羅佐縣,林夢蕾,陳春玉,王少楠
(1.中國石化集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司,北京 100029;2.西南化工研究設(shè)計院有限公司,四川 成都 610225)
隨著第四次產(chǎn)業(yè)革命時代的來臨,以智能化為核心的技術(shù)變革將在諸多領(lǐng)域發(fā)生,5G通信、人工智能、北斗導(dǎo)航自動駕駛、增強(qiáng)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段,繼而成為推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要力量。本輪工業(yè)革命的核心是智能化,關(guān)鍵技術(shù)之一是芯片制造。對當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會而言,芯片的重要性如同第一、二次工業(yè)革命中的蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)。無論是人們常用的手機(jī)、電腦,還是企業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心、工業(yè)機(jī)器人都離不開芯片的支撐。芯片制造水平在很大程度上決定著一個國家在新一輪工業(yè)革命中的競爭力。電子工業(yè)用氣體(簡稱電子氣)廣泛應(yīng)用于芯片制造和晶圓制造過程,其主要技術(shù)工藝包括清洗、蝕刻、光刻、外延、摻雜、稀釋、運(yùn)載、封裝等,是芯片制造關(guān)鍵性化工基礎(chǔ)材料,被譽(yù)為電子工業(yè)的“糧食”和“源”。
當(dāng)前,我國正在大力實施以5G技術(shù)為核心的新基建工程,系統(tǒng)推進(jìn)中國制造業(yè)水平提升,全力支撐國內(nèi)大循環(huán)為主,國內(nèi)國際雙循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局構(gòu)建,經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了更高要求。現(xiàn)實的國情是我國90%的高端芯片依賴進(jìn)口,在“黑天鵝”“灰犀?!笔录l發(fā)形勢下,既定經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)極易受到芯片斷供的鉗制。過去幾年,美國對中興通訊、華為等國企的制裁已可見端倪。為此,提升芯片核心部件國產(chǎn)化率是我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo),也是整個經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重中之重。與此同時,發(fā)展本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),深度參與全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分工,融入全球產(chǎn)業(yè)鏈也是體現(xiàn)中國智慧,展現(xiàn)中國力量,提升中國在第四次工業(yè)革命中話語權(quán)的現(xiàn)實舉措。
常用的電子氣純氣有60多種,混合氣80多種,一些超大規(guī)模的集成電路制造需要在數(shù)百個流程中運(yùn)用到上百種電子氣。可以說,沒有電子氣就無法對芯片進(jìn)行加工;缺少高質(zhì)量的電子氣就無法制造高質(zhì)量芯片。如果電子氣供應(yīng)保障性不足,將導(dǎo)致整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)短板[1]。因此,提升電子氣保障程度是支撐芯片和半導(dǎo)體事業(yè)發(fā)展,繼而支撐新基建和雙循環(huán)格局形成的重要前提條件之一。
以美國空氣化工、新林德(德國林德集團(tuán)和普萊克斯已經(jīng)完成合并)、法國液化空氣和日本大陽日酸株式會社為首的氣體公司占有電子特種氣體全球80%以上的市場份額。圖1是2018年世界電子氣體市場份額結(jié)構(gòu)圖,可以看到,美國通過空氣化工以及新林德直接或間接影響著全球電子氣市場50%以上份額。
圖1 2018年世界電子氣體份額
2.2.1 國內(nèi)企業(yè)供應(yīng)本土電子氣份額不足15%
近些年,國內(nèi)電子氣體研發(fā)機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)廠家一直在加大發(fā)展力度,電子氣本土供應(yīng)能力快速提升,取得了一定的成就。但總體看我國電子氣體供應(yīng)“卡脖子”現(xiàn)象依然十分嚴(yán)重,目前,國內(nèi)市場自給率只有12%,見圖2。發(fā)展我國電子氣體產(chǎn)業(yè),尤其是高端電子氣的自主產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)刻不容緩,對于我國新形勢下的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)將產(chǎn)生重要影響。
圖2 國內(nèi)外企業(yè)占我國電子特氣市場份額
2.2.2 我國電子氣企業(yè)實力與國際企業(yè)存在極大差距
我國一直缺乏能與國際大型氣體公司抗衡的有一定實力的企業(yè)。從德邦研究所的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,2019年國內(nèi)企業(yè)的利潤只占四大氣體公司利潤的4%,業(yè)務(wù)收入只占0.7%(數(shù)據(jù)還包含部分不是電子氣的收入),實力差距巨大,見表1。
表1 2019年國內(nèi)外主要電子氣公司業(yè)績表 億元
從國際政治方面看,禁止高端電子氣出口成為美國制裁和打壓中國的手段。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是中美競爭最激烈的產(chǎn)業(yè)之一,也是美國重點盯防的對華出口限制技術(shù)類目。20世紀(jì)90年代以來,國內(nèi)企業(yè)在海外進(jìn)口半導(dǎo)體設(shè)備先后受到美國、日本出口管制限制。華晶、華虹等到國際市場采購設(shè)備也先后遭遇到了“瓦森納安排”的制約,這一合約旨在防止中國在全球半導(dǎo)體價值鏈生產(chǎn)中的水平升級[2]。2020年美國等42個國家《瓦森納協(xié)議》中繼續(xù)擴(kuò)大出口管制范圍,中國從美國進(jìn)口的與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)的更多材料和技術(shù)都成為美國對華出口限制重點,其中就包括電子氣。就發(fā)展趨勢看,中美之間的對抗可能長期存在,提高包括電子氣在內(nèi)的半導(dǎo)體材料及產(chǎn)品自給能力極為迫切[3]。
從商業(yè)經(jīng)營方面看,過度依賴電子氣國際市場導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)營被動。目前集成電路硅片市場呈寡頭壟斷格局,12英寸硅片市場占有率全球排名前五家的企業(yè)就達(dá)到97.8%,掌握著絕對的定價權(quán)[4]。其中Shin–Etsu和SUMCO兩家日資企業(yè)市場占有率超過50%。目前我國12寸及以上硅片依然處于科研攻關(guān)階段。2020年5月的研報稱,全球硅片處于寡頭壟斷CR5超過90%,我國硅片2018年8英寸進(jìn)口比例約70%,12英寸進(jìn)口約100%[5]。
通過與外資企業(yè)交往,國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)普遍認(rèn)為掌握壟斷技術(shù)和產(chǎn)品的外資企業(yè)通過交貨期限拖延以及定價對中國企業(yè)進(jìn)行限制是“家常便飯”[6]。在集成電路硅片的上游材料端,我國電子級多晶硅材料生產(chǎn)能力的缺失一直是“卡脖子”工程,國內(nèi)企業(yè)一直希望在這一方面做出突破,但是這種努力一直未取得令人期待的效果。由于外資電子氣公司牢牢控制著我國電子氣的供應(yīng),嚴(yán)重影響到國內(nèi)硅片更新?lián)Q代,表現(xiàn)在國內(nèi)企業(yè)應(yīng)用的氣體質(zhì)量不高使得企業(yè)無法對單晶硅進(jìn)行高質(zhì)量拉伸,這一點成為我國硅片制造業(yè)提升質(zhì)量的重大瓶頸和“攔路虎”。隨著芯片國產(chǎn)化的推進(jìn),光刻、封裝和測試等環(huán)節(jié)也會遇到類似問題。國外也有類似的案例和前車之鑒,2020年日本對韓國限制銷售電子級氟化氫,對韓國半導(dǎo)體制造造成非常大的影響,這一事件也進(jìn)一步給我們敲響了警鐘[7]。
4.1.1 新冠疫情后經(jīng)濟(jì)回暖拉升國內(nèi)晶圓產(chǎn)能增長
根據(jù)IC Insight統(tǒng)計,2019年上半年中美貿(mào)易戰(zhàn)導(dǎo)致全球各大晶圓廠都推遲了產(chǎn)能增加計劃。隨著2019年下半年中美貿(mào)易的復(fù)蘇和5G市場的爆發(fā),2019年全年全球晶圓產(chǎn)能還是維持了720萬片的增長。新冠疫情后隨著經(jīng)濟(jì)回暖及5G市場的換機(jī)潮,全球晶圓產(chǎn)能將在2020–2022年迎來增加高峰期,3年增加量預(yù)計分別為1 790萬片、2 080萬片和1 440萬片,在2021年將創(chuàng)下歷史新高,見圖3。這些晶圓將會由韓國(三星、海力士),中國臺灣(臺積電)和中國大陸提供,其中中國大陸將占產(chǎn)能增加量的50%。
圖3 2010-2024年全球晶圓廠產(chǎn)能增加量(等效8寸晶圓)
4.1.2 中長期集成電路項目密集上馬進(jìn)一步拉升電子氣需求
國家關(guān)于發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)政策密集頒布。2020年3月,國家科技部等五部委發(fā)布《加強(qiáng)“從0到1”基礎(chǔ)研究工作方案》。方案指出國家科技計劃突出支持關(guān)鍵核心技術(shù)中的重大科學(xué)問題。面向國家重大需求,對關(guān)鍵核心技術(shù)中的重大科學(xué)問題給予長期支持。重點支持人工智能、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、3D打印和激光制造、重點基礎(chǔ)材料、先進(jìn)電子材料、結(jié)構(gòu)與功能材料、制造技術(shù)與關(guān)鍵部件、集成電路和微波器件,高端醫(yī)療器械、重大科學(xué)儀器設(shè)備等重大領(lǐng)域,推動關(guān)鍵核心技術(shù)突破[1]。
地方電子產(chǎn)業(yè)政策落地。全國多地在政府工作報告中紛紛提及集成電路產(chǎn)業(yè)。具體措施主要包括:加快重大項目落地與建設(shè),集中力量實現(xiàn)現(xiàn)有項目突破,完善相關(guān)產(chǎn)業(yè)平臺、產(chǎn)業(yè)基金等。地方政府扶持首先有利于重點集成電路項目開展,其次有利于各地方集成電路企業(yè)經(jīng)營。電子產(chǎn)業(yè)已成為一些省市發(fā)展規(guī)劃重點產(chǎn)業(yè),北京、上海、天津、重慶、安徽、廣東等地均有發(fā)展集成電路的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃,具體措施包括加快重大項目落地與建設(shè),集中力量實現(xiàn)現(xiàn)有項目突破,完善相關(guān)產(chǎn)業(yè)平臺、產(chǎn)業(yè)基金等,見表2。
表2 2019年部分地區(qū)半導(dǎo)體相關(guān)布局
2016年全球半導(dǎo)體行業(yè)用電子特種氣體市場規(guī)模達(dá)到36.8億美元,同比增長5.7%;國內(nèi)方面集成電路用電子特種氣體需求約25億元,預(yù)計到2021年將突破80億元。近10年電子特氣市場增長速度穩(wěn)定在12%。從國家和行業(yè)層面看,芯片國產(chǎn)化率持續(xù)提升是我國半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)。這一目標(biāo)的實現(xiàn)是支撐制造業(yè)質(zhì)量升級,服務(wù)以5G為核心的新基建,助力雙循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局構(gòu)建的基礎(chǔ)手段,也是推動電子氣需求持久增長的重要力量。預(yù)計到2025年前后,在國家政策和高科技的驅(qū)動下,我國電子特氣市場增長速度會顯著提高到20%以上,而全球的電子特氣市場增長速度持續(xù)穩(wěn)定在6%左右。
大宗氣體的氮氣、氬氣、氫氣、氧氣原料級氣體質(zhì)量(到99.999%級別)已經(jīng)和國外接軌。在大宗氣體的現(xiàn)場凈化和終端凈化技術(shù)上,國內(nèi)已經(jīng)達(dá)到8N級水平,正在向9N及以上純度邁進(jìn)。國內(nèi)在大宗氣體凈化工藝上取得了一定的進(jìn)步,但是在凈化材料核心技術(shù)上和國外還存在一定的差距。這些差距主要體現(xiàn)在:氣體分離用硅酸鹽基中空纖維開發(fā);超高純氣體凈化用的非蒸散型吸氣劑開發(fā)(9N和9N以上);超精凈化用催化劑開發(fā);大型氣體終端凈化器的開發(fā);超高純氣體程控閥門研制;高穩(wěn)定新加熱器(連續(xù)使用壽命高于5年)的開發(fā)。
僅部分電子氣實現(xiàn)自主供應(yīng)能力。國內(nèi)已經(jīng)解決了高純氨、三氟化氮、氧化亞氮、六氟化硫等電子氣品種,三氟化氮、六氟化鎢、四氟化碳進(jìn)入國內(nèi)主流12寸晶圓Fab廠商生產(chǎn)線。其中,三氟化氮、六氟化硫等氣體具有很高的全球變暖潛能值(GWP),國際上已經(jīng)逐漸淘汰,被環(huán)境友好型的綠色產(chǎn)品替代。國外公司已經(jīng)先于我們進(jìn)行開發(fā)和技術(shù)儲備,國內(nèi)僅有少數(shù)單位從事研究[9]。
硅族氣體、含氟氣體、鹵素氣體、摻雜氣體、電子工業(yè)用同位素氣體、成膜氣體以及混配氣體均處于短缺狀態(tài)。其中硅族氣體生產(chǎn)和技術(shù)至少落后發(fā)達(dá)國家整整一代以上,國產(chǎn)的硅烷、二氯氫硅、三氯氫硅只能用來成膜,無法用到更高端的領(lǐng)域;含氟化合物的開發(fā)緩慢、品種短缺,合成技術(shù)和純化技術(shù)需要進(jìn)一步提高;國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出氯氣、氯化氫、氟化氫、溴化氫等含鹵素的電子氣,但氣體標(biāo)示純度高于實際純度的現(xiàn)象普遍,關(guān)鍵有害雜質(zhì)無法全部去除,限制了國產(chǎn)鹵素氣體的高端應(yīng)用;摻雜氣體純化過程涉及工藝從4N9到6N9的純度升級過程,任重道遠(yuǎn);我國電子同位素氣體及新材料和發(fā)達(dá)國家相比也是整體落后;成膜氣體、混配氣體也是嚴(yán)重受制于西方。
5.3.1 管路、閥門及包裝物等金屬表面處理
半導(dǎo)體工藝中,高純特氣在儲存和運(yùn)輸過程中要求使用高質(zhì)量的氣體包裝儲運(yùn)容器、以及相應(yīng)的氣體輸送管線、閥門和接口,確保避免二次污染。與高純氣體接觸的各種材料必須滿足潔凈標(biāo)準(zhǔn),否則釋放出的吸附物會污染電子氣體[10]。內(nèi)在制造材料和包裝物內(nèi)部處理技術(shù)與國外有明顯差距,只是解決了可靠性問題,但是高端的表面處理等需求仍然無法解決。超高純氣體用的容器和管道以進(jìn)口為主,亟需開發(fā)。國內(nèi)的浙江淘特科技在表面處理技術(shù)方面,石家莊安瑞科在包裝容器方面取得了長足的進(jìn)步,縮短了和國外的差距。但是更多的表面處理材料和技術(shù)仍然亟待開發(fā)。
5.3.2 尾氣處理與回收技術(shù)
近幾年,半導(dǎo)體工藝在使用大宗特殊氣體過程中,從成本考慮,需要進(jìn)行尾氣回收。另外,在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)過程中,由各種生產(chǎn)設(shè)備排出的廢氣中會含有相當(dāng)濃度的有害和有毒氣體。這些氣體是設(shè)備中各類反應(yīng)的副產(chǎn)品,或者是沒有反應(yīng)的原料氣體。為了將這些氣體從排放氣流中去除,廢氣處理系統(tǒng)很必要。目前,除氦氣回收外,電子混合氣體,同樣需要配套燃燒處理設(shè)備、尾氣處理設(shè)備。我國這些尾氣回收和處理技術(shù)存在技術(shù)突破和工程應(yīng)用,市場基本被國外所壟斷。
5.3.3 氣體檢測技術(shù)
電子氣不僅要求主含量具有很高的純度(99.99%~99.9999%),還對其中的痕量雜質(zhì)成分含量有嚴(yán)格的要求(ppm/ppb/ppt級),如水分、顆粒物、金屬元素、非金屬離子等,必須逐項檢測痕量雜質(zhì)含量,然后再確定高純氣體的純度,即分析出高純氣體中痕量雜質(zhì)成分的含量,然后用差減法確定高純氣體的純度。這就意味著需要多種分析檢測技術(shù)。目前,部分檢測技術(shù)已有一定基礎(chǔ),如常規(guī)的氣相色譜法和化學(xué)分析法國內(nèi)基本掌握,而部分超痕微量分析檢測技術(shù)與國外差距較大。
我國在電子氣全面自主的道路上有一定的困難和挑戰(zhàn),但是優(yōu)勢在于我們有資源,有門類齊全的基礎(chǔ)。通過體制機(jī)制改革整合資源,深入推進(jìn)電子氣供給側(cè)改革,形成有序分工合作、整體攻關(guān)協(xié)調(diào)的發(fā)展模式,對于提升電子氣供應(yīng)效率將產(chǎn)生重要影響。為此提出如下建議。
1)結(jié)合雙循環(huán)格局構(gòu)建、新基建以及《中國制造2025規(guī)劃》相關(guān)目標(biāo),對半導(dǎo)體集成電路等影響電子氣需求的主要產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域,本著保障國內(nèi)循環(huán)需求和保障企業(yè)參與國際分工的原則做出評估,在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計近中期國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖,防止同質(zhì)化競爭和產(chǎn)能過剩,從宏觀層面把握電子氣體數(shù)量和質(zhì)量需求。
2)加強(qiáng)半導(dǎo)體行業(yè)上下游一體化戰(zhàn)略融合力度。中國電子氣行業(yè)企業(yè)規(guī)模小,研發(fā)能力不足,同時電子氣開發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用的關(guān)系未能達(dá)成戰(zhàn)略融合,上下游脫節(jié)較為嚴(yán)重。尤其下游企業(yè)過去基本依賴國外大的氣體公司,對國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品缺乏信心,也不愿意合作培植,才造成今天的尷尬局面。
3)設(shè)立重大專項基礎(chǔ)研究項目,對電子氣行業(yè)進(jìn)行精準(zhǔn)扶持。對于亟需發(fā)展的九大類核心關(guān)鍵技術(shù),建議政府出資立專項進(jìn)行集中攻關(guān);鼓勵國內(nèi)電子氣生產(chǎn)企業(yè)加大聯(lián)合研發(fā)力度;鼓勵國有企業(yè)發(fā)揮好體制機(jī)制優(yōu)勢,持續(xù)加大電子氣科研投入;繼續(xù)加大力度給予企業(yè)科技創(chuàng)新經(jīng)費加計扣除政策扶持;加大成果共享力度,通過產(chǎn)學(xué)研一體化加快科技成果轉(zhuǎn)化現(xiàn)實生產(chǎn)力的節(jié)奏。
4)建設(shè)半導(dǎo)體材料的中試評價線。包括電子氣產(chǎn)品在內(nèi)的半導(dǎo)體材料缺乏應(yīng)用評價平臺,對其推廣帶來限制。半導(dǎo)體企業(yè)不具有相應(yīng)的產(chǎn)品評價能力,即便上游氣體企業(yè)有能力生產(chǎn)出產(chǎn)品,也未必能被企業(yè)所認(rèn)可和接受。建議建設(shè)半導(dǎo)體材料的中試評價線,對各類氣體產(chǎn)品進(jìn)行權(quán)威鑒定,促進(jìn)國產(chǎn)材料的開發(fā)和應(yīng)用。
5)整合現(xiàn)有行業(yè)資源,整體提升行業(yè)競爭力。現(xiàn)階段電子氣行業(yè)無序競爭,同質(zhì)化情況嚴(yán)重。企業(yè)各自為政且從事科技攻關(guān)積極性不足。建議以資本為紐帶對各企業(yè)優(yōu)勢資源進(jìn)行整合,將目前各自為政的中小散資源整合成具有一定規(guī)模競爭力的集團(tuán),培養(yǎng)若干家具有國際競爭力的大型電子氣企業(yè),形成有利于電子氣發(fā)展的機(jī)制、技術(shù)和人才隊伍。
6)加大力度發(fā)展電子氣體制造過程的共性技術(shù),鞏固產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。我國從“七五”開始僅針對某些品種組織攻關(guān),但電子氣體純度一旦提高,行業(yè)缺少共性技術(shù)支撐。我國電子氣某些品種雖然進(jìn)步不小,但是在IC的關(guān)鍵制程中仍存在無法使用的問題,這些現(xiàn)象的克服有賴于共性技術(shù)的盡快形成。
7)改革現(xiàn)有的安評環(huán)評機(jī)制,營造有利于電子氣研發(fā)的良好環(huán)境。電子氣的更新?lián)Q代快,采用當(dāng)前的安評環(huán)評機(jī)制去對待電子氣的研發(fā)、小試和模式裝置的建設(shè)不盡合理。目前電子氣研發(fā)通常審批需要2~5年周期,部分品種電子氣更新?lián)Q代時間就3~5年。因此,在保證安全和環(huán)保的條件下,研發(fā)階段的審批需要加快。對電子氣研發(fā)或小試階段的管控性原料,建議實行限量放權(quán)管控。
我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展正處于承前啟后的重要時期,這一時期需要解決好制造業(yè)質(zhì)量升級,推動新基建,優(yōu)化升級產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等諸多工作,需要高度依賴智能化。通過供給側(cè)改革發(fā)展好電子氣產(chǎn)業(yè),補(bǔ)齊目前的供應(yīng)能力不足短板,是推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展上臺階的重要一環(huán),對于全面提升我國各領(lǐng)域智能化水平也有重要意義。就目前的發(fā)展形勢看,制約電子氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不僅有技術(shù)方面的因素,也有體制機(jī)制方面的因素,改革需要雙管齊下,快速推進(jìn)。