>杏彩登录注册网页版·

　　上却处处被卡，芯片制造究竟难在哪里？ 时至今日，芯片已形成一套非常成熟专精的制造流程[1]，它并非简单地一步到位，而是分为存在一定时间间隔和空间次序的多个阶段[2]。大体来说，芯片制造分为晶圆加工制造、前道工艺（芯片加工）及后道工艺（）三大环节，我国主要集中切入晶圆加工制造、后道封装测试两个环节，前道工艺大部分高端设备和材料基本均处于空白状态，所以高端芯片往往需要进口。

　　若想获得一颗芯片，要先将石英砂做成薄薄的晶圆片（或者说衬底），再进行后续加工，最后切割为芯片。

　　因此，晶圆加工制造是半导体产业最上游、最基础的行业，又分为硅的初步纯化、单晶硅的制造以及晶圆制造三个子产业。

　　晶圆与威化饼干的英文都是wafer，这并非巧合， 打个比方来说，生产晶圆就像生产薄脆饼干，将面粉过筛，再与调料和水混合，经过搅拌成面团后，辊印成型成饼胚，再切割而成。晶圆制造也是同理，只不过，晶圆制造对原材料和工艺的要求极为严苛和复杂。

　　由于硅在地壳中占比达到25.8%，储量丰富且易于获取，因此硅基半导体是产量最大、应用最广的半导体材料。但并非所有硅都能做芯片，芯片制程工艺的尺度已达到纳米级，任何细微的杂质都会影响芯片正常工作，因此芯片制造中使用的硅是纯度达到99.9999999%~99.999999999%（9~11个9）的高纯多晶硅。

　　根据工艺，晶圆可粗略地分为抛光片、外延片、SOI片三大类。无论做成什么样的晶圆，其原点都是抛光片，因为类型晶圆均是在抛光片基础上二次加工的产物，比如在抛光片基础上进行退火处理就变为退火片，可拥有非常繁杂的分支。

　　相对于其他工艺过程，每片晶圆的每道工艺只需1美元，外延生长每片晶圆大约需要20～100美元，所以外延工艺是集成电路制造中最昂贵的工艺过程之一[7]，外延片主要为在抛光片的基础上进行外延生长；

　　根据直径，晶圆又分为2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（100mm）、5英寸（125mm）、6英寸（150mm）、8英寸（200mm）与 12英寸（300mm）等规格。

　　晶圆尺寸越大，每片晶圆可制造芯片数量就越多，单位芯片成本就越低。就像一张饼，饼越大，就能切出来越多同样大小的小块。

　　此外，在晶圆上切割芯片，一些边缘区域无法利用，想象一下，在圆上切方，边缘不可能切出完整的方形。无论用哪种晶圆生产，芯片尺寸规格都已固定，因此晶圆尺寸越大，晶圆边缘损失也会越小，大尺寸晶圆可进一步降低芯片成本。

　　那么，既然圆形的晶圆边缘有这么多区域无法利用，为什么不做成“晶方”？其实科学家并不是没有想过这个问题，而是受制于技术限制，成为历史遗留问题。

　　首先，单晶生长的硅棒是圆柱形，切割为薄片后即为圆形；其次，圆柱形的单晶硅锭更便于运输，以免因磕碰导致材料损耗；另外，圆形物体便于后续步骤的操作；最后，即便制作成晶方，一些边缘仍然不可利用，计算表明，圆形边缘比方形浪费更少。[8]

　　以8英寸与12英寸硅抛光片为例，在同样工艺条件下，12英寸晶圆可使用面积超过8英寸晶圆两倍以上，可使用率（衡量单位晶圆可生产芯片数量的指标）是8英寸硅片的2.5倍左右。[6]

　　当然，晶圆尺寸越大，就越难造，对生产技术、设备、材料、工艺要求就越多。具体来说，关键技术指标包括局部平整度、边缘局部平整度、纳米形貌、氧含量、高度径向二阶导数等，而先进制程对晶圆翘曲度、弯曲度、电阻率、表面金属残余量等参数指标有更高要求。

　　不只有硅能做成晶圆，目前，半导体材料已经发展到。第一代半导体材料以Si（硅）、Ge（锗）为代表，第二代半导体材料以GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）为代表，第三代半导体材料以GaN（氮化镓）、SiC（碳化硅）为代表，半导体材料以氮化铝（AlN）、氧化镓（Ga2O3）、金刚石（C）为代表。

　　纵观全球硅片市场，主要由国际厂商占据，市场集中度高，2021年全球硅片市场CR5为94%，排名前五厂商分别为日本信越化学（Shin-Etsu）、 日本胜高（SUMCO）、中国环球晶圆（Global Wafers）、德国世创（Siltronic）、 韩国鲜京矽特隆（SK Siltron）。[9]

　　反观国内方面，技术薄弱、业务规模小、集中度较低，产品多以8英寸及以下为主，国内半导体硅片企业主要包括沪硅产业、中环股份、立昂微、中晶科技、有研硅、麦斯克等，单一厂商市场占有率均不超过10%，且以8英寸及以下尺寸硅片为主。12英寸晶圆是近两年中国产业重点：比如，粤芯半导体是专注于模拟芯片领域和进入全面量产的12英寸芯片制造企业，计划总投资370亿元[10]；再如，增芯科技月加工2万片12英寸晶圆量产线]

　　从数据上来看，国产硅片市场规模2019年~2021年连续超过10亿美元，2021年达16.56亿美元，同比增长24.04%，预计2022年可达19.22亿美元。[12]

　　从全球第二代半导体（GaAs、InP）衬底和第三代半导体（GaN、SiC）衬底情况来看，国内已拥有大量相关企业，但整体产能规模与国际存在差距。

　　“这里好像我想象中的天堂……只不过有更多的机器人。”这是一位专家对于半导体制造工厂的评价。[14]

　　首先，有设备才能谈制造，在晶圆厂资本开支中，晶圆加工设备的资本开支也最大，占比为70%~80%。[15]

　　芯片生产过程中，有成千上万台工艺设备在同时运行，可以说，造设备难，让这些设备有秩序地生产起来更难。

　　芯片前期工艺包括光刻、干蚀刻、湿蚀刻、化学气相沉积、物理气相沉积、等离子冲洗、湿洗、热处理、电镀处理、化学表面处理和机械表面处理等，其中多个工艺会重复使用，非常复杂。

　　每个前期工艺都对应着相应设备，包括***、涂胶显影机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入设备、热处理设备（氧化退火设备）、化学机械平摊（CMP）设备、清洗设备、过程检测设备等。

　　前期加工中，设备主要围绕制程工艺选型，也就是时常被提起的28nm、14nm、10nm、7nm、4nm、3nm……制程越小，制造越困难，对设备要求也越高。目前，28nm是行业分水岭，比28nm更先进的是先进制程，反之则是成熟制程。

　　在国际设备和系统路线图（IRDS）中，全面地反应了各制程节点所需系统级新技术，也就是说，未来几年内最先进制程需要用到什么设备也已被决定，而IRDS也会伴随制程升级而不断更新版本。

　　从价值分量上来看，光刻、刻蚀和薄膜沉积是前期加工中最主要三个环节，2021年***、刻蚀机和薄膜沉积设备（含CVD、ALD、PVD）投资占比分别为20%、25%和22%，合计占比超设备总支出的60%。[17]

　　以下，果壳硬科技将对***、涂胶显影机、刻蚀机、薄膜沉积设备、热处理设备（氧化退火设备）、离子注入设备、化学机械平摊（CMP）设备、清洗设备、过程检测设备几类价值分量最高的九种设备进行详细剖析。

　　***是芯片制造中最庞大、最精密复杂、难度最大、价格最昂贵的设备，光刻成本占芯片总制造成本的三分之一，耗费时间约占整个硅片生产时间的40%~60%，而它也决定了芯片上晶体管能做多小。[19]

　　光刻设备是一种投影曝光系统，由紫外光源、光学镜片、对准系统等部件组装而成[20]，其原理是将光掩模版（Mask）上设计好的集成电路图形（宏观）通过光线曝光印制到硅衬底光感材料（微观）上，实现图形转移。其中，光掩模相当于是相机底片，它要比芯片大上许多，也是通过光刻而来，不过通常采用无掩模直写光刻制造。

　　光刻的思想来源自于印刷技术，不同的是，印刷通过墨水在纸上的光反射率变化记录信息，光刻则采用光与光敏物质的光化学反应实现对比度变化[21]。打个比方来说，***就是一种巨型单反相机，能够将光掩模版上图形缩小几百万。