半导体制造发展如火如荼，国产化进程任重而道远

2022年技术研讨会上，台积电正式公布了其 N2（2纳米级）制造技术，该技术计划于2025年某个时间投入生产，并将成为台积电第一个使用其基于纳米片的栅极全方位场效应的节点晶体管（GAAFET），新节点将使芯片设计人员能够显著降低其产品的功耗。

2022年6月，华海清科作为国内领先的半导体CMP设备生产厂商成功登陆科创板。华海清科公司产品已进入部分国际主流集成电路制造商在国内的大生产线，可实现28nm及以上成熟制程的产业化应用，高端工艺技术水平14nm制程仍处于客户验证阶段。

目前，全球及中国半导体制造领域发展如火如荼。

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全球及中国半导体行业市场现状

伴随着大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代信息产业技术快速发展，全球市场对半导体材需求快速上升。同时由于2021年得克萨斯州大风雪以及中国台湾的停电以及COVID-19对全球物流行业的影响，全球陷入了芯片短缺的困境。各大晶圆厂、封装厂纷纷对产能进行了扩张，预计全球半导体产业增长迅速。

2017至2021年全球半导体销售额从4,124亿美元增长至5,559亿美元，尤其是2020年至2021年从4,390亿美元增长至5,559亿美元，涨幅高达26.6%。半导体材料市场从2017年的469亿美元增长至643亿美元，全球半导体行业市场增长迅速。

来源：SEMI、弗若斯特沙利文

在国家政策及技术发展的推动下，目前中国半导体市场也在快速上升。2017至2021年中国半导体销售额从102亿美元增长至153亿美元，中国半导体材料市场规模从76亿美元增长至119亿美元。

来源：SEMI、弗若斯特沙利文

从占比来看，2020至2021中国半导体销售额占比2.5%上升至2.8%，半导体材料市场规模从16.2%上升至18.6%。2021年中国大陆半导体市场规模已超过韩国位列世界第二，中国半导体市场发展良好。

来源：SEMI、弗若斯特沙利文

半导体制造流程

半导体领域的制造流程包含晶圆加工、氧化、光刻、刻蚀、封装、薄膜沉积、互连、测试以及封装。每个流程对半导体的生产都起到至关重要的影响，同时其中所需要用到的设备与材料也是半导体行业的核心重点。

来源：中国知网、弗若斯特沙利文

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  晶圆加工

   

晶圆是将硅(Si)或砷化镓(GaAs)制成的单晶柱体切割形成的圆薄片。要提取高纯度的硅材料需要用到硅砂，一种二氧化硅含量高达95%的特殊材料，也是制作晶圆的主要原材料。晶圆加工就是制作获取上述晶圆的过程。晶圆加工的步骤主要分为铸锭、锭切割和晶圆表面抛光三个部分。

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  氧化

   

氧化过程的作用是在晶圆表面形成保护膜。它可以保护晶圆不受化学杂质影响、避免漏电流进入电路、预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时滑脱。

氧化过程的第一步是去除杂质和污染物，需要通过四步去除有机物、金属等杂质及蒸发残留的水分。清洁完成后就可以将晶圆置于高温环境下，通过氧气或蒸气在晶圆表面的流动形成二氧化硅（即“氧化物”）层。氧气扩散通过氧化层与硅反应形成不同厚度的氧化层，可以在氧化完成后测量它的厚度。

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  光刻

   

光刻是通过光线将电路图案“印刷”到晶圆上。电路图案的精细度越高，成品芯片的集成度就越高，必须通过先进的光刻技术才能实现。具体来说，光刻可分为涂覆光刻胶、曝光和显影三个步骤。

来源：中国知网、头豹研究院

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  刻蚀

   

在晶圆上完成电路图的光刻后，就需要使用刻蚀工艺来去除任余的氧化膜，留下半导体电路图。刻蚀的方法主要分为两种，取决于所使用的物质：使用特定的化学溶液进行化学反应来去除氧化膜的湿法刻蚀，以及使用气体或等离子体的干法刻蚀。

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  薄膜沉积

   

芯片是由一系列有源和无源电路元件堆叠而成的3D结构，薄膜沉积是芯片前道制造的核心工艺之一。其主要目的是在硅片衬底上沉积一层功能薄膜，半导体领域薄膜沉积的主要方法有化学气相沉积、原子层沉积和物理气相沉积。

来源：中国知网、弗若斯特沙利文

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  互联

   

半导体的导电性处于导体与绝缘体之间，这种特性使我们能完全掌控电流。通过基于晶圆的光刻、刻蚀和沉积工艺可以构建出晶体管等元件，但还需要将它们连接起来才能实现电力与信号的发送与接收，这是构建电子元器件非常重要的步骤。目前行业内主要的互联工艺有铜互联与铝互联。

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  测试

   

测试的主要目标是检验半导体芯片的质量是否达到一定标准，从而消除不良产品、并提高芯片的可靠性。另外，经测试有缺陷的产品不会进入封装步骤，有助于节省成本和时间。同时半导体测试有利于企业发现生产中出现的问题，进一步提升自身的生产制造水平。

常见的晶体缺陷有三种：

来源：中国知网、弗若斯特沙利文

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  封装

   

半导体封装是半导体芯片制造的后道工序，是实现芯片功能、保障器件系统正常运行的关键环节之一。经过之前几个工艺处理的晶圆上会形成大小相等的方形芯片，接着封装企业将通过切割获得单独的芯片。刚切割下来的芯片很脆弱且不能交换电信号，需要单独进行处理。这一处理过程就是封装，包括在半导体芯片外部形成保护壳和让它们能够与外部交换电信号。整个封装制程分为五步，即晶圆锯切、单个晶片附着、互连、成型和封装测试。

由于电子设备体积不断缩小但性能在不断增强，与此同时摩尔定律自从7nm工艺节点以后发展速度放缓，目前传统封装技术开始难以满足部分需求，故封装行业价值受到更多的重视。目前半导体封装技术正在向着小型化、集成化、低功耗方向发展，附加值更高的先进封装将得到越来越多的应用。

国产化进程

半导体设备行业的显著特征是海外巨头在众多领域均对市场形成高度垄断态势。

由于发展起步较早，技术较为先进的设备企业逐渐成长为相应领域的国际巨头，如ASML、应用材料、东京电子、泛林半导体等。目前虽然整体上我国设备技术水平仍与国际领导者地位有一定程度的差距，但在多个子领域均已涌现出较为突出的代表性厂商。

薄膜沉积设备、刻蚀设备以及光刻设备是半导体制造的三大核心设备。

在薄膜沉积设备中，目前中国薄膜沉积设备领域国产化率低，主要还是依赖进口，未来替代空间巨大，目前国内的领先企业有北方华创、拓荆科技、中微公司。

在刻蚀设备领域，全球刻蚀设备市场行业集中度很高，国内厂商处于追赶阶段，全球市场占有率较低，目前国内刻蚀设备企业有中微公司、北方华创、屹唐半导体。

光刻机相对来说是半导体设备中最具技术尖端性的产品领域，也是晶圆生产工艺中尤为关键的制造设备，目前全球市场主要被ASML、佳能、尼康三家企业占据。目前我国在光刻机领域取得重要进展的代表性企业主要是上海微电子。

此外在半导体清洁设备方面国内有盛美上海、芯源微、北方华创等企业。在去胶机方面，目前国产厂商在全球市场中已具有较强的市场竞争力，屹唐半导体、泰仕半导体、北方华创均在国际市场上占据了一定的份额。CMP（化学机械抛光）方面，目前国内厂商已具备一定替代能力，华海清科、中电科45所等企业的产品已经导入到了实际生产中。

在半导体材料方面，目前主要的半导体制造材料包含硅片、电子气体、光刻胶、CMP（化学机械抛光）材料等。

在硅片方面，目前国际巨头在硅片市场占据绝对领先的市场份额，但国内企业正在通过不断扩产来抢占市场。国内硅片生产企业代表有沪硅产业、中环股份、神工股份等。

电子气体方面，目前国内的主要企业有雅克科技、金宏气体、南大光电、华特气体等，能批量生产的特种气体仍主要集中在集成电路的清洗、蚀刻、光刻等工艺环节，对掺杂、沉积等工艺的气体仅有少部分品种取得突破。

光刻胶是光刻环节的核心耗材，决定工艺图形的精密程度和良率。从技术角度来看，半导体光刻胶壁垒较高，然而高壁垒铸就垄断格局，半导体光刻胶是国产率最低的材料之一，市场主要被日美厂商所占据。中国半导体光刻胶领域仍处于起步阶段，与国外公司技术差距巨大。目前国内的光刻胶厂商包含华懋科技、彤程新材、晶瑞电材等。

CMP（化学机械抛光）是通过抛光材料化学腐蚀及机械腐蚀协同实现晶圆全局平坦化的过程，其核心耗材聚焦抛光液和抛光垫。从市场份额来看，由于CMP（化学机械抛光）材料较高的工艺壁垒及认证难度，行业格局较为集中，主要被美国及日本厂商垄断。

其余材料，如在抛光液方面，安集科技的产品技术已经接近国际最高水平；抛光垫方面，鼎龙股份已通过28nm产品全制程（ILD/SIT/W/Cu/GKMG）的验证并获得订单。

在中美关系紧张、全球缺芯等大背景下，中国半导体设备及材料国产化替代的需求迫切。目前相较于欧美国家，中国在半导体制造的发展上处于落后位置，大部分的材料、设备都需要依靠进口，半导体制造国产化仍然任重而道远。

但伴随着这几年的快速发展，国内也涌现出来了如上海微电子、北方华创、屹唐半导体等公司，中国半导体制造行业国产化设备及材料的占比越来越高。在国家的大力推动及企业的不断努力下，目前中国与欧美国家在半导体制造领域的差距正在逐渐缩小，中国半导体制造的自主权正在逐步提升。