國(guó)內(nèi)外集成電路裝備現(xiàn)狀分析

傅翠曉

集成電路（integrated circuit，IC）裝備作為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)，己成為高技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)的典型代表。一個(gè)國(guó)家集成電路裝備制造業(yè)水平的高低，決定了整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。本文結(jié)合全球集成電路裝備產(chǎn)業(yè)鏈條，解析全球及我國(guó)集成電路裝備的技術(shù)體系及競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)集成電路裝備發(fā)展快速，但短板仍很明顯，應(yīng)進(jìn)一步夯實(shí)基礎(chǔ)，加快提升創(chuàng)新步伐。

1 關(guān)鍵裝備

集成電路裝備是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)中的重要環(huán)節(jié)（見圖1），其中關(guān)鍵產(chǎn)品主要包括光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)、清洗研磨設(shè)備、檢測(cè)裝備、薄膜沉積設(shè)備（PVD）和化學(xué)氣象沉積設(shè)備（CVD）等。由于集成電路工藝本身具有精度高、零敏度高等特點(diǎn)，因此其裝備也普遍具有技術(shù)難度大、成本投入高的特點(diǎn)，而其中技術(shù)難度最高、價(jià)值最大的當(dāng)屬光刻機(jī)。一臺(tái)光刻機(jī)的價(jià)值高達(dá)1億美元以上。光刻機(jī)的精度，直接決定了芯片精度的上限。目前最先進(jìn)的光刻機(jī)加工能力能夠達(dá)到7nm級(jí)，相當(dāng)于頭發(fā)直徑的萬(wàn)分之一（頭發(fā)的直徑約為80μm）。除了光刻機(jī)，刻蝕機(jī)是集成電路生產(chǎn)工藝中第2重要的設(shè)備，單價(jià)在400萬(wàn)～500萬(wàn)美元以上。離子注入機(jī)主要用于芯片制造的摻雜工藝，即在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子注入晶圓表面，從而在所選擇的區(qū)域形成一個(gè)具有特殊性質(zhì)的注入層。目前低能大束流離子注入機(jī)市場(chǎng)得到進(jìn)一步的發(fā)展。芯片制造工藝中要始終保持硅晶圓表面沒有雜質(zhì)，這就需要用到清洗設(shè)備，清洗機(jī)約占整個(gè)生產(chǎn)線投資的10%左右。目前主要采用干法清洗設(shè)備。前端工藝檢測(cè)裝備則是芯片制造技術(shù)邁向更高節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了降低生產(chǎn)成本，集成電路制造商需要更多、更先進(jìn)的在線及實(shí)時(shí)工藝檢測(cè)手段對(duì)工藝過程的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)測(cè)，盡早發(fā)現(xiàn)異常、及時(shí)改進(jìn)工藝，以保證生產(chǎn)的順暢進(jìn)行，最終提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

作為集成電路裝備中最重要的設(shè)備，光刻機(jī)的全球產(chǎn)業(yè)鏈上重點(diǎn)廠商分布如圖2所示。全球高端光刻機(jī)市場(chǎng)幾乎是荷蘭阿斯麥（ASML）公司一家獨(dú)大，此外，日本的尼康和佳能公司也占有一席之地。目前，我國(guó)在前道光刻機(jī)方面還嚴(yán)重依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)技術(shù)還處于90nm光刻機(jī)的整機(jī)集成階段，而國(guó)際最先進(jìn)的EUV光刻機(jī)已具備生產(chǎn)7nm以下制程的能力，技術(shù)差距顯著。但在后道光刻機(jī)和投影光刻機(jī)方面，國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，如上海微電子裝備有限公司（以下簡(jiǎn)稱“上海微電子”）的用于先進(jìn)封裝的步進(jìn)投影光刻機(jī)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率超80%，全球市場(chǎng)占有率約40%，用于LED制造的投影光刻機(jī)的全球市場(chǎng)占有率約20%。

其他關(guān)鍵裝備的產(chǎn)業(yè)鏈分布圖如圖3所示。目前，我國(guó)企業(yè)在刻蝕機(jī)和清洗設(shè)備領(lǐng)域已有所突破，具備了一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。盡管目前這些領(lǐng)域的行業(yè)龍頭依然是美國(guó)、日本、韓國(guó)的一些大型企業(yè)，但近年來(lái)我國(guó)企業(yè)也開始在國(guó)際市場(chǎng)上嶄露頭角，如中微半導(dǎo)體設(shè)備（上海）股份有限公司的16nm刻蝕機(jī)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，同時(shí)順應(yīng)國(guó)際技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，已具備生產(chǎn)7～10nm刻蝕設(shè)備的能力，技術(shù)水平達(dá)到世界先進(jìn)；盛美半導(dǎo)體設(shè)備（上海）有限公司研制的Ultra C SAPA III單片兆聲波清洗機(jī)，已通過了韓國(guó)集成電路企業(yè)的大生產(chǎn)線工藝評(píng)估，具備了一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，有望成為下一代微小顆粒清洗的主流設(shè)備。

作為集成電路裝備產(chǎn)業(yè)鏈下游的芯片制造技術(shù)，其發(fā)展遵從“摩爾定律”的規(guī)律正在不斷向小型化方向發(fā)展。如今，國(guó)際先進(jìn)的芯片制造技術(shù)已經(jīng)使芯片上所集成的晶體管數(shù)量達(dá)到了空前的水平，且每個(gè)晶體管的體積變得非常微小。從國(guó)際主流的集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，工藝特征尺寸從45nm發(fā)展到32nm和22nm，目前則直接越過10nm沖刺到7nm。從國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，最具代表性的集成電路制造企業(yè)——中芯國(guó)際集成電路制造有限公司，目前其產(chǎn)品工藝特征尺寸也只能達(dá)到28nm級(jí)。這意味著在指甲蓋大小的芯片上可以放300億個(gè)7nm的晶體管，而只能放80億個(gè)28nm的晶體管。

2 關(guān)鍵器件

集成電路裝備上游的零部件眾多，涉及的領(lǐng)域廣泛，不僅涉及相關(guān)工作臺(tái)、設(shè)備框架/腔體、儀表、真空泵等基礎(chǔ)部件，也涉及相關(guān)光學(xué)部件、傳感器、專業(yè)系統(tǒng)和軟件等專用的核心部件。其中，投影物鏡是光刻機(jī)中最關(guān)鍵的分系統(tǒng)，技術(shù)難度最高，其性能直接影響到光刻機(jī)的成像質(zhì)量和曝光場(chǎng)的大小。鏡片材質(zhì)要做到均勻，需要幾十年到上百年的技術(shù)積淀，僅從光潔度來(lái)說(shuō)，不同工人磨出的鏡片，這一指標(biāo)可能就會(huì)相差數(shù)倍。有了頂級(jí)的鏡頭和光源，還需要有極精準(zhǔn)的機(jī)械部件，一臺(tái)光刻機(jī)中有約3萬(wàn)個(gè)機(jī)械部件，任何一個(gè)都要可靠和精準(zhǔn)。

作為集成電路裝備中價(jià)值最高的光刻機(jī)，其上游關(guān)鍵部件，尤其是投影物鏡和掩模臺(tái)等，目前基本被德國(guó)的蔡斯、日本尼康、佳能及荷蘭的阿斯麥等企業(yè)所壟斷，我國(guó)還沒有企業(yè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和市場(chǎng)的突破，就連國(guó)家的專項(xiàng)布局也很少涉及這一領(lǐng)域。

3 相關(guān)建議

3.1 把握“超越摩爾”趨勢(shì)，加快趕超國(guó)際水平

集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)在“摩爾定律”的推動(dòng)下已快速發(fā)展了幾十年。然而，相比2013年和如今的手機(jī)旗艦芯片，元器件數(shù)目并沒有實(shí)現(xiàn)翻一番，實(shí)際上增長(zhǎng)了50%左右?？梢姡澳柖伞闭谥饾u放緩，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展似乎也走到了一個(gè)十字路口，晶體管小型化已接近其物理極限水平，在這種趨勢(shì)的推動(dòng)下，必將激發(fā)新一輪的產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命，顛覆性技術(shù)也將加速出現(xiàn)，行業(yè)呈現(xiàn)出從“摩爾定律”驅(qū)動(dòng)向“超越摩爾”發(fā)展的趨勢(shì)。

在這種背景下，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)應(yīng)及時(shí)把握機(jī)遇，加快推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)程，通過加強(qiáng)與多種領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界的合作，開放集成電路產(chǎn)業(yè)合作及合作方式，抓緊趕超國(guó)際技術(shù)水平，爭(zhēng)取在“超越摩爾”的浪潮到來(lái)之際，搶占一定的先機(jī)。

3.2 堅(jiān)持開放競(jìng)合，致力于打造隱形冠軍

隨著新一代網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、節(jié)能環(huán)保等新興產(chǎn)業(yè)的繁榮興起，集成電路產(chǎn)業(yè)為適應(yīng)其下游應(yīng)用的新需求，不斷開發(fā)新產(chǎn)品和新工藝。AI、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)智能制造等集成電路相關(guān)產(chǎn)品將成為未來(lái)重要的增長(zhǎng)點(diǎn)，這為集成電路裝備產(chǎn)業(yè)提供了新的需求和市場(chǎng)空間，有利于促進(jìn)其快速發(fā)展。為適應(yīng)新的集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的裝備需要加速更新迭代，新的市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)下將迎來(lái)新一輪的投資周期，世界各國(guó)對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的重視度也會(huì)進(jìn)一步提高，國(guó)際合作將更為緊密，必將推動(dòng)未來(lái)全球集成電路裝備市場(chǎng)形成競(jìng)合格局。

基于我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)基礎(chǔ)，要想在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的覆蓋不太現(xiàn)實(shí)。但在我國(guó)下游應(yīng)用市場(chǎng)繁榮的大背景下，為保持上中游產(chǎn)品的供應(yīng)鏈順暢，需要利用全球市場(chǎng)、技術(shù)、資本和人才資源，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)開放式創(chuàng)新，同時(shí)加強(qiáng)國(guó)際交流與深層次合作，如與以色列和俄羅斯等國(guó)家開展深度合作，建立競(jìng)合關(guān)系，并集中力量打造出隱形冠軍，使其在全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局中掌握主導(dǎo)話語(yǔ)權(quán)。

3.3 抓住新興領(lǐng)域機(jī)遇，加速實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代

如今，各類智能移動(dòng)終端、工業(yè)機(jī)器人、新能源汽車、可穿戴設(shè)備等新興產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，帶來(lái)對(duì)高精準(zhǔn)度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片、高速的射頻傳輸芯片等集成電路產(chǎn)品的巨大需求。如執(zhí)行計(jì)算的新方法、非硅材料的利用率、以及將半導(dǎo)體產(chǎn)品集成進(jìn)所用設(shè)備的新方法等，這與傳統(tǒng)的摩爾定律將大多數(shù)創(chuàng)新專注于定期增加一個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量不同。它將更專注于創(chuàng)新的多維度，其中許多是全新的領(lǐng)域，而這些新興領(lǐng)域的電子產(chǎn)品目前在全球均處于初期發(fā)展及應(yīng)用階段，在我國(guó)政策扶持及及市場(chǎng)需求的雙重帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自主化的可能性較高，如果能夠把握住市場(chǎng)機(jī)遇，未來(lái)這些新興領(lǐng)域?qū)⒂型蔀槲覈?guó)集成電路裝備市場(chǎng)新的增長(zhǎng)藍(lán)海。

3.4 強(qiáng)化“內(nèi)外聯(lián)動(dòng)”，夯實(shí)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)

“內(nèi)”要強(qiáng)化自主研發(fā)基礎(chǔ)實(shí)力。鑒于光刻機(jī)在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中的重要地位，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，需要有自主產(chǎn)品來(lái)保證我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。而針對(duì)目前我國(guó)在光刻機(jī)光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域技術(shù)差距大，國(guó)內(nèi)創(chuàng)新研發(fā)布局較為短缺的現(xiàn)狀，應(yīng)充分整合國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的創(chuàng)新研發(fā)資源，以重大專項(xiàng)、重大合作研發(fā)計(jì)劃、或聯(lián)合國(guó)際力量等形式，加強(qiáng)布局，潛心研究，在政府引導(dǎo)下，通過整合創(chuàng)新資源，形成合力進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，加快提升自主技術(shù)水平，追趕國(guó)際先進(jìn)水平。同時(shí)，加強(qiáng)本土人才的培養(yǎng)，做好人才儲(chǔ)備，夯實(shí)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

“外”要積極引進(jìn)高端人才和購(gòu)并國(guó)外先進(jìn)技術(shù)型企業(yè)。積極主動(dòng)對(duì)接優(yōu)勢(shì)企業(yè)，以更加開放包容的姿態(tài)，不斷加強(qiáng)國(guó)際人才交流合作，挖掘高端人才，與高端人才探尋合作共贏模式，擇機(jī)引進(jìn)國(guó)內(nèi)發(fā)展。此外，針對(duì)我國(guó)集成電路裝備制造企業(yè)數(shù)量較少、規(guī)模較小的現(xiàn)狀，為解決行業(yè)特有的大資金問題，應(yīng)鼓勵(lì)企業(yè)進(jìn)行購(gòu)并，在政府引導(dǎo)下，形成合力，應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。