今年以来，美国政府加大了对本土半导体产业链尤其是芯片制造环节的打压，由于芯片制造是集成电路产业中最重要的一环，因此这样的打压让本土半导体产业链上下游业者人心惶惶，也让一些不明真相的吃瓜群众对本土半导体产业信心崩溃，每当风吹草动，一些制造领域公司的股票便会异动就是佐证，这样惶恐的根源在于我们本土半导体产业链尤其制造环节的短板还很多，这样的打压其实也在倒逼我们补齐产业链，但一些陈词滥调如“造不如买”，“合作开发”等论调还是有所抬头，关于这些论调的后果大家可以看看《中国半导体行业发展的最关键十年中，深圳如何异军突起？》一文，其中有专家的回顾和总结，这里不再赘述。笔者认为，作为全球第一大IC消费国，我们既要继续开放合作，不排斥国外领先技术 ，但也要构建自主、完整的产业链生态，今年以来，中国政府也在大力推动这样的产业链构建行为，从资金、政策上给与了大力支持，不过还是有一些人心存疑虑，他们说“连台积电都不能构建一条完全去A化的制造线，我们可以打造出来吗？”中国当然可以！因为我们强大的技术纵深，有广泛的产业支撑，并有海量的资金投入--- 我们看到现在没有不投半导体的基金，另外今年以来，大量企业也开始涌入半导体领域，数据显示截至2020年9月1日，今年全国已有9335家企业变更经营范围，加入半导体、集成电路相关业务，这一数字比去年同期增加了1.2倍！这样的投入必然加速中国半导体产业链补齐短板，那真实的中国半导体制造是什么情况？基于我自己的调研和分析，今天，我大胆预测：两年之内，中国一定可以实现28nm芯片自主制造！可能很多人不认同这个结论，我们可以从集成电路制造的细分环节去分析，这里声明，这个结论只代表个人观点，文中提到的所有数据和参数来源于网络公开报道或涉及公司的新闻报道。
让我们首先来看看芯片制造整个产业链条上的细分技术。一般来说从沙子到变成一颗完整IC需要四个重要的环节：分别是IC设计、硅片制造、IC制造和IC封测。IC设计这个不用细说，我们已经有一大批优秀的企业IC企业，其设计能力已经追上国外领先企业，如海思、紫光展锐、汇顶科技、兆易创新、卓胜微等等。硅片是芯片生产过程中必不可少的成本占比最高的材料。制造一个芯片，需要先将普通的硅原料制造成硅单晶圆片，然后再通过一系列工艺步骤将硅单晶圆片制造成芯片。虽然目前本土硅片制造企业与全球硅片行业前列公司如日本信越半导体、日本胜高科技、德国Silitronic、韩国LG等相比仍有较大差距，但是本土公司在奋起直追，产量也在迅速提升。
今年6月29日，上海硅产业集团股份有限公司总裁、上海新昇半导体科技有限公司总经理邱慈云在2020年中国（上海）自贸区临港新片区半导体产业发展高峰论坛上透露新昇大硅片累计出货量已超过160万片，器件用正片累计出货量超17万片，而且新昇在2017年就已经量产了300mm晶圆。
虽然本土晶圆的关键技术指标、成本上跟国外领先产品有差距，但差距在缩短，目前也从挡片和测试用发展到量产用，目前提供产品的有中环股份，晶盛机电，沪硅产业等企业，10月12日晚间，中环股份和晶盛机电公告称，双方与无锡市政府签署战略合作协议，共同在宜兴市建设集成电路用大硅片生产与制造项目。该项目总投资约30亿美元，一期投资约15亿美元。另外需要注意的是，排名全球前5的硅片制造商中没有一家是美国企业，因此业内人士认为硅片材料被卡脖子的几率比较小。
从上图看晶圆制造过程中有几大重要的步骤：掩膜版投入、氧化、沉积、光刻、刻蚀、离子注入/扩散等，这几个主要步骤都需要若干种半导体设备，满足不同的需要。这些环节涉及的技术工艺如下图所示：
虽然目前国内半导体设备仍较为依赖进口，但从产业布局来看国内厂商布局极为完善，几乎覆盖半导体生产制造过程中每个环节所需的所有主要设备掩膜、氧化、光刻、沉积、刻蚀、清洗、检测、封装等各个环节均有布局覆盖。在氧化设备上，目前是日本企业领先，国产设备中北方华创的氧化炉在 8 寸设备中可实现国产替代， 65/45nm 等工艺可实现部分国产替代，工艺已经达到了 28nm。
下面我们来详细介绍一下晶圆制造流程主要技术环节以及本土公司的技术现状：
制作芯片流程的第一步是光刻，也就是把电路图印到晶圆上，怎么印？首先需要准备掩膜版，也就是光罩。根据事先设计好的电路图做成光罩，光刻机的光源通过光罩之后，就把电路图印在晶圆上，而光罩就类似底片。
掩膜版的功能类似于传统照相机的“底片”，其工作原理如下：根据客户所需要的图形，掩膜版厂商通过光刻制版工艺，将微米级和纳米级的精细图案刻制于掩膜版基板上，掩膜版的原材料掩膜版基板是制作微细光掩膜图形的感光空白板，再将不需要的金属层和胶层洗去，即得到掩膜版产成品。全球掩膜主要供应厂商包括日本东曹，日本信越化学、日本尼康和菲利华等；我国长期依赖进口。2019年全球半导体光掩膜版市场规模为41亿美元，深圳清溢光电股份有限公司国内光罩龙头，公司1997年成立，2005年，清溢光电推出国内第一张Reticle掩膜版，这就是一款用于集成电路的光罩。根据IHS统计的2018年全球平板显示掩膜版企业销售金额排名，公司位列全球第六名，2019年11月20日，清溢光电登陆科创板，公司产品和技术在业内有知名度，受到下游客户的认可，整体市场地位较高。在IC制造中，要想完成光刻，必须有光刻胶--要事先在硅片上涂上光刻胶。那什么是光刻胶？光刻原理具体是怎样的？光刻胶又称光致抗蚀剂，是一种对光敏感的混合液体。其组成部分包括：光引发剂（包括光增感剂、光致产酸剂）、光刻胶树脂、单体、溶剂和其他助剂。光刻胶可以通过光化学反应，经曝光、显影等光刻工序将所需要的微细图形从光罩（掩模版）转移到待加工基片上。依据使用场景，这里的待加工基片可以是集成电路材料，显示面板材料或者印刷电路板。
光刻的原理是这样的：上图中步骤1中的绿色部分代表红色部分多晶硅材料被涂上了一层光刻胶。在步骤2的光刻曝光过程中，黑色的掩膜遮挡范围之外的光刻胶被都被光刻光源照射，发生了化学性质的改变，在步骤3中表现为变成了墨绿色。在步骤4里，经过显影之后，红色表征的多晶硅材料上方只有之前被光罩遮挡的地方留下了光刻胶材料。于是，光罩（掩模版）上的图形就被转移到了多晶硅材料上，完成了“光刻”的过程。在此后的步骤5到步骤7里，基于“光刻”过程在多晶硅材料上留下的光刻胶图形，“多晶硅层刻蚀”、“光刻胶清洗”和“N+离子注入”工艺共同完成了一个NMOS 三极管的构造。光刻胶是由成膜树脂、感光化合物和溶剂三种主要成分组成具有光化学敏感性的混合液体。全球前5大公司市场份额超过85%。而前4大光刻胶企业都是日本公司，分别是合成橡胶、信越化学、东京应化和住友化学。合成橡胶JSR是日本最大的合成橡胶生产公司，也是全球最大的光刻胶生产企业。
去年日本政府制裁韩国半导体就靠的是光刻胶，韩国IC制造能力本来很强大，但因为光刻胶不能自给所以立即跪了。这也说明在半导体材料上一定要实现自给。目前国内半导体光刻胶生产和研发企业仅有五家，分别为苏州瑞红（晶瑞股份子公司）、北京科华、南大光电、容大感光、上海新阳，2018年，苏州瑞红已经获得中芯国际和扬杰科技的光刻胶订单。最新消息显示上海新阳也在光刻胶领域实现了突破，据悉，目前由上海新阳自主研发的光刻胶已经成功运用在了上海微电子的光刻机上。在对硅片进行光刻和刻蚀的过程中，还需要不断的对晶圆进行清洗，这其中就需要用到湿电子化学品。湿电子化学品也叫超净高纯化学试剂，因为芯片在制造过程中如果遇到污染，很容易造成芯片内电路损坏，所以需要用湿电子化学品清洗。2018年，全球半导体化学品市场规模为19.3亿美元，中国市场规模大概为4.4亿美元。全球湿电子化学品也属于寡头垄断市场，主要企业包括德国巴斯夫、美国霍尼韦尔、日本关东化学、日本三菱化学和韩国东进等。国内高纯试剂供应商有上海新阳，江化微，晶瑞股份，巨化股份。提起光刻机，那真是中国40年的痛，我国在光刻机领域起步不落后，相信这张报纸的截图大家都看过，这是一张1977年的报纸谈国内光刻机的布局，文中对光刻机的重要性有正确的认知，这个时间比ASML成立要早了10年！可惜，我们错失了历史性机遇！
在上面的光刻胶工艺中介绍到了光刻机，通俗点说，光刻机就是给萝卜雕花的雕刻刀，只是原理比较复杂。目前，掌握全球领先光刻技术最领先的是荷兰的ASML。ASML 占据全球 80% 市场份额，前天，ASML发了季度财报--上个季度，ASML卖了40台光刻机，利润87亿，这个挣钱能力估计让全世界都眼红，没有办法啊，人家现在是这个领域的唯一，我相信以后我们国产光刻机也有在这个领域大展风采。目前我国在光刻机领域的相关企业有上海微电子，华卓精科，启尔机电，国科精密，张江高科东方中科，奥普光电，晶方科技，苏大维格等，其中，上海微电子已经量产90nm光刻机，需要强调的是90nm光刻机不用采用EUV光源，把DUV（深紫外线）经过多次曝光技术也可以实现7nm工艺，所以我们本土厂商通过两年时间升级到28nm光刻还是有希望的。2019 年 4 月，武汉光电国家研究中心甘棕松团队，采用二束激光，在自研的光刻胶上，突破光束衍射极限的限制，并使用远场光学的办法，光刻出最小 9nm 线宽的线段。最终该光刻机样机，一举实现材料、软件和零部件的三大国产化，不过这还是研究级的产品吧。图9 | 武汉光电国家研究中心研制的“9nm 光刻机” 来源：网络2020年初，中科院也对外宣称已经攻克了2nm 工艺的难题，相关研究成果已经发布到国际微电子器件领域的期刊当中。狭义理解蚀刻就是光刻腐蚀，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。随着微制造工艺的发展；广义上来讲，刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称，成为微加工制造的一种普适叫法。刻蚀机和光刻机的区别：光刻机把图案印上去，然后刻蚀机根据印上去的图案刻蚀掉有图案（或者没有图案）的部分，留下剩余的部分。刻蚀相对光刻要容易。如果把在硅晶体上的施工比成木匠活的话，光刻机的作用相当于木匠在木料上用墨斗划线，刻蚀机的作用相当于木匠在木料上用锯子、凿子、斧子、刨子等施工。在蚀刻领域，我国有中微、北方华创等企业，其中中微已经突破5nm节点，这个领域已经完全自主可控。光刻之后，下一个流程是离子注入，离子注入是对半导体材料掺杂的一种办法，其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。
离子注入完成后，晶圆表面的光刻胶必须被清除掉。而注入区域(绿色部分)也已掺杂，注入了不同的原子。注意这时候的绿色和之前已经有所不同。
目前我国离子注入机设备企业有中科信，万业企业等。万业企业在8月27日晚发布的半年报中表示，报告期内，持有100%权益的子公司凯世通持续加大集成电路低能大束流离子注入机产品的开发投入，该设备关键部件离子注入平台在上半年得到客户验收。
离子注入需要电子气体，又叫电子特气。2018年，电子气体的规模为45.1亿美元，国内市场规模约46亿元，电子气体规模是仅次于硅片的半导体材料，用在芯片上的电子气体首先的特点是高纯，大部分电子气体的纯度达99.99%以上。而且大部分电子气体具有高压、易燃、高腐蚀和剧毒的特点。电子气体也是一个高度垄断的市场，主要公司包括美国空气化工、普莱克斯、德国林德集团、法国液化空气和日本大阳日酸株式会社，这几家公司占了90%以上的市场份额。目前我国可提供特种气体的公司有金宏气体、华特气体、雅克科技、南大光电、昊华科技、和远气体、巨化股份、凯美特气等。在这个李领域，华特气体是领先者，2017年，华特气体公司的Ar/F/Ne、Kr/Ne、Ar/Ne和Kr/F/Ne等4种混合气体通过了ASML公司的产品认证，也是我国唯一通过阿斯麦公司认证的气体公司。华特气体的客户包括中芯国际、长江存储、台积电和士兰微等公司，国际上还有英特尔、德州仪器和SK海力士等大公司，这些都是国际芯片界的顶级玩家，所以在这个领域本土公司并不落后。当把电路图刻到了晶圆上，做了各种清洗，注入了离子，有了开关特性后还需要把芯片上的电子元件连接起来才行，类似把所有的元件都摆放好了然后用导线把他们相互连接起来，这就需要用到溅射。溅射主要是制备薄膜材料，是物理气相沉积（PVD）技术的一种。溅射原理是利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向被溅射的物质制成的靶电极（阴极），然后靶材上的原子被轰出来，最后掉在单晶硅的基板上，然后形成特定功能的金属层，从而形成导电层或者阻挡层等，这就是金属化。当在芯片表面形成金属层后，再用光刻或者刻蚀，将不要的部分去掉，于是芯片表面就留下了金属细线，这就能让芯片上各种元器件连接起来了。PVD设备被美国厂商主导 ，PVD 仅应用材料一家就占据了 74%的份额，其他沉积设备前三大厂商应用材料、Lam 和 Aixtron 占据 67%的份额。国内设备厂商中占有一定份额的是北方华创（PVD 占比 1.4%）。
国内集成电路沉积设备主要厂商为北方华创、沈阳拓荆、中天科技、苏美达、北玻股份和碧水源等，其中北方华创和沈阳拓荆近年来分别在技术储备以及客户认证方面取得良好进展。北方华创官网与年报显示，公司 PVD设备应用跨越 90 纳米至 14 纳米的多个技术代，12 寸 PVD、ALD 以及 LPCVD 设备进入集成电路主流代工厂。沈阳拓荆官网显示其 PECVD、ALD 上具有一定进展，其中 12 英寸 PECVD 设备，可用于 40-28 纳米集成电路的生产，并具有 14-5 纳米技术的延伸性。根据中国招标网，2018 年中标长江存储 PVD 订单一共 2 台，均来自北方华创，2019 年 12 台 PVD 中也有 1 台来自北方华创。同时 2019 年 17 台 PECVD 中有 4 台来自沈阳拓荆。
图12| CVD在半导体制造中的环节 来源：前瞻经济学人APP在制造过程中，除了PVD也需要CVD，PVD和CVD都是沉积膜质的：PVD是指物理气相淀积，不涉及化学反应，一般用于金属（如Ti，AL，Au）或者金属氧化物（如铟锡氧化物，氧化锌）。CVD指化学气相淀积，多用于电介质沉积（如SiO₂，Si3N4），主要用于沉积氧化硅、氮化硅、多晶硅膜层，根据用途不同，还可以细分为PECVD、LPCVD、ICPCVD等。CVD(化学气相沉积)是指化学气体或蒸汽在基质表面反应合成涂层或纳米材料的方法，是工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。其一般应用于集成电路制造、粉末合成、金属精致等。
全球CVD设备市场的主要企业有应用材料、泛林半导体和TEL这三家，据Gartner披露，这三家企业合计占据了全球近70%的市场份额。其中，应用材料所占市场份额为30%;泛林半导体和TEL各自占据21%和19%。目前全球主流的CVD设备仍为PECVD、APCVD和LPCVD，据Gartner数据披露，这三类CVD设备合计市场份额约占总市场份额的70%;其中PECVD的市场份额约为35%。我国CVD设备的国产化率近年来虽然在不断增长，但整体来看仍然较低。从长江储存2017年至2020年2月CVD设备累计招标采购份额来看，仅有3%的CVD设备来自于我国国产企业(沈阳荆拓)，由此可见，我国CVD设备竞争力与海外知名企业相比仍具有一定的差距。目前我国CVD设备的主要生产企业包括北方华创和沈阳荆拓，这两家企业近年来发展势头较好，CVD设备相关技术也正在加紧研发中，未来或将成为我国CVD设备国产化率大幅提升的主要动力源。
在溅射中需要用到高纯溅射靶材、高纯溅射靶材主要是指纯度为99.9%到99.9999%的金属或非金属靶材。高纯溅射靶材包括铝靶、钛靶、钽靶和钨钛靶等。其中，8寸晶圆生产中主要用到铝靶和钛靶，12寸晶圆主要用到钽靶和铜靶。
2018年，全球半导体用靶材市场规模约为14亿美元，其中晶圆制造用靶材场规模为8.4亿美元，封装测试用靶材市场规模为5.3亿美元。
溅射靶材同样属于寡头垄断市场，主要企业包括日本日矿金属、美国霍尼韦尔、日本东曹、美国普莱克斯和日本住友化学等。国内生产溅射靶材的公司主要包括江丰电子、有研新材、阿石创、四丰电子和晶联光电。江丰电子在芯片靶材市场是唯一能与日本和美国竞争的中国企业。
图13| 江丰电子目标是要成为全球最优秀的半导体材料企业江丰电子官网称公司研发生产的超高纯金属溅射靶材填补了中国在这一领域的空白，结束了产品依赖进口的历史，满足了国内企业不断扩大的市场需求，成功获得了国际一流芯片制造厂商的认证，并在全球先端7nm FinFET (FF+)技术超大规模集成电路制造领域批量应用，成为电子材料领域成功参与国际市场竞争的中国力量。
目前江丰电子已经成为中芯国际、台积电、格罗方德、意法半导体、东芝、海力士、京东方、SunPower等国内外知名厂商的高纯溅射靶材供应商。在上述步骤完成后，还需要抛光、清洗等步骤，这里需要用到CMP（化学机械研磨）设备，通过使用化学腐蚀及机械力对加工过程的单晶硅片和金属布线层进行平坦化。它不但能够对硅片表面进行局部处理，同时也可以对整个硅片表面进行平坦化处理，是目前唯一能兼顾表面的全局和局部平坦化的技术。CMP设备为CMP技术应用的载体，为集机械学、流体力学、材料化学、精细化工、控制软件等多领城最先进技术于一体的设备，一般由检测系统、控制系统、抛光垫、废物处理系统等组成，是集成电路制造设备中较为复杂和研制难度较大的设备之一，所用材料是抛光液、抛光垫等，这也是需要补齐的短板。全球CMP设备市场的龙头企业主要为应用材料和荏原机械，两家龙头企业近乎垄断了全球CMP设备的市场，其中应用材料占据了全球CMP设备市场近70%的市场份额，荏原机械则占据了近25%。近年来，我国CMP设备制造技术不断发展，也出现了一批优秀的CMP设备制造企业，但从2019年华力微电子CMP设备累计招标采购情况来看，CMP设备成功中标的国产企业仅有华海清科和天隽机电，两者合计所占份额不足20%，可见我国CMP设备国产化率仍需提高。在抛光材料方面，抛光液28nm及以上产品市场主要被日本的Fujimi、HimonotoKenmazai公司，美国的Cabot、杜邦、Rodel、Eka，韩国的ACE等公司所垄断，占据全球高端市场份额90%以上，其中Cabot多年占据市场份额首位。根据SEMI数据，国内CMP抛光液龙头安集科技占领22%，其余为中小厂商。抛光垫也主要被Dow、Cabot、Thomas West等外资厂商垄断，前五大厂商占据全球市场约90%，其中Dow占领79%的全球份额。在国内，Dow垄断中国近90%的CMP抛光垫市场供给，是国产替代的主要对象。安集科技是我国化学机械抛光液唯一供应商。其产品包括不同系列的化学机械抛光液和光刻胶去除剂，主要应用于集成电路制造和先进封装领域。该公司化学机械抛光液已在130~14nm技术节点实现规模化销售，主要应用于国内8英寸和12英寸主流晶圆产线；10~7nm技术节点产品正在研发中。中芯国际、台积电均为安集科技的重要客户。鼎龙股份也是国内CMP材料领先企业，今年上半年在国内多个晶圆厂包括长江存储、武汉新芯、中芯国际、合肥长鑫等取得重大进展。该公司称，匹配集成电路28nm技术节点的抛光垫量产技术已经趋于成熟，抛光垫的技术研发已全面进入14nm阶段，先进制程的技术工艺已上实现了重大突破，已开始向更高技术等级的产品发展。在清洗方面，盛美半导体是国内清洗设备龙头，主要客户为长江存储、华虹半导体、中芯国际、SK Hynix等，盛美半导体立足自主创新，通过多年的技术研发和工艺积累，成功研发出全球首创的SAPS/TEBO兆声波清洗技术和单片槽式组合清洗技术，可应用于45nm及以下技术工艺的晶圆清洗领域。从以上分析可以看出美国半导体设备公司的主要优势在于物理气相沉积设备 PVD、检测设备、离子注入机和化学机械抛光设备 CMP 等半导体制造中的核心设备。化学气相沉积 CVD、刻蚀设备等也具有较强的优势， 而光刻胶、光刻机、氧化、退火、去胶等其他设备，日本和荷兰公司有较大优势，或并不弱于美国公司。在刻蚀、氧化炉管、清洗等少部分设备领域，中国公司虽有所突破，但与国外公司相比，仍然差距较大。比较乐观的是目前我国在半导体制造链上各个细分环节上都有完整覆盖，虽然有差距，但是有的厂商的技术已经超越了28nm节点，达到国际先进水准，因此，我预测两年内，本土集成电路产业可以实现28nm节点自主可控，到时，我们完全有能力建造由本土技术设备组成的制造产线！
这里我也抛出一个话题：大家怎么看本土半导体产业链发展？我们是否可以打造出独立完整的产业链？欢迎讨论！（部分信息来自知乎、文中半导体厂商官网、前瞻经济学人APP、互联网）本信号由半导体领域资深媒体人张国斌亲自运营，粉丝多为半导体领域高管，本号关注全球半导体最新科技趋势信息和新兴技术应用，解读半导体产业最新动态，关注一下，让老张带你去一起无限精彩的半导体世界！欢迎加我个人微信号号richard6761！