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不止光刻機(jī),國(guó)產(chǎn)芯片還有這些難題要解決

原創(chuàng)文章 發(fā)布人:芯榜 發(fā)布時(shí)間:2023-03-17 10:10

光刻機(jī)作為半導(dǎo)體設(shè)備三大件之一,被譽(yù)為“半導(dǎo)體工業(yè)王冠上的明珠”。2023年3月,隨著美國(guó)拉攏日本、荷蘭達(dá)成新的限制對(duì)中國(guó)出口先進(jìn)芯片制造設(shè)備的協(xié)議,將圍堵“中國(guó)芯”的事件推向了一個(gè)高潮,也成為了全民關(guān)注的焦點(diǎn)話題。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《中華人民共和國(guó)2021年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》,2021年我國(guó)集成電路出口數(shù)量達(dá)3017億個(gè),比上年增長(zhǎng)19.6%,出口總額達(dá)9930億元,比上年增長(zhǎng)23.4%;2021年集成電路進(jìn)口數(shù)量為6355億個(gè),比上年增長(zhǎng)16.9%,進(jìn)口總額為27935億元,比上年增長(zhǎng)15.4%。作為對(duì)比,2021年原油進(jìn)口總額約為1.66萬(wàn)億元,芯片進(jìn)口總額是原油的1.7倍。巨大的貿(mào)易逆差讓我國(guó)在國(guó)際貿(mào)易中處于不利的地位,所以芯片是我國(guó)亟待解決的問(wèn)題之一。基于該背景下,近期業(yè)內(nèi)有很多專家解讀了制造芯片的核心裝備——光刻機(jī)的重要性。其實(shí),除了光刻機(jī)以外,在我國(guó)半導(dǎo)體龐大的產(chǎn)業(yè)鏈中,還有很多重要環(huán)節(jié)處于發(fā)展初期。國(guó)產(chǎn)芯片的崛起,任重而道遠(yuǎn),

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第一半導(dǎo)體材料:利潤(rùn)不可觀,國(guó)產(chǎn)占有率低

有很多人都知道,芯片是由沙子制作的,但縱觀芯片制造的整個(gè)環(huán)節(jié),所需要的材料不止于此。比如光刻膠、拋光液、靶材、特種氣體等不可或缺。后端封裝也需要各種材料的基板、中介層、引線框架、粘接材料等。如下圖是一個(gè)3D封裝芯片的示意圖:其中天藍(lán)色的是基板(Package Substrate),基板中存在引線(Standard Package Trace), 灰色的是中介層(Silicon interposer),這些都芯片中必要的材料。

半導(dǎo)體材料是芯片行業(yè)的根基,芯片制造沒(méi)有原材料,就好比“巧婦難為無(wú)米之炊“。目前,國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體材料整體還相對(duì)薄弱,在品類豐富度和競(jìng)爭(zhēng)力處于劣勢(shì)地位,2021年國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體材料國(guó)產(chǎn)化率僅約10%左右。

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第二半導(dǎo)體設(shè)備:全球市場(chǎng)基本被美日荷三國(guó)壟斷

首先說(shuō)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中,一顆芯片的生命周期開(kāi)始于對(duì)市場(chǎng)需求的分析,跟隨著產(chǎn)品的定義、設(shè)計(jì)和制造,封裝完成以后交付到終端消費(fèi)者手中,在整個(gè)流程中需要經(jīng)過(guò)多次測(cè)試。 

而芯片自動(dòng)測(cè)試設(shè)備中集成了眾多精密的儀器,整體的造價(jià)也十分昂貴,一臺(tái)價(jià)格也高達(dá)千萬(wàn)美元。目前,全球半導(dǎo)體測(cè)試機(jī)主要市場(chǎng)仍被美國(guó)的泰瑞達(dá)、日本的愛(ài)德萬(wàn)兩大海外龍頭占據(jù),國(guó)產(chǎn)化依然有著很大的增長(zhǎng)空間。

刻蝕機(jī)也是非常重要的裝備。隨著半導(dǎo)體制程的微縮和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化,半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備的種類和技術(shù)難度遞增。但目前刻蝕設(shè)備領(lǐng)域長(zhǎng)期由海外龍頭壟斷。

另外,離子注入是晶圓制造摻雜核心工藝,技術(shù)壁壘僅次于光刻、刻蝕、薄膜沉積。目前,本土晶圓廠一般會(huì)將7%~10%的設(shè)備開(kāi)支用于離子注入機(jī)。離子注入機(jī)則是為硅晶圓注入要摻雜的原子,從而芯片獲得特定的電性能,否則我們即使做出來(lái)芯片,也無(wú)法正常工作。除此之外,半導(dǎo)體設(shè)備還包括清洗機(jī)、用于后道的封裝光刻機(jī)、芯片分選機(jī)等。我們需要關(guān)注的是:目前,半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)目前主要由美、日、荷三國(guó)企業(yè)基本壟斷。根據(jù)CINNO Research的數(shù)據(jù),2022年上半年十大半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)中,3家美國(guó)企業(yè),5家日本企業(yè),2家荷蘭企業(yè),沒(méi)有一家中國(guó)企業(yè)。這也是為什么這次美國(guó)拉攏日、荷來(lái)商討限制對(duì)中國(guó)出口先進(jìn)芯片制造設(shè)備的協(xié)議的原因。

除了集眾多高精尖技術(shù)的光刻機(jī),其他半導(dǎo)體設(shè)備我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始加速國(guó)產(chǎn)替代化的進(jìn)程,但形勢(shì)依然不容樂(lè)觀,目前國(guó)內(nèi)依然無(wú)法做到先進(jìn)工藝的全流程國(guó)產(chǎn)化。在成熟工藝的市場(chǎng)上,我國(guó)半導(dǎo)體的自給率目前大約在20%左右,依然有巨大的替代空間。雖然中芯國(guó)際和華虹宏力能完成28納米工藝的量產(chǎn),但尚未完成產(chǎn)業(yè)鏈的完全國(guó)產(chǎn)化,目前落后的環(huán)節(jié)主要還是在關(guān)鍵設(shè)備和材料上。

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第三EDA:國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展薄弱的環(huán)節(jié)之一

EDA被譽(yù)為“芯片設(shè)計(jì)之母”,盡管整個(gè)EDA市場(chǎng)規(guī)模只有百億美元,去撬動(dòng)著約5000億美元的半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模,其杠桿效應(yīng)顯著。在現(xiàn)代超大規(guī)模芯片設(shè)計(jì)中,EDA是不可或缺的一環(huán)。目前整個(gè)EDA產(chǎn)業(yè)大部分被三大EDA公司新思科技(Synopsys)、楷登電子(Cadence)、和西門子EDA所壟斷。相比國(guó)外,我國(guó)的EDA起步并不算晚。1988年,國(guó)產(chǎn)EDA工具 “熊貓系統(tǒng)”開(kāi)始進(jìn)入研發(fā)階段。

隨后,在國(guó)家政策的扶持下,華大九天于2009年成立,概倫電子于2010年成立。再加之部分國(guó)內(nèi)老牌EDA企業(yè),如廣立微電子、國(guó)微集團(tuán)等在國(guó)家的扶持下重獲新生,國(guó)內(nèi)EDA企業(yè)自此重整旗鼓再出發(fā)。但是,從2018年開(kāi)始,中興和華為接連受到美國(guó)制裁,為國(guó)內(nèi)還處于初步發(fā)展中的EDA產(chǎn)業(yè)敲響了警鐘。2022年8月15日,美國(guó)商務(wù)部宣布對(duì)設(shè)計(jì)GAA晶體管結(jié)構(gòu)集成電路所必需的EDA軟件實(shí)施出口管制。GAA晶體管結(jié)構(gòu)主要用于3納米及以下的先進(jìn)工藝,盡管目前的斷供對(duì)中國(guó)絕大部分芯片公司幾乎沒(méi)有影響,但這也堵住了未來(lái)國(guó)內(nèi)高端芯片的設(shè)計(jì)之路,并且不排除未來(lái)美國(guó)在“EDA斷供”上繼續(xù)加碼的可能。但我們也要看到,從2018年到2020年,國(guó)產(chǎn) EDA 工具在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的銷售份額分別為 6.2%、8.3%、11.5%。盡管規(guī)模依然很小,但市場(chǎng)占有率穩(wěn)中有升。EDA的發(fā)展周期長(zhǎng)、難度大,雖然羅馬不是一日建成的,但如果假以時(shí)日,相信國(guó)產(chǎn)EDA一定會(huì)穩(wěn)定發(fā)展。 

最后,也期望每位讀者能了解芯片、認(rèn)識(shí)芯片,或者更進(jìn)一步的投身到這個(gè)行業(yè)中,實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值,勇攀科技的珠峰。