半导体系列第①篇
作者：松松
排版：松松
各位读者好，又和大家见面了。
今天做半导体方面的分享，是半导体系列的第一篇。
半导体是极度热门的话题。一方面，半导体相关概念股票非常的火热，经常持续走强，多股创新高，随便打开一个交易软件，输入几个较热门半导体概念股，只会一声叹息，“为何我早没上车呢！”
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另一方面，媒体又在各种报道中反复提及芯片的重要性，尤其在最近中美贸易的摩擦中，芯片的政策动向让无数中国企业绷紧神经。
什么是半导体？它和芯片、集成电路的关系是什么？半导体产业链有什么投资机会？
半导体产业链非常的复杂，而且偏工科难以理解，但是我们一步一步慢慢来，我们将从上到下，从宏观到微观，由浅到深，逐渐扒开半导体的神秘面纱。
作为半导体产业链分析的第一篇，主要是讲清楚芯片的生产过程和其中的一些名词，为我们接下来的分析打好基础。
01半导体是啥
半导体实际上是指一种材料。它的导电性能介于导体与绝缘体之间，因此称之为半导体。半导体主要是硅、锗、砷化镓等，硅是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种，美国高新产业区命名“硅谷”也由此而来。
硅之所以能够有半导体的特性，和它的原子结构密不可分。这里秀一点初中化学知识。
硅在元素周期表中排第14个，第一层有2个电子，第二层有8个电子，最外层有4个电子。
众所周知，最外层电子数量多的（如最外层6个、7个）容易获得电子，少的容易失去电子，4个刚好处于中间，即不容易失去电子也不容易得到电子，比较稳定，易于通过各种人为手段控制，除此之外，硅的原料普遍，制备容易，性能稳定，安全无毒，因此是半导体的良好材料。
元素周期表
正向上述分析的，半导体平时不导电，但在一定的条件下（掺加其他元素、改变温度等情况）又可以导电，因此使用场景极其丰富。
我举个例子简单聊一下半导体这种材料的应用从而方便非工科的读者加深理解。
比如，二极管就是半导体广泛的应用之一（也是半导体产业链中重要的基础产品），它可以实现对交流电整流、对调制信号检波、限幅和钳位以及对电源电压的稳压等多种功能。【1】
二极管图示
二极管之所以上述功能，核心原因是它具有单向导电的性能，它就像开关一样控制电路的接通与断开。它之所以拥有这样的性能，这和半导体本身的性质息息相关。
二极管是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。这里的PN结就是实现单向导电的核心。
回到我们刚说的，半导体掺加一些其他元素就可以导电。将硅等半导体材料掺入Ⅴ族元素（常用的有磷P、砷As），多出的电子能够作为导电的来源，这种掺杂手段被称为N（Negative）型掺杂。【2】
而如果在硅等半导体材料掺入Ⅲ族元素（常用的有硼B、氟化硼BF2），Ⅲ族元素相比Ⅳ族的外层电子少一个，这种缺少电子的空位被称为空穴，空穴同样能够导电，对应的掺杂手段被称为P（Positive）型掺杂。【3】
聪明的科学家想到了，如果将这两个掺杂的半导体结合在一起，N型多出的电子就会跑到P型那些空位上去了，一直到电场平衡为止，这就是大名鼎鼎的“PN结”。
PG结
因为电子总是从N侧跑到P侧，因此PN结具有单向性。这样的特性就在二极管中得到了应用，使得二极管拥有整流、检波、限幅稳压的功能。
依照PN结的原理加以升级，会产生丰富的“升级应用”，比如三极管（两个PN结组合）、发光二极管（通过PN结“电转光”）等。
不禁感慨科学真的很奇妙。人类利用一些材料的特性加以改造与组合，从而实现特定的功能。随后，这些基本的功能被不断完善、改良、再组合，就像搭建房屋一般，逐渐构造了人类璀璨的文明。
在理解半导体的概念之后，我们现在来区分半导体和芯片、集成电路的关系。这里我直接复制粘贴知乎大神 @Hetzer Manning形象的比喻和解释。
“半导体是一种材料，主要是硅、锗、砷化镓等。集成电路是用半导体材料制成的电路的大型集合，芯片是由不同种类型的集成电路或者单一类型集成电路形成的产品。
用日常用品做个比喻，半导体各种做纸的纤维，集成电路是一沓子纸，芯片是书或者本子。”
因此做个总结，半导体是材料，集成电路是基于这些材料的电路集合，芯片是集成电路组合封装后的产品。
02硬核-芯片的制造过程
在搞清楚这些基本概念之后，我们就进行行业梳理。和之前的新能源产业链分析类似，我们先整体看一下产业链的情况。
半导体产业链图解
这张图非常重要，会持续陪伴我们，贯穿整个半导体产业链的分析。虽然这张图无法详细的涵盖整个半导体产业链，但是却可以帮助我们搭建两个重要的基础知识：
1、半导体产品按照类型划分为集成电路和OSD，其中集成电路的市场份额占绝对主导地位，因此谈到半导体难免会谈到集成电路和芯片，有时候甚至直接用芯片指代半导体产品。而集成电路及OSD又可以分为更多的子产品类别。
2、和大多数产品一样，芯片也经历设计、制造、封装测试的环节，随后被组装到制定设备中（如把手机芯片安装到手机中），再随设备销售给消费者。
一般而言，半导体产品还是比较好理解的，就算你不是工科生，只要百度一下，大概了解下产品是做什么的，谁在生产、市场份额和竞争情况如何，就会有点感觉。但是芯片的生产过程比较晦涩难懂。
这段时间，我看了很多相关的文章，也到B站上观看了很多UP主的视频，我觉得没有一篇文章或者视频通俗易懂且完整的描绘出芯片的生产过程，有些写的太专业，读不懂；有些前面文案还可以，但后面主题就逐渐偏离了。于是我重新整理了资料，希望每一个读者都能明白芯片是怎么诞生的。
如下关于芯片制造的描述我主要参考了两篇文献，我对他们的文章进行了整理、补充、再理解。在此列出作者（或来源）及文章名称表示尊重和感谢，作为公众号写手深知原创不易：
第一篇：中科君芯. IC芯片生产流程：从设计到制造与封装
第二篇：智通财经网.芯片是怎么制造的？看完这篇你就懂了！
现在，我们开始吧！
第一步：芯片设计
芯片的所有功能的实现都依靠优秀的设计，因此，设计师是芯片的灵魂。按照一般的设计流程，首先，需要使用芯片的厂家找到设计师，告诉设计师想要实现的功能，对大方向做设定。
同时，设计师需要参考业内的一些标准和规范，确认芯片的功能规范，这一步叫做规格制定。
随后，设计师开始“画图”。这里的图有三个。首先，用硬体描述语言（HDL）将电路描写出来，类似程序员写代码似的，然后对其反复修改。
HDL
其次，画出平面的设计蓝图，即将确定无误的HDL代码，放入电子设计自动化工具（EDA tool）变成逻辑电路。顾名思义，逻辑电路并不是真的电路图，它是计算机语言的逻辑判断，比如两个点都输入1，则输出为1，否则输出是0。
逻辑线路
最后，在软件的帮助下，设计师进行电路布局与绕线，逻辑电路会变成真正的电路图，图中会将二极体、电阻等东西放进去。
集成电路图
接着，每一层的电路都会被制作成光罩。图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜色，每种不同的颜色就代表着一张光罩。
光罩又称掩模版、掩膜版，英文名称 （MASK 或 PHOTOMASK），该产品是由石英玻璃作为衬底，在其上面镀上一层金属铬和感光胶，是一种感光材料。它主要用来承接芯片制作的电路板。【4】
光罩上的集成电路图
这里需要明确，芯片的电路设计图是平面的，但是实际上，芯片的电路是分好几层的，就像平地而起的楼房一般。
下图就是横截面的电路图，不同颜色代表着不同的功能，不同颜色也被制作成不同的光罩。
芯片设计不是在白纸上画画，而是在白纸上构建一座百货大楼。而且这样的百货大楼还必须在很小的空间完成并实现其功能。芯片设计的难度可见一斑。
光罩的横切面
光罩完成后，设计步骤完成，随后光罩就被送到制造厂开始制造了。
第二步：芯片制造
芯片的制造本质是就是把画在光罩的电路图通过光刻机复制在晶圆上。晶圆就是硅等半导体材料提纯、切割的结果。
我们先解释晶圆是怎么来的。制造商们先找到沙子，然后加入碳，以氧化还原的方式，将氧化硅转换成98%以上纯度的硅。
随后将其融化，以单晶的硅种（seed）和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的向上拉起，形成像铅笔一样的单晶硅柱，这就是拉晶的步骤。
之后，再用钻石刀横向切割，形成晶片，再抛光形成晶圆。
芯片制造流程图1
晶圆按照切割的半径大小又分为8寸、12寸。直径越大成本越低但是难度也越大。
有了设计图光罩和载体晶圆之后，就需要雕刻。光刻机就是为了这个目的存在的。光刻的过程是把平滑的硅晶圆按照设计图“去伪留真”。
简单地描述下这个步骤。首先在晶圆上涂上光刻胶（也叫光阻剂），随后使用紫外线透过光罩照射，把不在光刻胶保护范围内的晶圆溶解掉（光阻剂分正胶和负胶。负胶的功能是使得受到光照的部分会变得不易溶解，正胶功能正好相反。这里举例负胶），形成凹槽；
接着再以离子束蚀刻凹槽部分，形成和光罩上设计图一模一样的结构，然后洗掉光刻胶。
随后，把硼或磷注入，然后添加铜，赋予硅晶体管特性（想想之前我PN结的描述），最终大功告成。
简单地说，光刻就是这四步，但真实的制造过程极其复杂，至少有18个小步骤并且需要反复调整和重复雕刻。
芯片制造流程图2（光刻的步骤）
最后，晶圆加工完毕，上面布满了所有的所需器件，金光闪闪。
加工后晶圆实景图
这里我还是要强调一下，和光罩一样，晶圆上面的电路布局并不是一个平面，而是立体的结构，就和百货大楼或者密集交织的高速公路一样。如下图，最下面蓝色的部分是晶圆，黄色的部分是按照设计图光刻后完成的电路成品。
IC的横截面
在本就面积不大的晶圆上层层制造复杂的电路结构，一切还得准确、无尘，芯片制造怎么能不难呢？
第三步：芯片封装
晶圆在光刻之后，就进入封装和测试阶段。晶圆经过切割、封装、测试、就形成了我们熟悉的骁龙875（高通的手机芯片）、麒麟990系列（华为的手机芯片）等。
芯片制造流程图3（封装与测试）
现在，芯片的制造流程全部完成了。
03 半导体的其他小知识
明白芯片的制造过程之后，我们趁热打铁补充两个知识。芯片制造既然如此复杂，企业根据自己的实力会占据不同的地位，芯片行业的基本运作模式有如下三种。
三种运作模式
聪明的读者可以发现，这三种模式左边的最牛X，右边的就差点意思。的确，和其他行业一样，半导体产业链上的各环节附加值不同，即有赚钱多的环节，也有赚钱少的环节。半导体产业链上的附加值情况如下。
半导体产业链微笑曲线
04后记
接下来我们会继续的半导体的研究，之后会陆续推出一系列文章，从产业链中的各个环节逐步深入，分析子环节的市场和玩家，逐步了解这个产业链，帮助大家找到好的投资机会。
由于这种分析太硬核，我可能需要较多的时间（本文我写了3周），因此公众号依旧会穿插一些新能源汽车或者财经热点的短评，软硬结合，快乐分享。
最后，还要提及我的一位前同事对本文的贡献，本文第三部分的两张图都源于他的PPT，我直接沿用了。
实际上，他的贡献不仅是PPT。在离职之前，他做了一个关于半导体投资的分享，十分精彩，让我初步体会到半导体行业的魅力，是促使我开始研究半导体的主要原因。
除此之外，他侧面展现了半导体的魅力：这位同事拥有着言承旭的颜值，更夸张的是他在上海拥有数套房，这次离职也是为了回家继承家业，是妥妥的高富帅。连高富帅都关注的领域，我咋能不关注呢！
哈哈开个玩笑。仅以此文表达对他的感谢，祝福他在新的道路上一切顺利，前程似锦。
全文完。感谢您的耐心阅读。写文不易，麻烦亲点赞啦~
原创不易，转载请后台联系并注明出处。原文发表于同名公众号。肥鱼投资长期关注半导体、新能源汽车领域，时而深度长篇，时而轻松短评。定期更新，欢迎关注~
参考文献
【1】ThomasL.Floyd, DavidM.Buchla. 模拟电子技术基础[M]. 2015.
【2】【3】史晨星. 半导体全面分析（一）：两大特性，三大政策，四大分类！
【4】百度百科.光罩
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