國內外半導體產業現狀分析，我國這兩大短板成「芯痛」原因

中國當前的半導體材料產品多用於中低端設備，如發光二極體（LED）照明設備、面板等，目前國內半導體下游需求90%以上來自於LED照明行業。

我國在基礎領域技術成熟，與國外差距不大，甚至某些技術趕超國外、領先全球。

然而在高端晶片領域，國內外差距較大。

從晶片設計、晶圓加工到封裝測試，我國產業鏈的各個環節均有不足之處，這就導致了終端產品性能無法和國外製備的晶片相匹敵。

本文將從製備工藝和檢測設備兩個方面，對國內外半導體產業現狀進行具體對比。

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製備工藝差距導致最終產品無法實現小而精的要求

半導體行業具有較長的產業鏈，從上游的原料提純到單晶矽的製備再到下游的光刻和封裝，甚至到最後出廠前的測試，每一步都環環相扣，牽一髮而動全身。

這一套工藝流程必須保證每一步的產品具有高性能，才能保證最後的終端產品可用於高端電子裝備。

我國在整條半導體晶片產業鏈中，最上游的原材料純度不夠、中游的高精密製備技術欠缺，從而導致下游產品無法達到國際水平。

本節內容將詳細闡述晶圓製造產業中外延技術和光刻工藝兩大關鍵環節中我國的劣勢。

1.晶圓製造的外延設備有待提高

晶圓製造是指利用二氧化矽作為原材料製作單晶矽，需要熔煉爐、化學氣相沉積（CVD）設備、單晶爐和切片機等設備。

晶圓製造的成品是單晶矽片或者單晶矽薄膜。

在單晶矽棒材的生產企業中，中芯國際、中環股份均是國內該領域的佼佼者。

隨著我國國產電子設備市場的快速擴張，半導體行業下游對上游材料的需求量將持續增大，國內必須儘快擴大棒材的生產直徑。

但是在生產設備方面，我國目前仍依賴進口，中環股份所用的單晶爐進口於德國，因為國外進口的熔爐可保證爐壁材料不會在單晶矽製備過程中釋放其他元素而導致單晶矽不純。

外延法是生長單晶矽薄膜的關鍵技術，也是晶圓製造的重要工藝之一。

上游環節中單晶矽片的製備方面，國內外差距正在急劇縮小，而在外延技術方面，國內外半導體製備工藝卻在逐步拉開差距。

此部分將針對晶圓製造中的外延技術進行國內外對比。

▼外延設備差距大——國產CVD設備的國內市場占有率低

●國外生產設備壟斷全球

愛思強是德國化學沉積設備領域的領先企業，擁有氣相沉積晶體生長的先進技術，其產品是多種高端半導體產品的製備基礎。

相較下美國半導體設備公司的優勢則在於物理氣相沉積設備、檢測設備、離子注入機等。

就晶圓製備設備而言，排名第一的應用材料全球市占有率為19%左右，擁有12000項專利，每年的研發投入超過15億美元，而國內半導體設備龍頭企業北方華創的研發支出每年卻不到1億美元。

●北方華創是中國的AMAT，正發力於縮小PVD設備的差距

北方華創是我國生產半導體設備的主要企業，其主導產品有CVD、PVD、刻蝕機、氧化爐等，均是我國進口價值比較高、技術難度較大的裝備。

但北方華創在國內市場的占有率不足2%，這是因為我國半導體企業所用設備幾乎都從國外進口。

在薄膜製備方面，我國PVD設備是國產化率進展較快的一類設備，正在努力縮小與已開發國家的差距。

●氣相沉積設備技術壁壘主要集中在溫度控制系統上

影響CVD工藝的參數較多，溫度是其關鍵參數之一。

隨著圓片尺寸的增大以及對膜厚均勻性的要求越來越高，特別是新器件新工藝的發展，對控溫精度要求越來越高，許多工藝要求溫度上下浮動控制範圍不超過0.5°C。

CVD工藝中氣流要求為層流，但有時會出現湍流或局部漩渦，從而引起局部溫度波動。

基板加熱系統的設計也成為CVD設備研發的難題之一，樣品托板的選擇也要配合加熱系統。

設備真空度是另一影響產品性能的關鍵點，各種鍍膜技術都需要一個特定的真空環境。

2. 我國光刻精度低影響集成電路的高效率

上游的晶圓片產品會運送到晶片製備企業進行晶圓加工。

晶圓加工是指在晶圓上製作邏輯電路的過程，需要鍍膜、光刻、顯影、刻蝕、離子注入等工藝過程，需要CVD沉積設備、光刻機、刻蝕機、離子注入機、擴散爐等設備。

其中光刻工藝的差距是導致我國半導體晶片性能不足的關鍵原因，我國在這方面的劣勢可以歸咎於光刻設備和掩膜版精度不夠以及光刻膠的性能差。

▼核心設備光刻機技術落後

光刻機是半導體集成電路製造的核心設備，我國晶片發展受限的一個重要原因在於光刻機技術落後。

放眼全球，能夠製造出光刻機的國家屈指可數，包括荷蘭、美國、日本、中國。

其中荷蘭的阿斯麥（ASML）公司占據著無法撼動的龍頭地位，壟斷了全球80%的光刻機市場。

我國無論從產品還是技術上都存在著滯後性，不得不從國外進口價格高昂的成品。

但我國技術也在不斷突破。

2016年11月長春光機所在光源和物鏡系統方面取得歷史性突破，「極紫外光刻關鍵技術研究」也順利通過測試。

這對於我國發展新一代集成電路製造裝備是里程碑般的成果，代表國產22-32nm光刻設備指日可待。

我國在追趕國外先進技術的同時將新技術產業化的道路仍任重而道遠。

▼核心材料光刻膠自給不足

光刻膠是光刻環節所用到的核心材料。

光刻膠的生產技術指標卡控十分嚴格，產品需確保解析度、顯影時間、異物數量、附著力、阻抗等參數均達到指標，其成分多樣、工藝技術複雜且技術難題眾多。

因此，國外企業在配方、生產工藝技術等方面一直強勢壟斷。

光刻膠知名的生產廠家多為日美企業，其中日本合成橡膠、東京日化、羅門哈斯、信越化學、富士電子，這5家日本公司占據了全球87%的市場份額。

在光刻膠研發上，我國起步晚，生產能力主要集中在PCB光刻膠、TN/STN-LCD（扭曲向列型液晶顯示器/超扭曲向列型液晶顯示器）光刻膠等中低端產品。

在高端產品上，往往面臨由於技術壁壘高被壟斷的困局。

因此，中國光刻膠企業技術的發展也是半導體崛起的重要環節。

▼關鍵工具掩膜版精度不夠

日本凸版印刷TOPPAN、大日本印刷、美國Photronics等幾家國外企業，目前掩膜版水平可做到十幾到幾十納米，但國內幾家知名企業如華潤微電子、無錫中微掩模、蘇州製版等目前的製備水平普遍還處在0.13μm以上的級別。

由此可見，國內水平還需進一步提高才可與國外企業比肩。

檢測設備差距

集成電路（IC）的封裝是IC生產線的最後環節，在封裝過程及出廠前都要進行嚴格的測試和篩選。

我國的封裝水平較高，但是檢測設備卻依然依賴進口。

目前半導體檢測設備依然被海外巨頭所壟斷，前道檢測市場中美商科磊（KLA-Tencor）占據了52%的市場份額；後道檢測市場則主要由美國泰瑞達（TERADYNE）、愛德萬、Xcerra所壟斷。

其中Xcerra是全球第三大後道測試設備的生產商，其ATE檢測優勢在模擬晶片的測試。

國產設備中，涉足前道檢測設備的公司有上海睿勵和精測電子，上海睿勵主要以膜厚檢測為主，精測電子則以面板檢測為主；後道檢測方面，長川科技是後道檢測設備領軍企業，並已實現了規模化的進口替代，但目前檢測設備主要應用於低端器件——電源管理晶片，而針對存儲晶片和模擬晶片領域的檢測設備仍處於空白階段。