何以成为必争之地：集成电路制造浅析

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最近，外国媒体路透社报道称，TSMC计划在亚利桑那州投资120亿美元建设一家芯片工厂，这将创造1600多个就业机会，资金将在2021年至2029年到位。

亚利桑那工厂将于2021年建成，如果进展顺利，它可以在2024年生产用于高端防御系统和通信设备的5纳米芯片。该工厂每月将处理超过20，000个晶片，每个晶片将包含数千个独立芯片。

随着TSMC在美国的确立，集成电路再次进入公众的视野，而集成电路制造业作为集成电路产业链中的一个重要环节，在中美贸易摩擦过程中尤为关键。

如今，随着芯片制造技术的不断提高，芯片中可以有数百亿个晶体管。

芯片上有多少晶体管是集成电路制造业高端的原因。

整个制造过程涉及很多基础科学、资金、技术和高端设备，因此非常复杂。同时，作为硬件基础，集成电路的性能对于人工智能、物联网、计算机、通信、汽车、航空航天等领域的发展尤为重要。

集成电路结构

下图是芯片的照片，清楚地显示了芯片内部的分层结构。

集成电路在芯片内部分层排列。线宽越小，越窄，越靠近器件层。最底层是器件层，即晶体管(mosfet)。

芯片中的晶体管不仅是mos晶体管，也是三栅极晶体管，它们不安装在芯片上，而是在芯片制造时就已经存在。

集成电路设计

当设计芯片时，芯片设计者将使用eda工具来规划芯片的布局，然后对它们进行布线。

下图显示了集成电路设计软件中的布局设计界面。白点是基底，一些绿色框架是掺杂层。

集成电路制造企业晶圆代工厂根据芯片设计者设计的物理布局制造芯片。

集成电路制造

芯片制造过程分为七个主要生产步骤，即扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光和金属化，其中光刻和刻蚀是核心的两个步骤。

光刻是制造芯片制造所需的电路和功能区域。来自光刻机的光通过带有图形的掩膜曝光涂有光刻胶的薄片，光刻胶的性质在看到光后会发生变化，这样掩膜上的图形就可以复制到薄片上，薄片就具有了电子电路图的功能。

平版印刷术的功能类似于照相机摄影的原理。相机拍摄的照片印在底片上，而光刻技术在晶片切片上印刷电路图和其他电子元件。

蚀刻是通过化学或物理方法从硅片表面选择性去除不需要的材料的过程。

在一般的晶片处理流程中，蚀刻工艺位于光刻工艺之后，并且图案化的光致抗蚀剂层在蚀刻期间不会被腐蚀源显著腐蚀，从而完成图案转移的工艺步骤。因此，蚀刻是复制掩模图案的关键步骤。

制造步骤可以简单地演示如下:

用准备好的掩模版覆盖涂覆有光致抗蚀剂的晶片(硅晶片)，然后通过掩模版用紫外线照射晶片一段时间。部分光致抗蚀剂被容易腐蚀的紫外线损坏。

溶解光致抗蚀剂:曝光于紫外线的光致抗蚀剂在光刻过程中溶解，去除后留下的图案与掩模上的图案一致。

蚀刻:用蚀刻溶液蚀刻掉变质的光致抗蚀剂，晶片表面将显示半导体器件及其连接的图案。然后，使用另一种蚀刻溶液蚀刻晶片以形成半导体器件及其电路。

清除光致抗蚀剂:蚀刻后，光致抗蚀剂的任务被宣告完成，并且在所有光致抗蚀剂被清除后，可以看到设计的电路图案。

超大规模集成电路上有超过100亿个晶体管是这样雕刻的。晶体管可用于各种数字和模拟功能，包括放大、开关、电压稳定、信号调制和振荡器。

集成电路上的晶体管越多，工作效率越高。同时，减小尺寸以降低功耗，并且减小尺寸的芯片使其更容易放置在移动设备或装置中，满足便携性的要求。

随着芯片技术的发展，游戏仍在继续

目前，芯片制造有两大趋势，一是晶片越来越大，可以切割更多的芯片，节省效率；二是芯片制造工艺正在萎缩。

制造工艺，即栅极的最小宽度(栅极长度)。栅极的宽度决定了电流通过时的损耗，它显示了芯片发热和功耗。宽度越窄，功耗越低。随着制造工艺的减少，可以在芯片中插入更多的晶体管，这提高了芯片的工作效率，降低了功耗，同时减小了尺寸。

集成电路制造过程复杂，半导体在消费电子和国防设备中发挥着关键作用。因此，大量先进芯片集中在亚洲，这也是美国政府将中国视为战略竞争对手的原因之一。

在6月9日的TSMC股东大会上，陆德银董事长重点讨论了TSMC在美国成立的问题，认为这一计划的成功取决于美国政府是否愿意提供相应的补贴。

可以看出，在美国的压力下，TSMC已经把它在美国的工厂提上了日程，但是工厂的时间和规模已经证明，这不是TSMC的一个重点项目。关于半导体技术的游戏充满变数，结果仍然未知。