集成电路、芯片2020年以来再次成为热门词汇，美国对于我国企业华为、中兴的制裁，让我们重新审视自己的芯片研发实力，如何破局，如何不再受制于人，如何走出具有我们自己特色的芯片之路，使全体半导体人、甚至全体中国人需要深入思考的问题，而《芯路——一书读懂集成电路产业的现在与未来》将带您领略集成电路发展几十年来的波折与风浪，充分展现我国集成电路产艰辛历程，共同探讨与寻找属于我们自己的“芯路”。

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《芯路》试读：第三章 鸟瞰半导体产业

3.1 点砂成晶术 

一粒砂子要经过怎样的加工过程才能成为芯片呢？这其中蕴含的人类智慧令人叹为观止。

3.1.1 为什么是砂子

砂子是我们日常生活中最常见的一种物质。砂子的主要成分硅是地球储备量第二高的元素（地球元素含量排行：氧 > 硅 > 铝 > 铁 > 钙 > 钠 > 钾……），占地球总量约28%。正是这样一粒粒的小砂土，经过加工以后能变成媲美黄金的高附加值产品——硅片(Wafer，亦称晶圆、抛光片)。正是古有点石成金的千年传说，今有“点砂成晶”的现代技术奇迹。

理论上所有的半导体材料都可以作为芯片材料，但是芯片对材料的要求极高，所以能够满足芯片制造要求的半导体材料并不多，目前常用的材料包括硅、锗、碳化硅、氮化镓、砷化镓等等。在这不多的半导体材料中，硅的种种特性,使得其脱颖而出，成为所有半导体材料中,最适合做芯片的那一个：

• 含量巨大。

• 无毒无害。

• 提纯技术成熟，量产成本低，纯度可以达到99.999999999%（11N，11个9）。

• 化学性质和物理性质十分稳定，保障了芯片的稳定性。

硅基半导体材料是目前产量最大、应用最广的半导体材料。根据SEMI统计，2017年全球95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路采用硅作为衬底材料。

3.1.2从砂到晶

那么看似普通的砂子要经过怎样的历练才能成制造芯片的晶圆呢？

硅在砂子中的形态通常是二氧化硅（SiO2），而制造芯片需要的是单晶硅（Si），我们需要先将砂子与焦炭、煤或木屑等混合，在石墨电弧炉中高温加热，将二氧化硅还原为硅，这样可以获得纯度大约为98%的多晶硅。接下来需要将多晶硅通过一系列化学过程（主要采用三氯氢硅法）逐步纯化，得到纯度在9N以上的电子级多晶硅。

用做芯片材料的硅，必须是单晶硅。单晶硅和多晶硅的区别在于材料中硅原子排列的方向是不是有序的，单晶硅是有序排列，多晶硅是无序排列。单晶硅的生长通常采用提拉法进行，首先将多晶硅原料放在石英干锅中加热融化，再将籽晶[1]放入熔体中，控制合适的温度，边旋转边提拉，获得铅笔状单晶硅锭，再用钻石刀将单晶硅锭横向切割成圆片，抛光打磨后，即可得到硅晶圆，也称为“抛光片”。单晶硅锭的直径决定了晶圆的直径，目前主流的直径尺寸为6寸、8寸以及12寸。

图 从砂子到硅片

3.1.3方寸间造天地

在晶圆上制造芯片需要经过上百个精确控制的工序，主要的工艺步骤包括光刻、刻蚀、掺杂、薄膜沉积等。

光刻的目的是把设计好的图形转印到晶圆上。首先我们在晶圆上涂一层光刻胶，光刻胶（正胶）的特性是经过特定频率光线的照射后，可以溶解在显影液里。然后将设计好图形的掩膜版罩在晶圆之上，用光刻机进行曝光，有些光线透过掩膜版照射到光刻胶上，有些光线被掩膜版上的图形阻挡。曝光之后，将晶圆放在显影液里浸泡，被光线照射过的光刻胶溶解，晶圆表面就留下了和掩膜版一样的光刻胶图形。

光刻是晶圆加工制造中最核心的工艺，晶圆加工的工艺水平主要取决于光刻的精度。通常我们说的28纳米或14纳米工艺，指的就是光刻机能够分辨的最小图形尺寸（最小线宽）。晶圆上能够加工的图形尺寸越小，那么在同样复杂度的芯片电路所占的面积就越小，一片晶圆上能够切割出来的芯片数量也就越多。由于芯片的加工步骤都是以晶圆为单位进行，平均下来单个芯片的成本也就越低。当然，最小线宽的缩小不仅能带来芯片成本的下降，还有很多其他好处，比如功耗的降低、集成度的提高以及良率的提升等。

得到光刻图形后，我们就可以进行下一步的加工，比如刻蚀、掺杂或薄膜沉积等。刻蚀可以将没有被光刻胶保护的部分侵蚀掉，一般用来在晶圆上挖槽，通常分为干法刻蚀和湿法刻蚀，前者主要采用等离子体轰击，后者一般采用溶剂浸泡溶解。刻蚀完成后，清除残余光刻胶，就得到了想要的凹槽图案。为了改变半导体的电学性质，在晶圆上形成PN结、电阻、欧姆接触等结构，我们还需要将特定的杂质（一般是III、IV族元素，比如磷、砷、硼等）掺入特定的区域中。小尺寸工艺条件下最主要的掺杂方法是离子注入，它直接将具有很高能量的杂质离子注入到半导体衬底中，可以精确控制掺杂的深度和浓度。离子注入完成后，通常需要进行退火。退火是指将晶圆放在氮气等不活泼气体氛围中进行热处理，使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置上，一方面可以激活杂质，使其具有电活性，另一方面也可以消除离子注入带来的晶格损伤。薄膜沉积也是芯片生产过程中重要的工艺步骤，通常分为化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition，CVD）和物理气相淀积（Physical Vapor Deposition，PVD）。CVD是指通过气态物质的化学反应，在衬底上淀积一层薄膜材料的过程，它几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如二氧化硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等，适用范围广、台阶覆盖性好。PVD主要包括蒸发和溅射，通常用于淀积芯片中的电极和金属互联层。

将前述工艺重复若干次，就可以在晶圆上加工出我们设计好的芯片。通常每一道主要工艺步骤之前都需要重新进行一次光刻，因此，我们也常用掩膜版的数量来衡量工艺的复杂度，现在加工出一颗CPU芯片，往往需要上百套掩膜版，成千道加工步骤。

图 晶圆加工过程

此时，晶圆上已经有成千上万颗芯片了，但是由于工艺步骤多，精细程度要求高，晶圆上不可避免的会存在瑕疵芯片。为了节省封装费用，需要先通过CP（Circuit Probing）测试把电学性能不符合要求的芯片挑选出来。之后将晶圆切片，就得到电学性能良好的单芯片（die）。把单芯片贴到相应的封装基板上，用超细金属丝连接单芯片上的接合焊盘（Bond Pad）和基板上的引脚（Lead），再注入塑封材料进行保护，就完成了芯片的封装。通过最终测试（Final Test）后，芯片就可以走向千家万户了。

图 芯片封装测试过程

3.2产业链全景

半导体产业链之深、之复杂，远胜于传统产业，而且产业链不同环节之间咬合的紧密程度，大大高于其它高科技行业。

图 半导体产业链

3.2.1上游——中国的阿基琉斯之踵

半导体产业链的上游主要是半导体材料和设备，也是中国最薄弱的环节。

半导体材料可以分为晶圆制造材料和封装材料，前者主要包括硅片、光刻胶、各种靶材、特种气体、CMP抛光液和抛光垫等；后者主要包括封装基板、引线框架、键合丝包封材料等。全球半导体材料市场主要被美国、日本和中国台湾地区所垄断，近些年，国内一些企业也开始有些突破。

半导体设备可以分为硅片制造设备、晶圆制造设备、封装设备和辅助设备等，其中晶圆制造设备占所有设备投入的70%以上，而光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备是晶圆制造的核心设备。半导体设备市场集中度非常高，全球前五大厂商市场占有率超过60%，它们分别是应用材料、泛林科技半导体、阿斯麦、东京电子和科天半导体，均来自于美国、日本和荷兰。其中，在高端光刻机领域，阿斯麦市场占有率超过80%，用于14纳米以下工艺的EUV光刻机更是全球独此一家，国内半导体设备厂商只在部分设备中有所突破。

3.2.21中游——走向垂直化分工

半导体产业链的中游可以分为设计、制造和封测三个环节。正如前述，在半导体产业发展早期，这三个环节通常由同一家企业完成，称之为“IDM”，上世纪八十年代末，随着第三方代工的崛起，产业逐渐开始分工。

芯片设计就是将产品需求转化为物理层面的电路设计版图，跟软件行业有些类似，属于智力密集型行业。芯片设计的主要步骤包括，功能定义和实现、电路验证和优化、逻辑综合、版图设计、版图物理验证等，最终形成版图文件，提交给代工厂进行芯片制造。

全球前十大芯片设计公司主要来自于美国和中国台湾地区，近几年，中国海思也榜上有名，2018年位居第五。据统计，到2019年底，中国大陆的芯片设计公司数量已经近1800家，其中营收超过1亿元人民币的在两百家左右。2000年以来，国内芯片设计行业快速成长，涌现出兆易创新、汇顶科技、澜起科技等一批优秀公司，但是依然存在企业数量多而不强、设计人才不足等问题。

随着摩尔定律的演进，半导体制造工厂的投资动辄百亿美元以上，先进工艺的研发也愈加困难。2018年，全球排名第二的晶圆代工厂格罗方德宣布停止7纳米及以下工艺制程的研发，专注于14纳米Fin-FET技术和和FD-SOI技术。全球范围内，只有台积电、三星和英特尔可以量产7-10纳米先进工艺。

在制造环节，全球八大晶圆代工厂垄断了近90%的市场份额，并呈现一超多强的局面，台积电一家独大，占据全球560%以上的市场份额。据SEMI 统计，2017-2020 年全球计划兴建晶圆厂62座，其中26 座将落户中国，占比超过40%，但从存量上看，中国大陆晶圆代工的产能在全球中的占比仍然不足20%，我辈仍需继续努力。中芯国际、华虹集团和华润微电子是中国晶圆元代工厂的典型代表。

封装主要是为了将芯片的I/O接口与外部系统连接，并提供保护和散热功能。当前封装技术有两个发展方向，一个是微型化，向更加轻薄、成本更低、散热功能更好、更多的I/O接口方向发展，甚至开始采用一些晶圆加工的技术，模糊了晶圆制造和封装之间的界限；一个是集成化，将不同功能的芯片通过硅通孔技术高密度的封装到一起，形成具有一定功能的（子）系统，模糊了EMS组装和封装之间的界限。测试主要包括晶圆测试（CP测试）和成品测试（FT测试），工序上与封装结合紧密，通常由封装企业代劳。国内测试行业发展整体落后于封装行业，但随着垂直化分工以及芯片复杂度的提升，独立的测试公司逐渐壮大，国内比较知名的有上海华岭、广东利扬等。2020年初，广东利扬通过上市辅导验收，有望成为中国大陆第一家科创板上市的第三方测试企业。在封装测试领域，中国大陆的企业在规模上已经取得了长足的进展，在部分技术方向上也有了较大的突破。

3.2.31下游——电子制造从大到强

半导体产业是一个下游应用需求拉动的市场，在过去的六十年里，半导体产业发展的主要驱动力经历过多次变化，从最早的军事、工业应用到八九十年代的个人电脑，再到近些年的手机等移动通信产品，现在最新的应用方向包括物联网、汽车电子、5G及人工智能等。

图 芯片下游产业变迁示意

中国是全球最大的电子产品生产国，但并不是一个电子制造的强国，其中一个重要原因就是我国半导体产业长期落后于西方国家，高端芯片受制于人。但是近些年，随着国家政策和资金的到位、产业技术的成熟及市场的快速发展，中国迎来了半导体产业发展的黄金时期。

3.2.4 设备-制造-设计，共同成长的孪生兄弟

半导体行业中有“一代设备、一代工艺、一代产品”的说法，讲的是半导体设备、制造和设计三个环节之间的密切关系。芯片设计依赖于制造工艺的参数指标，而工艺的性能取决于制造设备的能力。半导体设备不仅是重要的上游产业之一，更是半导体制造业和设计业发展的基石。

在半导体发展早期，一项新的芯片产品的出炉，往往需要从设备的改进、制造技术的提升开始做起。1984年前后，美国英特尔公司全力开发128K到256K存储器，当时的所有工艺过程的开发，都是和设备公司紧密合作才开发出来的。英特尔核心的中央研究部，分成两个基本的部门：一是模块（Module）部门，就是和设备公司合作，全力帮助光刻机、等离子体刻蚀机、薄膜设备等供应商攻克设备和单元工艺解决方案。二是工艺整合（Process Integration）部门，任务是把单元步骤连接成制成芯片的整个过程。可以说，没有微观加工的设备能力，就没有芯片技术的开发。

芯片加工设备有很多种类，主要可以分为光刻机、工艺加工设备和检测设备。

光刻机是芯片加工的规划师，可以将设计好的电路图转印到晶圆上。1978年，美国的GCA公司推出全球第一款商用步进光刻机，光刻精度3微米，一度发展为世界光刻机霸主。随着光刻精度的提升，光刻机对光学器件的性能要求越来越高，擅长精密光学镜头加工的日本佳能和尼康后来居上。但是在一次关键的技术升级中，日本企业由于坚持了错误的技术路线，被采用浸润式光刻技术和并坚持“开放式”创新的ASML打败。目前在高端光刻机领域，ASML一枝独秀。

工艺设备是半导体加工的基础。典型的工艺设备包括很多种，如刻蚀机、薄膜生长设备、离子注入设备等，其中，刻蚀机是市场空间最大、产品种类最多的工艺设备。目前全球主要设备厂商，应用材料、泛林科技以及东京电子，都是从做刻蚀机起家，后来再通过不断的研发及外延并购，逐渐形成完整的工艺设备系列产品。值得一提的是，中国唯一具有国际竞争力的半导体设备制造企业——中微半导体，也是从刻蚀机开始做起。

检测设备是半导体制造的质量监督员。检测设备的主要功能包括两个方面，一是检查，找出关键缺陷，另一个是测量，测量出加工线宽、薄膜厚度、刻蚀深度以及侧壁刻蚀角（side wall angle）等关键参数。一颗芯片需要经过上千道工序的加工，而每一道工序都有可能由于技术不精确或外部环境污染引入偏差和缺陷，如果不对晶圆加工制造过程进行持续的检测和修正，缺陷累积可能导致整片晶圆的失效。全球最著名的晶圆检测设备专家是科天半导体（KLA-Tencor），这一名字源于1997年的一次合并，KLA专注于缺陷检测，Tencor专注于测量，1997年两家公司合并成为KLA-Tencor，并在光学检测及量测领域一路狂奔，成为该领域的全球第一。

芯片技术的核心就是微观加工。越往上游走，技术难度越大，行业集中度越高。具体的芯片产品（器件）有成千上万种，芯片设计企业也数以千计，各种加工制造企业全球也有近百家，但能做到在几十个纳米、甚至到几纳米的尺度上加工芯片的设备公司，全球屈指可数。他们攫取丰厚的利润，并形成对整个产业的影响力。

我国半导体产业发展到现在，一直都没有给设备和材料产业应有的重视。近些年，全国各地兴建了几十条半导体产线，投资上万亿元人民币，其中大部分都用于购买国外的设备和材料，不仅让欧美日企业赚取大量超额利润，更重要的是使我国半导体产业的核心环节受制于人。

目前，国内已有部分半导体工厂的制造工艺水平接近世界先进水平，但主要还是依赖国外设备供应商，跟随国外的技术路线，无法实现产业的自我迭代、持续升级、良性发展。这其中关键的缺失环节就是我国几乎空白的半导体设备业。

尽管我国半导体产业发展有其特殊性，但他山之石可以攻玉，通过学习美国、欧洲、日本、韩国等国家（地区）先进的半导体产业发展经验和教训，掌握产业规律，对我国半导体产业发展政策制定有一定益处。

[1]籽晶是具有和所需晶体相同晶向的小晶体，是生长单晶的种子，也叫晶种。用不同晶向的籽晶做晶种，会得到不同晶向的单晶。

读者对象

半导体产业的从业者、产业政策的制定者，以及有兴趣投身或了解半导体产业的人士

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