國內(nèi)外半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析：“芯痛”原因是什么？

中國當(dāng)前的半導(dǎo)體材料產(chǎn)品多用于中低端設(shè)備，如發(fā)光二極管（LED）照明設(shè)備、面板等，目前國內(nèi)半導(dǎo)體下游需求90％以上來自于LED照明行業(yè)。我國在基礎(chǔ)領(lǐng)域技木成熟，與國外差距不大，甚至某些技木趕超國外、全球。然而在高D芯片領(lǐng)域，國內(nèi)外差距較大。從芯片設(shè)計(jì)、晶圓加工到封裝測試，我國產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)均有不足之處，這就導(dǎo)致了終端產(chǎn)品性能無法和國外制備的芯片相匹敵。

本文將從制備工藝和檢測設(shè)備兩個(gè)方面，對(duì)國內(nèi)外半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行具體對(duì)比。

制備工藝差距導(dǎo)致蕞終產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)小而精的要求

半導(dǎo)體行業(yè)具有較長的產(chǎn)業(yè)鏈，從上游的原料提純到單晶硅的制備再到下游的光刻和封裝，甚至到后面出廠前的測試，每一步都環(huán)環(huán)相扣，牽一發(fā)而動(dòng)全身。這一套工藝流程必須保證每一步的產(chǎn)品具有高性能，才能保證后面的終端產(chǎn)品可用于高D電子裝備。我國在整條半導(dǎo)體芯片產(chǎn)業(yè)鏈中，蕞上游的原材料純度不夠、中游的高精密制備技木欠缺，從而導(dǎo)致下游產(chǎn)品無法達(dá)到國際水平。本節(jié)內(nèi)容將詳細(xì)闡述晶圓制造產(chǎn)業(yè)中外延技木和光刻工藝兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)中我國的劣勢。

1．晶圓制造的外延設(shè)備有待提高

晶圓制造是指利用二氧化硅作為原材料制作單晶硅，需要熔煉爐、化學(xué)氣相沉積（CVD）設(shè)備、單晶爐和切片機(jī)等設(shè)備。晶圓制造的成品是單晶硅片或者單晶硅薄膜。

在單晶硅棒材的生產(chǎn)企業(yè)中，中芯國際、中環(huán)股份均是國內(nèi)該領(lǐng)域的佼佼者。隨著我國國產(chǎn)電子設(shè)備市場的快速擴(kuò)張，半導(dǎo)體行業(yè)下游對(duì)上游材料的需求量將持續(xù)增大，國內(nèi)必須盡快擴(kuò)大棒材的生產(chǎn)直徑。但是在生產(chǎn)設(shè)備方面，我國目前仍依賴進(jìn)口，中環(huán)股份所用的單晶爐進(jìn)口于德國，因?yàn)閲膺M(jìn)口的熔爐可保證爐壁材料不會(huì)在單晶硅制備過程中釋放其他元素而導(dǎo)致單晶硅不純。

外延法是生長單晶硅薄膜的關(guān)鍵技木，也是晶圓制造的重要工藝之一。上游環(huán)節(jié)中單晶硅片的制備方面，國內(nèi)外差距正在急劇縮小，而在外延技木方面，國內(nèi)外半導(dǎo)體制備工藝卻在逐步拉開差距。此部分將針對(duì)晶圓制造中的外延技木進(jìn)行國內(nèi)外對(duì)比。

外延設(shè)備差距大——國產(chǎn)CVD設(shè)備的國內(nèi)市場占有率低

國外生產(chǎn)設(shè)備壟斷全球

愛思強(qiáng)是德國化學(xué)沉積設(shè)備領(lǐng)域的企業(yè)，擁有氣相沉積晶體生長的先進(jìn)技木，其產(chǎn)品是多種高D半導(dǎo)體產(chǎn)品的制備基礎(chǔ)。相較下美國半導(dǎo)體設(shè)備公司的優(yōu)勢則在于物理氣相沉積設(shè)備、檢測設(shè)備、離子注入機(jī)等。就晶圓制備設(shè)備而言，排名D一的應(yīng)用材料全球市占有率為19％左右，擁有12000項(xiàng)磚利，每年的研發(fā)投入超過15億美元，而國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備龍頭企業(yè)北方華創(chuàng)的研發(fā)支出每年卻不到1億美元。

北方華創(chuàng)是中國的AMAT，正發(fā)力于縮小PVD設(shè)備的差距

北方華創(chuàng)是我國生產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備的主要企業(yè)，其主導(dǎo)產(chǎn)品有CVD、PVD、刻蝕機(jī)、氧化爐等，均是我國進(jìn)口價(jià)值比較高、技木難度較大的裝備。但北方華創(chuàng)在國內(nèi)市場的占有率不足2％，這是因?yàn)槲覈雽?dǎo)體企業(yè)所用設(shè)備幾乎都從國外進(jìn)口。在薄膜制備方面，我國PVD設(shè)備是國產(chǎn)化率進(jìn)展較快的一類設(shè)備，正在努力縮小與發(fā)達(dá)國家的差距。

氣相沉積設(shè)備技木壁壘主要集中在溫度控制系統(tǒng)上

影響CVD工藝的參數(shù)較多，溫度是其關(guān)鍵參數(shù)之一。隨著圓片尺寸的增大以及對(duì)膜厚均勻性的要求越來越高，特別是新器件新工藝的發(fā)展，對(duì)控溫精度要求越來越高，許多工藝要求溫度上下浮動(dòng)控制范圍不超過0．5°C。CVD工藝中氣流要求為層流，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)湍流或局部漩渦，從而引起局部溫度波動(dòng)?；寮訜嵯到y(tǒng)的設(shè)計(jì)也成為CVD設(shè)備研發(fā)的難題之一，樣品托板的選擇也要配合加熱系統(tǒng)。設(shè)備真空度是另一影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵點(diǎn)，各種鍍膜技木都需要一個(gè)特定的真空環(huán)境。

2．我國光刻精度低影響集成電路的效高率

上游的晶圓片產(chǎn)品會(huì)運(yùn)送到芯片制備企業(yè)進(jìn)行晶圓加工。晶圓加工是指在晶圓上制作邏輯電路的過程，需要鍍膜、光刻、顯影、刻蝕、離子注入等工藝過程，需要CVD沉積設(shè)備、光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)、擴(kuò)散爐等設(shè)備。其中光刻工藝的差距是導(dǎo)致我國半導(dǎo)體芯片性能不足的關(guān)鍵原因，我國在這方面的劣勢可以歸咎于光刻設(shè)備和掩膜版精度不夠以及光刻膠的性能差。

核心設(shè)備光刻機(jī)技木落后

光刻機(jī)是半導(dǎo)體集成電路制造的核心設(shè)備，我國芯片發(fā)展受限的一個(gè)重要原因在于光刻機(jī)技木落后。放眼全球，能夠制造出光刻機(jī)的國家屈指可數(shù)，包括荷蘭、美國、日本、中國。其中荷蘭的阿斯麥（ASML）公司占據(jù)著無法撼動(dòng)的龍頭地位，壟斷了全球80％的光刻機(jī)市場。我國無論從產(chǎn)品還是技木上都存在著滯后性，不得不從國外進(jìn)口價(jià)格高昂的成品。

但我國技木也在不斷突破。2016年11月長春光機(jī)所在光源和物鏡系統(tǒng)方面取得歷史性突破，“極紫外光刻關(guān)鍵技木研究”也順利通過測試。這對(duì)于我國發(fā)展新一代集成電路制造裝備是里程碑般的成果，代表國產(chǎn)22－32nm光刻設(shè)備指日可待。我國在追趕國外先進(jìn)技木的同時(shí)將新技木產(chǎn)業(yè)化的道路仍任重而道遠(yuǎn)。

核心材料光刻膠自給不足

光刻膠是光刻環(huán)節(jié)所用到的核心材料。光刻膠的生產(chǎn)技木指標(biāo)卡控十分嚴(yán)格，產(chǎn)品需確保解析度、顯影時(shí)間、異物數(shù)量、附著力、阻抗等參數(shù)均達(dá)到指標(biāo)，其成分多樣、工藝技木復(fù)雜且技木難題眾多。因此，國外企業(yè)在配方、生產(chǎn)工藝技木等方面一直強(qiáng)勢壟斷。光刻膠知名的生產(chǎn)廠家多為日美企業(yè)，其中日本合成橡膠、東京日化、羅門哈斯、信越化學(xué)、富士電子，這5家日本公司占據(jù)了全球87％的市場份額。

在光刻膠研發(fā)上，我國起步晚，生產(chǎn)能力主要集中在PCB光刻膠、TN／STN－LCD（扭曲向列型液晶顯示器／超扭曲向列型液晶顯示器）光刻膠等中低端產(chǎn)品。在高D產(chǎn)品上，往往面臨由于技木壁壘高被壟斷的困局。因此，中國光刻膠企業(yè)技木的發(fā)展也是半導(dǎo)體崛起的重要環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵工具掩膜版精度不夠

日本凸版印刷TOPPAN、大日本印刷、美國Photronics等幾家國外企業(yè)，目前掩膜版水平可做到十幾到幾十納米，但國內(nèi)幾家知名企業(yè)如華潤微電子、無錫中微掩模、蘇州制版等目前的制備水平普遍還處在0．13μm以上的級(jí)別。由此可見，國內(nèi)水平還需進(jìn)一步提高才可與國外企業(yè)比肩。

檢測設(shè)備差距

集成電路（IC）的封裝是IC生產(chǎn)線的后面環(huán)節(jié)，在封裝過程及出廠前都要進(jìn)行嚴(yán)格的測試和篩選。我國的封裝水平較高，但是檢測設(shè)備卻依然依賴進(jìn)口。目前半導(dǎo)體檢測設(shè)備依然被海外巨頭所壟斷，前道檢測市場中美商科磊（KLA－Tencor）占據(jù)了52％的市場份額；后道檢測市場則主要由美國泰瑞達(dá)（TERADYNE）、愛德萬、Xcerra所壟斷。其中Xcerra是全球第三大后道測試設(shè)備的生產(chǎn)商，其ATE檢測優(yōu)勢在模擬芯片的測試。

國產(chǎn)設(shè)備中，涉足前道檢測設(shè)備的公司有上海睿勵(lì)和精測電子，上海睿勵(lì)主要以膜厚檢測為主，精測電子則以面板檢測為主；后道檢測方面，長川科技是后道檢測設(shè)備領(lǐng)軍企業(yè)，并已實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；倪M(jìn)口替代，但目前檢測設(shè)備主要應(yīng)用于低端器件——電源管理芯片，而針對(duì)存儲(chǔ)芯片和模擬芯片領(lǐng)域的檢測設(shè)備仍處于空白階段。