中國(guó)芯片制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展難點(diǎn)在哪？

2021年，我國(guó)GDP規(guī)模達(dá)到114.4萬(wàn)億元，一年內(nèi)GDP增加13萬(wàn)億元，這在中華民族歷史上是第一次。2022年是進(jìn)入全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家、向第二個(gè)百年奮斗目標(biāo)進(jìn)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(guó)的發(fā)展經(jīng)受著來(lái)自外部的壓力。壓力之下，維護(hù)技術(shù)主權(quán)的重要性也是不言而喻的。在此當(dāng)中半導(dǎo)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(guó)信息技術(shù)主權(quán)發(fā)展的重要因素。

半導(dǎo)體主要由四個(gè)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(dǎo)體和集成電路等價(jià)。集成電路按照產(chǎn)品種類(lèi)有主要分為四大類(lèi)：微處理器，存儲(chǔ)器，邏輯器件，模擬器件，這些我們又稱(chēng)它們?yōu)椤靶酒薄?/p>

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是支撐國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，也是我國(guó)當(dāng)前需要重點(diǎn)突破的領(lǐng)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(jiǎn)單的計(jì)算與控制、數(shù)據(jù)、智能到感知與信號(hào)轉(zhuǎn)換、能量變換再到AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)、信息安全等，它們無(wú)一例外地以芯片為基礎(chǔ)。可以說(shuō)半導(dǎo)體制造技術(shù)發(fā)展到位，我國(guó)科技領(lǐng)域才不會(huì)受制于人。

半導(dǎo)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(jiǎn)要了解下半導(dǎo)體制造工藝及面臨的技術(shù)難點(diǎn)。

各種半導(dǎo)體產(chǎn)品

首先我們以汽車(chē)為例，介紹半導(dǎo)體技術(shù)所涉及的領(lǐng)域。從F-1賽車(chē)到大型拖車(chē)，應(yīng)用目的不同，種類(lèi)也多種多樣。半導(dǎo)體產(chǎn)品同樣根據(jù)襯底材料和應(yīng)用的不同，來(lái)進(jìn)行各種分類(lèi)。其分類(lèi)如圖1所示。

半導(dǎo)體的主要分類(lèi) （按材料和產(chǎn)品分類(lèi)）

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

說(shuō)說(shuō)半導(dǎo)體工藝

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，制造工程被稱(chēng)為工藝 （Process），理由是什么？雖然沒(méi)有明確的答案，但很多人認(rèn)為，與其說(shuō)加工尺寸微小 （目前是nm制程。1nm=10-9m）， 不如說(shuō)制造過(guò)程無(wú)法用肉眼看到所致。例如像電視機(jī)和汽車(chē)這樣的組裝工程，因?yàn)槭侨庋劭梢?jiàn)的，所以不能把制造工程稱(chēng)為工藝。此外，半導(dǎo)體產(chǎn)品還有一個(gè)特點(diǎn)，即不是一個(gè)一個(gè)生產(chǎn)， 而是批量生產(chǎn)，之后進(jìn)行分割。因此，在半導(dǎo)體中，可能比較適合使用具有相對(duì)抽象含義的術(shù)語(yǔ) “工藝” （Process）。

半導(dǎo)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(duì)硅晶圓進(jìn)行加工，所以也被稱(chēng)為晶圓工藝 （ Wafer Process）。主要的6個(gè)工藝會(huì)反復(fù)多次進(jìn)行， 稱(chēng)之為“循環(huán)型工藝”?；瘜W(xué)工業(yè)常被稱(chēng)為 “工藝產(chǎn)業(yè)”，也是因?yàn)榛瘜W(xué)產(chǎn)品要經(jīng)過(guò)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(jìn)行分裝。與此相對(duì)應(yīng)，后段制程包括封裝工序，因此稱(chēng)之為從上游到下游的 “Flow型工藝”。

前段制程可以進(jìn)一步分類(lèi)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(xiàn)。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(yán)格，而且對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和晶圓廠(chǎng)（fab）的潔凈度也有很高的要求，生產(chǎn)設(shè)備的價(jià)格也會(huì)更加昂貴，晶圓廠(chǎng)建設(shè)的投資額也會(huì)更加龐大。

圖2半導(dǎo)體工藝的特點(diǎn)

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(dǎo)體工藝是在硅晶圓的表面 （ Mirror，鏡面）上進(jìn)行工藝加工，而不是在硅晶圓的背面（Sand Blast， 磨砂面）上進(jìn)行工藝處理。突然冒出鏡面和磨砂面兩個(gè)詞，可能讓不熟悉晶圓的讀者略感困惑，為此，下面對(duì)硅晶圓進(jìn)行介紹。

硅晶圓是將單晶硅的硅錠用鋼絲鋸切成圓盤(pán)狀。邏輯和存儲(chǔ)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?yàn)橄耒R子一樣光亮，所以叫作鏡面。而另一面僅進(jìn)行粗糙的研磨，不像鏡子那樣光亮，故而稱(chēng)為磨砂面。

在制作成芯片時(shí)，如圖1.2所示， 通過(guò)后段制程中的工藝使晶圓變薄。

半導(dǎo)體制造面臨的難點(diǎn)

半導(dǎo)體制造主要面臨的難點(diǎn)，可總結(jié)為以下7點(diǎn)。

1. 材料純度極高

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

2. 復(fù)雜度極大

集成了數(shù)百億的晶體管，復(fù)雜程度可想而知。

3. 制程尺寸極小

晶體管的尺寸已經(jīng)來(lái)到5nm的水平。

4. 設(shè)備極復(fù)雜

半導(dǎo)體對(duì)于精度和功能的要求很高，導(dǎo)致簡(jiǎn)單的工藝能很難滿(mǎn)足高精尖的需求。所以需要很多復(fù)雜的設(shè)備參與生產(chǎn)，比如光刻機(jī)。光刻機(jī)的光源和光學(xué)反射系統(tǒng)都是相當(dāng)復(fù)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(wàn)片晶圓/月的晶圓廠(chǎng)需要百億美元的規(guī)模。不光是設(shè)備，相關(guān)工藝研發(fā)也是同等數(shù)量級(jí)的。

6. 工作流程極長(zhǎng)

設(shè)備繁多，多以串行處理貫穿制造始終，工作流程的設(shè)計(jì)、實(shí)行、監(jiān)控要求很高。

7. 分工極細(xì)，融合極其緊密

從設(shè)計(jì)，EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化），設(shè)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(chǔ)推動(dòng)而成的，使得后來(lái)者很難居上甚至介入。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才培育

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

根據(jù)《中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)人才白皮書(shū)(2019-2020年版)》顯示，我國(guó)集成電路人才在供給總量上仍顯不足，到2022年，芯片專(zhuān)業(yè)人才缺口預(yù)計(jì)超過(guò)20萬(wàn)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(yù)計(jì)在30萬(wàn)人左右。

目前我國(guó)半導(dǎo)體主權(quán)的實(shí)現(xiàn)迫在眉睫。而這一實(shí)現(xiàn)無(wú)不依賴(lài)于人才的培養(yǎng)，而專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)、高效的創(chuàng)新機(jī)制和深厚的科技文化的建立，需要從基礎(chǔ)做起，為大眾普及相關(guān)的科技知識(shí)，助力從業(yè)人員掌握前沿核心技術(shù)。

基于此，機(jī)械工業(yè)出版社策劃出版“集成電路科學(xué)與技術(shù)叢書(shū)”。該叢書(shū)的第一本《圖解入門(mén)——半導(dǎo)體制造工藝基礎(chǔ)精講（原書(shū)第4版）》出版上市。

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