我國(guó)集成電路制造業(yè)的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與新起點(diǎn)

滕冉 李珂

一、我國(guó)集成電路制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

集成電路工業(yè)在系統(tǒng)需求增長(zhǎng)的推動(dòng)下，如摩爾定律所描述，密度和性能方面持續(xù)地和系統(tǒng)地不斷增長(zhǎng)。持續(xù)降低的功能單位成本，通過計(jì)算機(jī)、通信以及其他工業(yè)與消費(fèi)電子的普及，極大地提高了經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力和人們的總體生活質(zhì)量。這一切很大程度上要求集成電路制造工藝不斷發(fā)展。

集成電路制造工藝發(fā)展的直接動(dòng)力來自于單位晶體管制造成本的不斷降低和晶體管性能的不斷提升的要求。在工業(yè)界主要通過三種方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

第一，增大晶圓的尺寸是降低制造成本最直接的方法。晶圓尺寸的增加意味著同樣的工藝步驟能生產(chǎn)出更多的芯片，從而降低晶體管的成本。晶圓尺寸從過去的25mm增加到300mm，目前450mm的硅片正在研發(fā)當(dāng)中。

第二，是降低晶體管的幾何尺寸。集成電路的幾何尺寸在過去的幾十年中降低幅度達(dá)到500倍以上。這是降低晶體管制造成本和提高晶體管性能的最有效方法。幾何尺寸的降低，直接地增加了單位面積上器件數(shù)目，從而降低芯片成本，同時(shí)提高了晶體管的電學(xué)性能，如能耗、速度等。

第三，是“超摩爾定律”?！俺柖伞钡淖龇ㄍǔ?huì)讓非數(shù)字功能（如射頻通信、電源控制、被動(dòng)組件、傳感器等）從系統(tǒng)板級(jí)轉(zhuǎn)變到特定系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）或系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）的潛在解決方案。

目前我國(guó)規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的晶圓代工廠中芯國(guó)際，可以為集成電路設(shè)計(jì)公司提供0.35微米至14納米多種技術(shù)節(jié)點(diǎn)、不同工藝平臺(tái)的集成電路晶圓代工及配套服務(wù)。2019年中芯國(guó)際實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入31.24億美元，全球份額位列第四。在邏輯工藝領(lǐng)域，中芯國(guó)際是中國(guó)大陸第一家實(shí)現(xiàn)14納米FinFET量產(chǎn)的集成電路晶圓代工企業(yè)，代表中國(guó)大陸自主研發(fā)集成電路制造技術(shù)的最先進(jìn)水平;在特色工藝領(lǐng)域，中芯國(guó)際陸續(xù)推出中國(guó)大陸最先進(jìn)的24納米NAND、40納米高性能圖像傳感器等特色工藝，與各領(lǐng)域的龍頭公司合作，實(shí)現(xiàn)在特殊存儲(chǔ)器、高性能圖像傳感器等細(xì)分市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)。

2019年以來，我國(guó)8/12英寸生產(chǎn)線的數(shù)量和占比持續(xù)增加。從生產(chǎn)線分布來看，國(guó)內(nèi)集成電路生產(chǎn)線主要集中在以上海、江蘇、浙江、安徽為代表的長(zhǎng)三角地區(qū)，以深圳、廣州為代表的珠三角地區(qū)，以北京、天津、大連為代表的京津冀環(huán)渤海地區(qū)，以武漢、成都、重慶、西安為代表的中西部地區(qū)。經(jīng)過二十余年的快速發(fā)展，2019年集成電路制造業(yè)銷售額已達(dá)到2110.4億元，增速達(dá)到16.07%。

一大批重點(diǎn)龍頭企業(yè)快速成長(zhǎng)并不斷升級(jí)。我國(guó)300mm FAB 產(chǎn)線已投產(chǎn)超20條，宣布在建8條，建成后全國(guó)產(chǎn)能將超239萬片/月。我國(guó)300mm FAB 產(chǎn)線總投資額超15000億元，官宣在建和規(guī)劃中的300mm硅片廠投資近7510億元。

二、我國(guó)集成電路制造業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

1、行業(yè)面臨的機(jī)遇

（1）技術(shù)水平逐漸提高。近年來，中國(guó)集成電路市場(chǎng)的迅速發(fā)展推動(dòng)了中國(guó)集成電路領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)進(jìn)步與技術(shù)革新。

（2）集成電路產(chǎn)能向中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移。集成電路產(chǎn)業(yè)鏈逐步從美國(guó)、日本、歐洲和中國(guó)臺(tái)灣向中國(guó)大陸和東南亞等地區(qū)轉(zhuǎn)移，有利于國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)先進(jìn)技術(shù)和積累管理經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)本土企業(yè)的快速發(fā)展。產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)移的全球大趨勢(shì)為中國(guó)大陸集成電路行業(yè)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。中國(guó)大陸新增晶圓廠的逐步建設(shè)完成為大陸集成電路行業(yè)在降低成本、擴(kuò)大產(chǎn)能、地域便利性等方面提供了新的支持，對(duì)于集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。大陸市場(chǎng)的旺盛需求和投資熱潮帶動(dòng)了集成電路產(chǎn)業(yè)專業(yè)人才的培養(yǎng)及配套產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，集成電路產(chǎn)業(yè)環(huán)境的良性發(fā)展為中國(guó)大陸集成電路制造環(huán)節(jié)擴(kuò)張和升級(jí)提供了機(jī)遇。

（3）集成電路產(chǎn)線愈加昂貴加劇頭部企業(yè)集中趨勢(shì)。在摩爾定律的推動(dòng)下，元器件集成度的大幅提高要求集成電路線寬不斷縮小，導(dǎo)致生產(chǎn)技術(shù)與制造工序愈加復(fù)雜，制造成本呈指數(shù)級(jí)上升趨勢(shì)。當(dāng)技術(shù)節(jié)點(diǎn)向5納米甚至更小的方向升級(jí)時(shí)，普通光刻機(jī)受其波長(zhǎng)的限制，其精度已無法滿足工藝要求。因此，集成電路的制造需要采用昂貴的極紫外光刻機(jī)，或采用多重模板工藝，重復(fù)多次薄膜沉積和刻蝕工序以實(shí)現(xiàn)更小的線寬，使得薄膜沉積和刻蝕次數(shù)顯著增加，意味著集成電路制造企業(yè)需要投入更多且更先進(jìn)的光刻機(jī)、刻蝕設(shè)備和薄膜沉積設(shè)備等，造成巨額的設(shè)備投入。

（4）產(chǎn)業(yè)政策的有力支持。集成電路產(chǎn)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心。近年來，國(guó)家相繼出臺(tái)產(chǎn)業(yè)政策，以市場(chǎng)化運(yùn)作的方式推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2020年8月國(guó)務(wù)院發(fā)布了《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，進(jìn)一步明確了對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)尤其是制造業(yè)的支持。

2、行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

（1）與國(guó)際頂尖技術(shù)水平仍有一定差距。中國(guó)大陸集成電路企業(yè)在頂尖技術(shù)積累方面與業(yè)界龍頭企業(yè)存在一定差距。盡管政府和企業(yè)愈發(fā)重視對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的研發(fā)投入，但由于技術(shù)發(fā)展水平、人才培養(yǎng)等方面的滯后性，以及企業(yè)資金實(shí)力不足等諸多原因，中國(guó)大陸集成電路產(chǎn)業(yè)的研發(fā)力量薄弱、自主創(chuàng)新能力不足的狀況依然存在。就集成電路晶圓代工行業(yè)而言，在先進(jìn)工藝線寬這一關(guān)鍵指標(biāo)上，中國(guó)大陸企業(yè)在生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)人才等方面與業(yè)界龍頭企業(yè)還存在一定差距。在集成電路行業(yè)面臨全球范圍內(nèi)充分競(jìng)爭(zhēng)的背景下，中國(guó)大陸企業(yè)在與業(yè)界龍頭企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的過程中仍會(huì)在未來一段時(shí)間內(nèi)處于相對(duì)弱勢(shì)的地位。

（2）高端專業(yè)技術(shù)人才不足。集成電路晶圓代工行業(yè)屬于技術(shù)和人才密集型行業(yè)。相對(duì)于發(fā)展成熟的美國(guó)、日本、歐洲和中國(guó)臺(tái)灣等，中國(guó)大陸因產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步晚，導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)豐富的集成電路高端人才稀缺。

盡管近年來國(guó)家對(duì)高端專業(yè)人才的培養(yǎng)力度逐步加大，但人才匱乏的情況依然存在，已成為當(dāng)前制約行業(yè)發(fā)展的主要因素。

（3）資金實(shí)力不足。集成電路行業(yè)，尤其是集成電路晶圓代工行業(yè)，從前期設(shè)備的投入、工藝的研發(fā)到人才梯隊(duì)的培養(yǎng)，都需要大量的資金投入。

對(duì)于動(dòng)輒數(shù)十億甚至上百億美元生產(chǎn)線的投入，大多數(shù)企業(yè)的資金實(shí)力無法滿足大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)的需求。

三、28nm——“百分百”國(guó)產(chǎn)芯片新起點(diǎn)

國(guó)務(wù)院8月4日發(fā)布《關(guān)于印發(fā)新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展若干政策的通知》（國(guó)發(fā)【2020】8號(hào)），與原有政策相比，新政策對(duì)28nm及以下制程項(xiàng)目、企業(yè)加大政策優(yōu)惠，對(duì)28nm及以下的晶圓廠、企業(yè)加大稅費(fèi)優(yōu)惠支持力度。

新政策中增加“國(guó)家鼓勵(lì)的集成電路線寬小于28納米（含），且經(jīng)營(yíng)期在15年以上的集成電路生產(chǎn)企業(yè)或項(xiàng)目，第一年至第十年免征企業(yè)所得稅”內(nèi)容。28nm優(yōu)勢(shì)明顯，成為IC工藝制程發(fā)展的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

在成本幾乎相同的情況下，使用28納米工藝制程可以給產(chǎn)品帶來更加良好的性能優(yōu)勢(shì)。例如與40nm工藝相比，28nm柵密度更高、晶體管的速度提升了約50%，每次開關(guān)時(shí)能耗減少了50%。

目前28nm采用的是193nm浸液式光刻機(jī)。但是當(dāng)尺寸從28縮小到22/20納米時(shí)，必須采用輔助的兩次圖形曝光技術(shù)，制程成本將提高1.5-2倍左右。16/14nm制程成本將更高，這意味著發(fā)展先進(jìn)制程不再具有成本優(yōu)勢(shì)。

綜合考慮成本和技術(shù)因素，28nm制程在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間將成為中端主流工藝節(jié)點(diǎn)。

目前中國(guó)大陸擁有28nm及以下晶圓廠的企業(yè)包括中芯國(guó)際、上海華力微、合肥長(zhǎng)鑫等，目前國(guó)產(chǎn)設(shè)備可進(jìn)入28nm及以下晶圓制造產(chǎn)線的廠商包括華海清科、沈陽拓荊、盛美半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)、中微公司、沈陽芯源、屹唐半導(dǎo)體、中科信、睿勵(lì)和廣立微等。

北方華創(chuàng)在2018年實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)首臺(tái)銷售的ALD（原子層沉積設(shè)備），可實(shí)現(xiàn)28nm-14nm的FinFET等工藝要求。

上海微電子宣布最快將在2021年交付第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)28nm工藝的國(guó)產(chǎn)沉浸式光刻機(jī)。

中微半導(dǎo)體的介質(zhì)刻蝕機(jī)可以滿足全球最先進(jìn)的5nm工藝，目前已經(jīng)獲得了包括臺(tái)積電、中芯國(guó)際在內(nèi)的主要集成電路制造業(yè)的訂單。

爍科中科信研發(fā)的中束流離子注入機(jī)達(dá)到了國(guó)外同類型設(shè)備水平，產(chǎn)品已經(jīng)批量進(jìn)入市場(chǎng)，大束流離子注入機(jī)工藝覆蓋至28nm。

盛美半導(dǎo)體清洗機(jī)進(jìn)入產(chǎn)線14nm驗(yàn)證，提前覆蓋國(guó)內(nèi)最新制程。PECVD設(shè)備方面，沈陽拓荊成功進(jìn)入中芯國(guó)際、華力微電子28nm生產(chǎn)線。

目前，我國(guó)在28nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)和各個(gè)環(huán)節(jié)均有完整的覆蓋，雖然部分領(lǐng)域的量產(chǎn)設(shè)備有待進(jìn)一步的驗(yàn)證和迭代升級(jí)，通盤來看國(guó)內(nèi)已經(jīng)基本具備了28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)“百分之百”國(guó)產(chǎn)芯片的量產(chǎn)能力。

未來隨著人才、資金、技術(shù)、政策的進(jìn)一步完善，國(guó)內(nèi)集成電路制造產(chǎn)業(yè)必將迎來發(fā)展新高潮。