中國芯片制造產業發展難點在哪？

2021年，我國GDP規模達到114.4萬億元，一年內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，我國的發展經受著來自外部的壓力。壓力之下，維護技術主權的重要性也是不言而喻的。在此當中半導體產業的自主研發能力及生產的能力更是決定了中國信息技術主權發展的重要因素。

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，這些我們又稱它們為“芯片”。

半導體產業是支撐國家經濟社會發展的戰略性、基礎性、先導性產業，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，它的邊界也在不斷被延伸。從簡單的計算與控制、數據、智能到感知與信號轉換、能量變換再到AI、云計算、大數據、物聯網、數字經濟、信息安全等，它們無一例外地以芯片為基礎。可以說半導體制造技術發展到位，我國科技領域才不會受制于人。

半導體制造業的發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難點。

各種半導體產品

首先我們以汽車為例，介紹半導體技術所涉及的領域。從F-1賽車到大型拖車，應用目的不同，種類也多種多樣。半導體產品同樣根據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品分類的光器件等。

說說半導體工藝

在半導體產業中，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，半導體產品還有一個特點，即不是一個一個生產， 而是批量生產，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“循環型工藝”。化學工業常被稱為 “工藝產業”，也是因為化學產品要經過熱分解、聚合、蒸餾等工藝，故而得名。而且同樣也是先大量生產，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，而且對生產設備和晶圓廠（fab）的潔凈度也有很高的要求，生產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%，潔凈度也比手術室的要求嚴格100倍。

2. 復雜度極大

集成了數百億的晶體管，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，比如光刻機。光刻機的光源和光學反射系統都是相當復雜的系統。

5. 投資成本極大

建造一座10nm以下，并擁有產能10萬片晶圓/月的晶圓廠需要百億美元的規模。不光是設備，相關工藝研發也是同等數量級的。

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，都是各大企業以數十年的行業基礎推動而成的，使得后來者很難居上甚至介入。

半導體產業人才培育

2019年期間，我國集成電路產業中，設計業人才需求數量增幅趨于穩定，但高端設計人才緊缺的狀況并沒有得到很好的改善。制造業受產能擴張影響，芯片人才需求保持高速增長。

根據《中國集成電路產業人才白皮書(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，芯片專業人才缺口預計超過20萬人。隨著近幾年集成電路行業的不斷升溫，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的實現迫在眉睫。而這一實現無不依賴于人才的培養，而專業的人才培養、高效的創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，助力從業人員掌握前沿核心技術。

基于此，機械工業出版社策劃出版“集成電路科學與技術叢書”。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。

聲明：本文版權歸原作者所有，轉發僅為更大范圍傳播，若有異議請聯系我們修改或刪除：zhangkai@cgbtek.com