科技

半導體專題 | 半導體制造,國產化如火如荼

編者按:當前,中國經濟進入調結構轉型關鍵期,過去的鋼筋水泥無法帶來自主產業發展的主導權,中興缺芯之痛,讓國人不禁唏噓,偌大的國家,居然連所有人都在使用的晶片都造不出來。與近鄰韓國相比,我們在半導體行業落後了30年,80年代的韓國重金砸研發,搞出了儲存器晶片,這兩年經濟復甦,儲存器芯片價格翻番漲,韓國人從我們身上賺取了百億美金利潤,還有高通、博通、英特爾他們。每年,我們進口的芯片價值2000億美金,和進口石油的規模差不多,這每年的2000億美金進口額,是中國現代化的恥辱,是我們“鋼筋水泥”粗放式發展的帶來的苦果。

慶幸,政府與產業界人士已然決心改變現狀。大基金二期已經成立,國內半導體產業正煥發出從未有之勃勃生機。半導體領域的創新創業正如火如荼展開,是挑戰也是機遇。

值難得的歷史性投資機遇之際,有幸與各位分享半導體的“那點事”。

根據中國半導體行業協會統計資料,2018 年我國積體電路設計業、製造業以及封測業都實現了快速的增長。全行業合計實現銷售收入6,531.4 億元,同比增長20.69%。其中製造業實現銷售收入 1,818.2 億元,同比增長25.56%,半導體制造業佔我國積體電路產業總產值的比例已經達到27.84%。

提到代工,就不能不提及半導體產業的基礎材料晶圓。

1

晶圓:晶片的基石

在早期的19世紀60年代,半導體公司都是採用IDM模型,其中涵蓋設計、製造、封裝和測試所有的晶片生產流程。

隨著技術的不斷升級和整體產線建設的成本不斷提升,整個半導體產業開始向著垂直分工模式發展。也就是半導體公司不再涵蓋所有的晶片製造環節,逐步分離出專注於半導體制造各個環節的公司。隨之而來的誕生出各類fabless、foundry和封測公司等。

從整個半導體制作的核心產業鏈來看的話。其中晶圓製造環節的收入佔據產業鏈整體銷量的的51%左右,其附加值遠超過了其他兩個環節。

2

“點沙成金”的晶圓代工

晶圓廠就是從事將沙子原料(石英)轉化成“晶片”的點金工作。在接受到晶片設計廠商的訂單後,首先需要將晶圓給製作出來,其次還需要按照設計圖的要求,通過光刻等一系列的操作將其製作成最終的晶片。其整體的製作時間長,工藝複雜,生產過程不能收到任何差錯。所以只要在積體電路生產的地方發生小小的地震對於整體生產線的影響是非常之大的。

總體上晶圓代工廠商主要負責兩大塊:

1)晶圓(Wafer)的製作:

晶片設計師類似於房屋設計師,將電路設計圖交由建築工人將房子蓋出來。而蓋房子需要地基,製作晶片同樣需要晶圓,用來安置所有電子元件的基板就是晶圓(Wafer)。

晶圓的製作可以想象成部隊的練兵,將沙子中的多晶矽通過一系列殘酷嚴格的訓練,最終得到高純度99.9999%的單晶矽。具體的技術方法如下:

在得到高純度的單晶矽後,晶圓廠會使用切割工具,將晶柱切成一片片的薄片,宛如薄薄的火腿片一樣,再經過拋光後,就變成了晶圓(Wafer),也就是晶片的基板。

8英寸(200mm)和12英寸(300mm)所對應的就是高純度單晶矽切成薄片後的晶圓直徑。而從面積大小上看,12英寸相比8英寸可以使用的面積更大,使用效率幾乎提升了2.5倍左右。但生產更大尺寸的晶圓,製造的難度與晶圓的大小也是誠正向相關的。

2)光罩製作 (光蝕刻與微影成像):

在完成了晶圓製造之後,還需要進行下一輪的關鍵製造。在藍色晶圓部分上面搭建電路結構,這就像在地基上面搭建房屋一樣,通過金屬濺鍍、塗布光阻、蝕刻技術和光阻去除等一層層的搭建起來。

種種的技術疊加在一起,理解起來有點困難。其實之前有看過一種通俗的解釋比較好,就相當於你拿著噴漆,覆蓋不同形狀的硬紙板在晶圓上,一層一層將噴塗在晶圓上,搭建一層又一層的電路。然後在噴塗的過程中,通過各種方法,消除多餘的漆,最後留下需要的部分,最終切割形成晶片。

3

龍頭佔據市場主導

晶圓代工的銷量每年仍然呈現一個穩步上升的態勢,2018年全球晶圓代工行業市場規模710億美金,其中純晶圓代工產值576億美金,IDM晶圓代工產值134億美金,其中純晶圓代工佔比已經全球晶圓銷量的80%,純晶圓代工仍然為市場主流的晶圓製造方式。

就像晶片製程的發展一樣,隨著晶片向著更小的7nm進階,建設每條晶圓長線將耗費十億至百億美金的投入 ,晶圓代工的現代製程已經進入到了一個資本和技術雙重密集型的時代,純晶圓代工未來仍然是主流的發展方向。

2018年大陸半導體市場為1,550億美元,而產出為238億美元, IC自給率為15.3%,高於2013年前的12.6%。可以說的是中國的IC整體自供率而且,預測到了2023年之時,這一比率將提升至20.5%。相比於中國作為半導體最大的市場來說,IC整體的自供率還是處於較低的水平。

中國晶圓代工市場增速一枝獨秀,正在加速進行追趕。2018年中國純晶圓代工需求增長41%,中國在純晶圓代工的市場份額也從17年的14%增長到了19%,可以看出中國半導體晶圓市場的增長速度超過了世界上任何其他地區,並且政府也在繼續高速推進IC設計發展計劃,以支援國內半導體產業。

中國大陸成為全球晶圓建廠熱地。

中國半導體產業總產值佔全球的比例只有20%(包括外資在華產業貢獻),本土企業佔比僅11%,而中國的消費需求佔全球的比重是44%。因此,在國產化替代進口機遇下,中國大陸迎來建廠高潮。

2017年到2020年的四年間,全球預計新建62條晶圓加工產線,其中中國大陸將新建26座新晶圓廠,成為全球新建晶圓廠最積極的地區,整個投資計劃佔全球新建晶圓廠的42%,成為全球新建投資最大的地區。

國內晶圓廠規劃建設資料一覽:

如果我們從晶圓代工廠總部所在地區來看的話,其實大陸市場還有這較長的路需要穩步前行。目前臺灣地區仍然是全球晶圓代工的主要地區,臺積電佔據了全球59%的市場份額,與臺積電的相比,中國大陸的廠商還存在著不小的差距,但未來的發展值得期待。

4

中芯國際:中國大陸的後起之秀

目前晶片的製程越來越小,投資額越來越高。一條14nm先進製程的半導體代工廠投資額高達120-150億美元。未來5奈米技術水平預計只有三星、臺積電、英特爾有能力實現量產,這三家企業可以承擔如此巨大的資本開支,其他企業已無力跟進,先進製造產能將快速集中。

14nm的先進製程已經成為關鍵的賽道。在14nm的產線可以說是一個集資金和技術密集型的關鍵賽道,下一個技術焦點是10nm、7nm。這也將成為大陸廠商的市場機會所在。

陣營份額分類:晶圓代工領域可劃分成兩大陣營,跨國企業集團以及大陸本土業者:臺積電、聯電以及其他跨國企業均在大陸擁有晶圓廠,而GF也正在四川成都興建12英寸晶圓廠程序中,至於中芯國際(SMIC)以及華虹半導體(HHGrace)等則是大陸本土的晶圓代工廠商。

從技術和製程等方面來看大陸晶圓代工廠商。中芯國際是世界領先的積體電路晶圓代工企業之一,已經成為晶圓代工第二梯隊的領頭羊企業,能夠提供0.35微米到28奈米不同技術節點的晶圓代工與技術服務,並且14nm已經開始進入到客戶的驗證階段。

中芯國際14奈米技術研發已經到達關鍵節點,良率達95%。截至2017年,中芯國際是FinFET相關技術專利的全球五大專利權受讓人之一,16/14奈米關鍵節點技術FinFET專利申請數量位列全球第五,對FinFET技術有充足的積累。各項先進製程也在不斷的追趕當中。

5

結語

獨立掌握半導體產業命運,不僅事關中國經濟的高質量發展,還事關產業安全,沒有本土自產的晶片,科技創新產業發展的命運就會被外方掐住,對國力的提升,人民收入水平的提高構成重大威脅。我們期待著中國大陸可比肩臺積電的龍頭早日成功,雖前路艱難曲折,但舉國之力,科創板的大力發展,必將加速我國半導體制造業的發展。

Reference:科技日報

看更多!請加入我們的粉絲團

轉載請附文章網址

不可錯過的話題