中國芯片制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展難點在哪？

2021年，我國GDP規(guī)模達到114.4萬億元，一年內(nèi)GDP增加13萬億元，這在中華民族歷史上是第一次。2022年是進入全面建設社會主義現(xiàn)代化國家、向第二個百年奮斗目標進軍新征程的重要一年。如何走好新的“趕考路”舉世矚目。

在這條新的“趕考路”上，我國的發(fā)展經(jīng)受著來自外部的壓力。壓力之下，維護技術(shù)主權(quán)的重要性也是不言而喻的。在此當中半導體產(chǎn)業(yè)的自主研發(fā)能力及生產(chǎn)的能力更是決定了中國信息技術(shù)主權(quán)發(fā)展的重要因素。

半導體主要由四個部分組成：集成電路（IC: integrated circuit），光電器件，分立器件，傳感器，由于集成電路又占了器件80%以上的份額，因此通常將半導體和集成電路等價。集成電路按照產(chǎn)品種類有主要分為四大類：微處理器，存儲器，邏輯器件，模擬器件，這些我們又稱它們?yōu)椤靶酒薄?/p>

半導體產(chǎn)業(yè)是支撐國家經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎性、先導性產(chǎn)業(yè)，也是我國當前需要重點突破的領域。它不僅支撐了龐大的生態(tài)，它的邊界也在不斷被延伸。從簡單的計算與控制、數(shù)據(jù)、智能到感知與信號轉(zhuǎn)換、能量變換再到AI、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字經(jīng)濟、信息安全等，它們無一例外地以芯片為基礎?？梢哉f半導體制造技術(shù)發(fā)展到位，我國科技領域才不會受制于人。

半導體制造業(yè)的發(fā)展壯大為什么那么難呢？我們從全局的角度簡要了解下半導體制造工藝及面臨的技術(shù)難點。

各種半導體產(chǎn)品

首先我們以汽車為例，介紹半導體技術(shù)所涉及的領域。從F-1賽車到大型拖車，應用目的不同，種類也多種多樣。半導體產(chǎn)品同樣根據(jù)襯底材料和應用的不同，來進行各種分類。其分類如圖1所示。

半導體的主要分類 （按材料和產(chǎn)品分類）

材料以單元素類材料和化合物類材料為主。硅半導體當然是單元素類，另外，化合物類材料主要用于按產(chǎn)品分類的光器件等。

說說半導體工藝

在半導體產(chǎn)業(yè)中，制造工程被稱為工藝 （Process），理由是什么？雖然沒有明確的答案，但很多人認為，與其說加工尺寸微小 （目前是nm制程。1nm=10-9m）， 不如說制造過程無法用肉眼看到所致。例如像電視機和汽車這樣的組裝工程，因為是肉眼可見的，所以不能把制造工程稱為工藝。此外，半導體產(chǎn)品還有一個特點，即不是一個一個生產(chǎn)， 而是批量生產(chǎn)，之后進行分割。因此，在半導體中，可能比較適合使用具有相對抽象含義的術(shù)語 “工藝” （Process）。

半導體工藝包含前段制程和后段制程。這里的前段制程主要是對硅晶圓進行加工，所以也被稱為晶圓工藝 （ Wafer Process）。主要的6個工藝會反復多次進行， 稱之為“循環(huán)型工藝”?；瘜W工業(yè)常被稱為 “工藝產(chǎn)業(yè)”，也是因為化學產(chǎn)品要經(jīng)過熱分解、聚合、蒸餾等工藝，故而得名。而且同樣也是先大量生產(chǎn)，之后進行分裝。與此相對應，后段制程包括封裝工序，因此稱之為從上游到下游的 “Flow型工藝”。

前段制程可以進一步分類為前端 （Front-End）和后端（ Back-End）。前者主要是形成晶體管等元件， 而后者主要是形成布線。而且加工尺寸非常小， 只有幾十nm（納米），因此，硅晶圓的潔凈度要求變得更加嚴格，而且對生產(chǎn)設備和晶圓廠（fab）的潔凈度也有很高的要求，生產(chǎn)設備的價格也會更加昂貴，晶圓廠建設的投資額也會更加龐大。

圖2半導體工藝的特點

以上內(nèi)容歸納在圖2中，希望您牢記這張圖。

另外，還要提到的是，本文所涉及的半導體工藝是在硅晶圓的表面 （ Mirror，鏡面）上進行工藝加工，而不是在硅晶圓的背面（Sand Blast， 磨砂面）上進行工藝處理。突然冒出鏡面和磨砂面兩個詞，可能讓不熟悉晶圓的讀者略感困惑，為此，下面對硅晶圓進行介紹。

硅晶圓是將單晶硅的硅錠用鋼絲鋸切成圓盤狀。邏輯和存儲器LSI都是只在晶圓表面上制作的，所以晶圓表面要做鏡面拋光處理。如圖2所示，因為像鏡子一樣光亮，所以叫作鏡面。而另一面僅進行粗糙的研磨，不像鏡子那樣光亮，故而稱為磨砂面。

在制作成芯片時，如圖1.2所示， 通過后段制程中的工藝使晶圓變薄。

半導體制造面臨的難點

半導體制造主要面臨的難點，可總結(jié)為以下7點。

1. 材料純度極高

所用晶圓純度高達“11個9”，即99.999999999%，潔凈度也比手術(shù)室的要求嚴格100倍。

2. 復雜度極大

集成了數(shù)百億的晶體管，復雜程度可想而知。

3. 制程尺寸極小

晶體管的尺寸已經(jīng)來到5nm的水平。

4. 設備極復雜

半導體對于精度和功能的要求很高，導致簡單的工藝能很難滿足高精尖的需求。所以需要很多復雜的設備參與生產(chǎn)，比如光刻機。光刻機的光源和光學反射系統(tǒng)都是相當復雜的系統(tǒng)。

5. 投資成本極大

建造一座10nm以下，并擁有產(chǎn)能10萬片晶圓/月的晶圓廠需要百億美元的規(guī)模。不光是設備，相關工藝研發(fā)也是同等數(shù)量級的。

6. 工作流程極長

設備繁多，多以串行處理貫穿制造始終，工作流程的設計、實行、監(jiān)控要求很高。

7. 分工極細，融合極其緊密

從設計，EDA（電子設計自動化），設備和材料的相互融合，都是各大企業(yè)以數(shù)十年的行業(yè)基礎推動而成的，使得后來者很難居上甚至介入。

半導體產(chǎn)業(yè)人才培育

2019年期間，我國集成電路產(chǎn)業(yè)中，設計業(yè)人才需求數(shù)量增幅趨于穩(wěn)定，但高端設計人才緊缺的狀況并沒有得到很好的改善。制造業(yè)受產(chǎn)能擴張影響，芯片人才需求保持高速增長。

根據(jù)《中國集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書(2019-2020年版)》顯示，我國集成電路人才在供給總量上仍顯不足，到2022年，芯片專業(yè)人才缺口預計超過20萬人。隨著近幾年集成電路行業(yè)的不斷升溫，到2025年人才需求量更大，缺口預計在30萬人左右。

目前我國半導體主權(quán)的實現(xiàn)迫在眉睫。而這一實現(xiàn)無不依賴于人才的培養(yǎng)，而專業(yè)的人才培養(yǎng)、高效的創(chuàng)新機制和深厚的科技文化的建立，需要從基礎做起，為大眾普及相關的科技知識，助力從業(yè)人員掌握前沿核心技術(shù)。

基于此，機械工業(yè)出版社策劃出版“集成電路科學與技術(shù)叢書”。該叢書的第一本《圖解入門——半導體制造工藝基礎精講（原書第4版）》出版上市。

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