個(gè)月、花費(fèi)巨資制造出的一張晶圓中有一半芯片會(huì)是垃圾……

一粒灰塵、一個(gè)原子偏差，就有可能讓幾百萬(wàn)美元打水漂，這也是為何一顆芯片賣那么貴原因，因?yàn)槟阗I的不僅是硅產(chǎn)品，還有人類歷盡千辛萬(wàn)苦僅能夠成功一半的精密極限。

合格的裸片會(huì)被機(jī)械臂拾取，貼裝到基板上，焊上比頭發(fā)絲細(xì)2萬(wàn)倍的金屬導(dǎo)線建立電氣連接。高端芯片還會(huì)反過(guò)來(lái)用底部密密麻麻地焊球?qū)踊澹@叫倒裝焊，這種工藝生產(chǎn)出的芯片性能更強(qiáng)……最后澆上黑色環(huán)氧樹脂封裝，還要加裝金屬散熱蓋，沒(méi)有金屬蓋，芯片會(huì)在幾秒內(nèi)自毀。

封裝好的芯片要通過(guò)高溫老化測(cè)試，在極端溫度下持續(xù)通電，那些有缺陷的芯片會(huì)被提前篩掉，其余的按照性能排序，強(qiáng)的高價(jià)賣，弱的打折賣。

同一塊晶圓切下來(lái)的芯片質(zhì)量卻不同，因?yàn)閹琢；覊m導(dǎo)致部分區(qū)域損壞的芯片會(huì)被鎖死、屏蔽或降級(jí)，進(jìn)而貼上低端型號(hào)標(biāo)簽出售，這是芯片行業(yè)最隱秘的商業(yè)邏輯。

最后一道工序是給芯片打上激光編碼，猶如二維碼，能夠追溯到該芯片來(lái)自哪張晶圓，哪個(gè)批次，哪條生產(chǎn)線……最后才會(huì)被焊進(jìn)電路板，裝進(jìn)你的手機(jī)、電腦以及汽車控制系統(tǒng)中。

每一枚芯片問(wèn)世都要經(jīng)過(guò)極致工藝下的提純、融化、拉棒、切割、拋光、光刻、刻蝕、摻雜、布線、測(cè)試、封裝……等1000多道工序，每一道工序都凝聚著人類在量子物理、精密光學(xué)、高分子化學(xué)等科技領(lǐng)域的頂尖成就。

我國(guó)難以造出頂尖水準(zhǔn)的微納米芯片，是被基礎(chǔ)科學(xué)薄弱限制，并非工程師們不努力。