光刻机之外，国产芯片还有这些难题要解决-今日必看

光刻机之外，国产芯片还有这些难题要解决

来源：追剧小能手发布时间：2023-03-14 15:40

划重点：

1除了光刻机以外，在我国半导体庞大的产业链中，还有许多环节还处于发展的初期，好比半导体材料、半导体设备、EDA等方面，都是洽商的关键环节。
2半导体材料是芯片行业的根基。目前，国产半导体材料整体还相对薄弱，在品类丰硕度和竞争力处于劣势地位。
3半导体关键设备，目前全球市场基本被美日荷三国垄断，这也是为什么这次美国拉拢日、荷来商讨限制对中国出口进步前辈芯片制造设备的协议的原因。
4自全球三大EDA巨头大举进入海内，再加上美国对华限制政策，影响了海内EDA的发展，EDA逐渐成为海内半导体产业链中最为薄弱的环节之一。

“芯事重重”策划是《新产研》栏目重点研究的方向之一，本期聚焦国产芯片，除光刻机之外的制造困难。

作者：温戈，编纂：李海丹

光刻机作为半导体设备三大件之一，被誉为“半导体产业王冠上的明珠”。2023年1月，跟着美国拉拢日本、荷兰达成新的限制对中国出口进步前辈芯片制造设备的协议，将围堵“中国芯”的事件推向了一个热潮，也成为了全民关注的焦点话题。

根据国家统计局发布的《中华人民共和国2021年国民经济和社会发展统计公报》，2021年我国集成电路出口数目达3017亿个，比上年增长19.6%，出口总额达9930亿元，比上年增长23.4%；2021年集成电路入口数目为6355亿个，比上年增长16.9%，入口总额为27935亿元，比上年增长15.4%。作为对比，2021年原油入口总额约为1.66万亿元，芯片入口总额是原油的1.7倍。巨大的贸易逆差让我国在国际贸易中处于不利的地位，所以芯片是我国亟待解决的题目之一。

基于该背景情况下，近期业内有许多专家解读了制造芯片的核心装备——关于光刻机的重要性。实在，除了光刻机以外，在我国半导体庞大的产业链中，还有许多环节还处于发展的初期，国产芯片的崛起，任重而道远，主要有三方面，需要我们关注：

第一，是作为芯片根基的材料，海内公司的市占率极低。第二，半导体设备方面，芯片的产出任何一个环节，没有半导体设备的支撑，都难以完成芯片的交付，但目前国产率在全球市场中的占比中较低。第三，被誉为“芯片之母”的EDA领域，国产方面仍旧受制于人。本文将从这几个方面，剖析海内的现状，进而为大家呈现一个清楚、立体的国产芯片工业格式。

01 半导体材料：利润不可观，国产占有率低

有许多人都知道，芯片是由沙子制作的，但纵观芯片制造的整个环节，所需要的材料不止于此，好比光刻胶、抛光液、靶材、特种气体等不可或缺。后端封装也需要各种材料的基板、中介层、引线框架、粘接材料等。如下图是一个3D封装芯片的示意图：其中天蓝色的是基板（Package Substrate），基板中存在引线（Standard Package Trace）, 灰色的是中介层（Silicon interposer）,这些都芯片中必要的材料。

半导体材料是芯片行业的根基，芯片制造没有原材料，就比如“巧妇难为无米之炊“。目前，国产半导体材料整体还相对薄弱，在品类丰硕度和竞争力处于劣势地位，2021年海内半导体材料国产化率仅约10%左右。

回望海内半导体材料发展的历史，半导体是导电性介于导体和绝缘体中间的一类物质。与导体和绝缘体比拟，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。半导体领域的前驱科学家在半导体材料方面做出了巨大的努力，才让今天海内在材料领域据有一小片天地。正如林兰英院士所说：“假如不靠自己努力，也许许多材料我们现在都没有”。

图左二：林兰英院士，半导体材料学家

1955年6月，林兰英在获得宾夕法尼亚大学固体物理学博士学位，也是该校建校115周年以来第一位女博士。毕业之后，为了接近美国半导体材料研究的前沿，她在着名的希凡尼亚（英文称“Sylvania”）半导体公司任高级工程师，并匡助公司解决了诸多技术难题，获得了公司的器重。即使年薪丰厚，但他乡再好也抵挡不住林兰英报效祖国的决心，在把握了固体材料研制方面的知识后，她便积极规画回国。

1957年，林兰英以旅行为名领到一张签证，冲破重重阻扰，毅然决然返回祖国。当时海内在半导体材料方面几乎处于空缺的状态，林兰英当即开展研究，并于1957年拉制成功第一根锗单晶，于1958年拉制成功第一根硅单晶，中国也成为世界上第三个出产出硅单晶的国家。随后林兰英又着手于砷化镓材料的研究，并成为世界上最早在太空制成半导体材料砷化镓单晶的科学家。林兰英是我国半导体材料科学的领路人与开拓者，没有她在半导体领域的成就，海内在半导体领域会更加落后。

尽管比拟光刻机，半导体材料所涉及的技术及高精尖仪器并不像光刻机那样复杂。但由于海内在半导体材料领域的研究持续投入不足，加之这个行业的利润比拟其他科技领域，利润并不尽如人意，导致目前海内的市占率较低。未来几年，国家政策和基金开始向材料侧倾斜，国产半导体材料厂商也迎来了机遇和挑战。

02 半导体设备：全球市场基本被美日荷三国垄断

除了被“洽商”的光刻机，半导体领域还有许多关键设备。好比：自动测试设备、刻蚀机、离子注入机等，这些都是芯片产业链条里的关键环节。

首先说自动测试设备。在半导体产业链中，一颗芯片的生命周期开始于对市场需求的分析，跟跟着产品的定义、设计和制造，封装完成以后交付到终端消费者手中，在整个流程中需要经由多次测试。而芯片自动测试设备中集成了众多精密的仪器，整体的造价也十分昂贵，一台价格也高达千万美元。目前，全球半导体测试机主要市场仍被美国的泰瑞达、日本的爱德万两大海外龙头占据，国产化依然有着很大的增长空间。

刻蚀机也是非常重要的装备。跟着半导体制程的微缩和结构的复杂化，半导体刻蚀设备的种类和技术难度递增。但目前刻蚀设备领域长期由海外龙头垄断。根据 Gartner 统计，全球刻蚀企业前三大分别是泛林半导体(中国台湾）、东京电子（日本）、应用材料（美国），全球市占率合计 91%。海内刻蚀设备出产厂商在全球刻蚀设备市场的市占率总计不足2%。不外，近些年来海内刻蚀厂商依托资本和政策搀扶，有了快速的晋升。例如中微公司的介质刻蚀已经进入台积电 7nm/5nm 产线，是目前独一进入台积电产线的国产刻蚀设备生产商。

另外，离子注入是晶圆制造掺杂核心工艺，技术壁垒仅次于光刻、刻蚀、薄膜沉积。目前，本土晶圆厂一般会将7%~10%的设备开支用于离子注入机。离子注入机则是为硅晶圆注入要掺杂的原子，从而芯片获得特定的电性能，否则我们即使做出来芯片，也无法正常工作。除此之外，半导体设备还包括清洗机、用于后道的封装光刻机、芯片分选机等。

我们需要关注的是：目前，半导体设备市场目前主要由美、日、荷三国企业基本垄断。根据CINNO Research的数据，2022年上半年十大半导体设备企业中，3家美国企业，5家日本企业，2家荷兰企业，没有一家中国企业。这也是为什么这次美国拉拢日、荷来商讨限制对中国出口进步前辈芯片制造设备的协议的原因。

除了集众多高精尖技术的光刻机，其他半导体设备我国已经开始加速国产替换化的进程，但形势依然不容乐观，目前海内依然无法做到进步前辈工艺的全流程国产化。在成熟工艺的市场上，我国半导体的自给率目前大约在20%左右，依然有巨大的替换空间。固然中芯国际和华虹宏力能完成28纳米工艺的量产，但尚未完成产业链的完全国产化，目前落后的环节主要仍是在关键设备和材料上。