光刻機之外，國產晶片還有這些難題要解決-今日必看

光刻機之外，國產晶片還有這些難題要解決

來源：追劇小能手釋出時間：2023-03-14 15:40

劃重點：

1除了光刻機以外，在我國半導體龐大的產業鏈中，還有許多環節還處於發展的初期，好比半導體材料、半導體裝置、EDA等方面，都是洽商的關鍵環節。
2半導體材料是晶片行業的根基。目前，國產半導體材料整體還相對薄弱，在品類豐碩度和競爭力處於劣勢地位。
3半導體關鍵裝置，目前全球市場基本被美日荷三國壟斷，這也是為什麼這次美國拉攏日、荷來商討限制對中國出口進步前輩晶片製造裝置的協議的原因。
4自全球三大EDA巨頭大舉進入海內，再加上美國對華限制政策，影響了海內EDA的發展，EDA逐漸成為海內半導體產業鏈中最為薄弱的環節之一。

“芯事重重”策劃是《新產研》欄目重點研究的方向之一，本期聚焦國產晶片，除光刻機之外的製造困難。

作者：溫戈，編纂：李海丹

光刻機作為半導體裝置三大件之一，被譽為“半導體產業王冠上的明珠”。2023年1月，跟著美國拉攏日本、荷蘭達成新的限制對中國出口進步前輩晶片製造裝置的協議，將圍堵“中國芯”的事件推向了一個熱潮，也成為了全民關注的焦點話題。

根據國家統計局釋出的《中華人民共和國2021年國民經濟和社會發展統計公報》，2021年我國積體電路出口數目達3017億個，比上年增長19.6%，出口總額達9930億元，比上年增長23.4%；2021年積體電路入口數目為6355億個，比上年增長16.9%，入口總額為27935億元，比上年增長15.4%。作為對比，2021年原油入口總額約為1.66萬億元，晶片入口總額是原油的1.7倍。巨大的貿易逆差讓我國在國際貿易中處於不利的地位，所以晶片是我國亟待解決的題目之一。

基於該背景情況下，近期業內有許多專家解讀了製造晶片的核心裝備——關於光刻機的重要性。實在，除了光刻機以外，在我國半導體龐大的產業鏈中，還有許多環節還處於發展的初期，國產晶片的崛起，任重而道遠，主要有三方面，需要我們關注：

第一，是作為晶片根基的材料，海內公司的市佔率極低。第二，半導體裝置方面，晶片的產出任何一個環節，沒有半導體裝置的支撐，都難以完成晶片的交付，但目前國產率在全球市場中的佔比中較低。第三，被譽為“晶片之母”的EDA領域，國產方面仍舊受制於人。本文將從這幾個方面，剖析海內的現狀，進而為大家呈現一個清楚、立體的國產晶片工業格式。

01 半導體材料：利潤不可觀，國產佔有率低

有許多人都知道，晶片是由沙子製作的，但縱觀晶片製造的整個環節，所需要的材料不止於此，好比光刻膠、拋光液、靶材、特種氣體等不可或缺。後端封裝也需要各種材料的基板、中介層、引線框架、粘接材料等。如下圖是一個3D封裝晶片的示意圖：其中天藍色的是基板（Package Substrate），基板中存在引線（Standard Package Trace）, 灰色的是中介層（Silicon interposer）,這些都晶片中必要的材料。

半導體材料是晶片行業的根基，晶片製造沒有原材料，就比如“巧婦難為無米之炊“。目前，國產半導體材料整體還相對薄弱，在品類豐碩度和競爭力處於劣勢地位，2021年海內半導體材料國產化率僅約10%左右。

回望海內半導體材料發展的歷史，半導體是導電性介於導體和絕緣體中間的一類物質。與導體和絕緣體比擬，半導體材料的發現是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以後，半導體的存在才真正被學術界認可。半導體領域的前驅科學家在半導體材料方面做出了巨大的努力，才讓今天海內在材料領域據有一小片天地。正如林蘭英院士所說：“假如不靠自己努力，也許許多材料我們現在都沒有”。

圖左二：林蘭英院士，半導體材料學家

1955年6月，林蘭英在獲得賓夕法尼亞大學固體物理學博士學位，也是該校建校115週年以來第一位女博士。畢業之後，為了接近美國半導體材料研究的前沿，她在著名的希凡尼亞（英文稱“Sylvania”）半導體公司任高階工程師，並匡助公司解決了諸多技術難題，獲得了公司的器重。即使年薪豐厚，但他鄉再好也抵擋不住林蘭英報效祖國的決心，在把握了固體材料研製方面的知識後，她便積極規畫回國。

1957年，林蘭英以旅行為名領到一張簽證，衝破重重阻擾，毅然決然返回祖國。當時海內在半導體材料方面幾乎處於空缺的狀態，林蘭英當即開展研究，並於1957年拉制成功第一根鍺單晶，於1958年拉制成功第一根矽單晶，中國也成為世界上第三個出產出矽單晶的國家。隨後林蘭英又著手於砷化鎵材料的研究，併成為世界上最早在太空製成半導體材料砷化鎵單晶的科學家。林蘭英是我國半導體材料科學的領路人與開拓者，沒有她在半導體領域的成就，海內在半導體領域會更加落後。

儘管比擬光刻機，半導體材料所涉及的技術及高精尖儀器並不像光刻機那樣複雜。但由於海內在半導體材料領域的研究持續投入不足，加之這個行業的利潤比擬其他科技領域，利潤並不盡如人意，導致目前海內的市佔率較低。未來幾年，國家政策和基金開始向材料側傾斜，國產半導體材料廠商也迎來了機遇和挑戰。

02 半導體裝置：全球市場基本被美日荷三國壟斷

除了被“洽商”的光刻機，半導體領域還有許多關鍵裝置。好比：自動測試裝置、刻蝕機、離子注入機等，這些都是晶片產業鏈條裡的關鍵環節。

首先說自動測試裝置。在半導體產業鏈中，一顆晶片的生命週期開始於對市場需求的分析，跟跟著產品的定義、設計和製造，封裝完成以後交付到終端消費者手中，在整個流程中需要經由多次測試。而晶片自動測試裝置中集成了眾多精密的儀器，整體的造價也十分昂貴，一臺價格也高達千萬美元。目前，全球半導體測試機主要市場仍被美國的泰瑞達、日本的愛德萬兩大海外龍頭佔據，國產化依然有著很大的增長空間。

刻蝕機也是非常重要的裝備。跟著半導體制程的微縮和結構的複雜化，半導體刻蝕裝置的種類和技術難度遞增。但目前刻蝕裝置領域長期由海外龍頭壟斷。根據 Gartner 統計，全球刻蝕企業前三大分別是泛林半導體(中國臺灣）、東京電子（日本）、應用材料（美國），全球市佔率合計 91%。海內刻蝕裝置出產廠商在全球刻蝕裝置市場的市佔率總計不足2%。不外，近些年來海內刻蝕廠商依託資本和政策攙扶，有了快速的晉升。例如中微公司的介質刻蝕已經進入臺積電 7nm/5nm 產線，是目前獨一進入臺積電產線的國產刻蝕裝置生產商。

另外，離子注入是晶圓製造摻雜核心工藝，技術壁壘僅次於光刻、刻蝕、薄膜沉積。目前，本土晶圓廠一般會將7%~10%的裝置開支用於離子注入機。離子注入機則是為矽晶圓注入要摻雜的原子，從而晶片獲得特定的電效能，否則我們即使做出來晶片，也無法正常工作。除此之外，半導體裝置還包括清洗機、用於後道的封裝光刻機、晶片分選機等。

我們需要關注的是：目前，半導體裝置市場目前主要由美、日、荷三國企業基本壟斷。根據CINNO Research的資料，2022年上半年十大半導體裝置企業中，3家美國企業，5家日本企業，2家荷蘭企業，沒有一家中國企業。這也是為什麼這次美國拉攏日、荷來商討限制對中國出口進步前輩晶片製造裝置的協議的原因。

除了集眾多高精尖技術的光刻機，其他半導體裝置我國已經開始加速國產替換化的程序，但形勢依然不容樂觀，目前海內依然無法做到進步前輩工藝的全流程國產化。在成熟工藝的市場上，我國半導體的自給率目前大約在20%左右，依然有巨大的替換空間。固然中芯國際和華虹宏力能完成28奈米工藝的量產，但尚未完成產業鏈的完全國產化，目前落後的環節主要仍是在關鍵裝置和材料上。

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