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    電子論文

    我國集成電路制造業的現狀、挑戰與新起點

    時間:2021年02月07日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

    隨著應用領域的分化,中國大陸在集成電路制造領域技術水平不斷取得突破,在先進與特色工藝的技術研發和產業化等方面取得了顯著進展。 中國大陸集成電路制造技術與國際領先技術的差距越來越小,為推動集成電路產業實現跨越發展奠定了牢固的基礎。 一、我國集

      隨著應用領域的分化,中國大陸在集成電路制造領域技術水平不斷取得突破,在先進與特色工藝的技術研發和產業化等方面取得了顯著進展‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 中國大陸集成電路制造技術與國際領先技術的差距越來越小,為推動集成電路產業實現跨越發展奠定了牢固的基礎‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

      一、我國集成電路制造業發展現狀

      集成電路工業在系統需求增長的推動下,如摩爾定律所描述,密度和性能方面持續地和系統地不斷增長‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 持續降低的功能單位成本,通過計算機、通信以及其他工業與消費電子的普及,極大地提高了經濟生產力和人們的總體生活質量。 這一切很大程度上要求集成電路制造工藝不斷發展。

      電路論文范例:適用單片集成電路封測線的生產計劃管理系統

      集成電路制造工藝發展的直接動力來自于單位晶體管制造成本的不斷降低和晶體管性能的不斷提升的要求。 在工業界主要通過三種方法進行實現。

      第一,增大晶圓的尺寸是降低制造成本最直接的方法。 晶圓尺寸的增加意味著同樣的工藝步驟能生產出更多的芯片,從而降低晶體管的成本。 晶圓尺寸從過去的25mm增加到300mm,目前450mm的硅片正在研發當中。

      第二,是降低晶體管的幾何尺寸。 集成電路的幾何尺寸在過去的幾十年中降低幅度達到500倍以上。 這是降低晶體管制造成本和提高晶體管性能的最有效方法。 幾何尺寸的降低,直接地增加了單位面積上器件數目,從而降低芯片成本,同時提高了晶體管的電學性能,如能耗、速度等。

      第三,是“超摩爾定律”。 “超摩爾定律”的做法通常會讓非數字功能(如射頻通信、電源控制、被動組件、傳感器等)從系統板級轉變到特定系統級封裝(SiP)或系統級芯片(SoC)的潛在解決方案。

      目前我國規模最大、技術最先進的晶圓代工廠中芯國際,可以為集成電路設計公司提供0.35微米至14納米多種技術節點、不同工藝平臺的集成電路晶圓代工及配套服務。 2019年中芯國際實現營業收入31.24億美元,全球份額位列第四。 在邏輯工藝領域,中芯國際是中國大陸第一家實現14納米FinFET量產的集成電路晶圓代工企業,代表中國大陸自主研發集成電路制造技術的最先進水平; 在特色工藝領域,中芯國際陸續推出中國大陸最先進的24納米NAND、40納米高性能圖像傳感器等特色工藝,與各領域的龍頭公司合作,實現在特殊存儲器、高性能圖像傳感器等細分市場的持續增長。

      2019年以來,我國8/12英寸生產線的數量和占比持續增加。 從生產線分布來看,國內集成電路生產線主要集中在以上海、江蘇、浙江、安徽為代表的長三角地區,以深圳、廣州為代表的珠三角地區,以北京、天津、大連為代表的京津冀環渤海地區,以武漢、成都、重慶、西安為代表的中西部地區。 經過二十余年的快速發展,2019年集成電路制造業銷售額已達到2110.4億元,增速達到16.07%。

      一大批重點龍頭企業快速成長并不斷升級。 我國300mm FAB 產線已投產超20條,宣布在建8條,建成后全國產能將超239萬片/月。 我國300mm FAB 產線總投資額超15000億元,官宣在建和規劃中的300mm硅片廠投資近7510億元。

      二、我國集成電路制造業面臨的機遇與挑戰

      1、行業面臨的機遇

      (1)技術水平逐漸提高。 近年來,中國集成電路市場的迅速發展推動了中國集成電路領域的產業進步與技術革新。

      (2)集成電路產能向中國大陸轉移。 集成電路產業鏈逐步從美國、日本、歐洲和中國臺灣向中國大陸和東南亞等地區轉移,有利于國內企業研發先進技術和積累管理經驗,促進本土企業的快速發展。 產業鏈轉移的全球大趨勢為中國大陸集成電路行業的發展提供了新的機遇。 中國大陸新增晶圓廠的逐步建設完成為大陸集成電路行業在降低成本、擴大產能、地域便利性等方面提供了新的支持,對于集成電路產業的發展起到了促進作用。 大陸市場的旺盛需求和投資熱潮帶動了集成電路產業專業人才的培養及配套產業的發展,集成電路產業環境的良性發展為中國大陸集成電路制造環節擴張和升級提供了機遇。

      (3)集成電路產線愈加昂貴加劇頭部企業集中趨勢。 在摩爾定律的推動下,元器件集成度的大幅提高要求集成電路線寬不斷縮小,導致生產技術與制造工序愈加復雜,制造成本呈指數級上升趨勢。 當技術節點向5納米甚至更小的方向升級時,普通光刻機受其波長的限制,其精度已無法滿足工藝要求。 因此,集成電路的制造需要采用昂貴的極紫外光刻機,或采用多重模板工藝,重復多次薄膜沉積和刻蝕工序以實現更小的線寬,使得薄膜沉積和刻蝕次數顯著增加,意味著集成電路制造企業需要投入更多且更先進的光刻機、刻蝕設備和薄膜沉積設備等,造成巨額的設備投入。

      (4)產業政策的有力支持。 集成電路產業是國民經濟和社會發展的戰略性、基礎性、先導性產業,是電子信息產業的核心。 近年來,國家相繼出臺產業政策,以市場化運作的方式推動集成電路產業的發展。 2020年8月國務院發布了《新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展的若干政策》,進一步明確了對集成電路產業尤其是制造業的支持。

      2、行業面臨的挑戰

      (1)與國際頂尖技術水平仍有一定差距。 中國大陸集成電路企業在頂尖技術積累方面與業界龍頭企業存在一定差距。 盡管政府和企業愈發重視對集成電路產業的研發投入,但由于技術發展水平、人才培養等方面的滯后性,以及企業資金實力不足等諸多原因,中國大陸集成電路產業的研發力量薄弱、自主創新能力不足的狀況依然存在。 就集成電路晶圓代工行業而言,在先進工藝線寬這一關鍵指標上,中國大陸企業在生產設備和技術人才等方面與業界龍頭企業還存在一定差距。 在集成電路行業面臨全球范圍內充分競爭的背景下,中國大陸企業在與業界龍頭企業競爭的過程中仍會在未來一段時間內處于相對弱勢的地位。

      (2)高端專業技術人才不足。 集成電路晶圓代工行業屬于技術和人才密集型行業。 相對于發展成熟的美國、日本、歐洲和中國臺灣等,中國大陸因產業發展起步晚,導致經驗豐富的集成電路高端人才稀缺。

      盡管近年來國家對高端專業人才的培養力度逐步加大,但人才匱乏的情況依然存在,已成為當前制約行業發展的主要因素。

      (3)資金實力不足‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 集成電路行業,尤其是集成電路晶圓代工行業,從前期設備的投入、工藝的研發到人才梯隊的培養,都需要大量的資金投入。

      對于動輒數十億甚至上百億美元生產線的投入,大多數企業的資金實力無法滿足大規模擴產的需求。

      三、28nm——“百分百”國產芯片新起點

      國務院8月4日發布《關于印發新時期促進集成電路產業和軟件產業高質量發展若干政策的通知》(國發【2020】8號),與原有政策相比,新政策對28nm及以下制程項目、企業加大政策優惠,對28nm及以下的晶圓廠、企業加大稅費優惠支持力度。

      新政策中增加“國家鼓勵的集成電路線寬小于28納米(含),且經營期在15年以上的集成電路生產企業或項目,第一年至第十年免征企業所得稅”內容。 28nm優勢明顯,成為IC工藝制程發展的關鍵節點。

      在成本幾乎相同的情況下,使用28納米工藝制程可以給產品帶來更加良好的性能優勢。 例如與40nm工藝相比,28nm柵密度更高、晶體管的速度提升了約50%,每次開關時能耗減少了50%。

      目前28nm采用的是193nm浸液式光刻機。 但是當尺寸從28縮小到22/20納米時,必須采用輔助的兩次圖形曝光技術,制程成本將提高1.5-2倍左右。 16/14nm制程成本將更高,這意味著發展先進制程不再具有成本優勢。

      綜合考慮成本和技術因素,28nm制程在未來很長一段時間將成為中端主流工藝節點。

      目前中國大陸擁有28nm及以下晶圓廠的企業包括中芯國際、上海華力微、合肥長鑫等,目前國產設備可進入28nm及以下晶圓制造產線的廠商包括華海清科、沈陽拓荊、盛美半導體、北方華創、中微公司、沈陽芯源、屹唐半導體、中科信、睿勵和廣立微等。

      北方華創在2018年實現了國產首臺銷售的ALD(原子層沉積設備),可實現28nm-14nm的FinFET等工藝要求。

      上海微電子宣布最快將在2021年交付第一臺國產28nm工藝的國產沉浸式光刻機。

      中微半導體的介質刻蝕機可以滿足全球最先進的5nm工藝,目前已經獲得了包括臺積電、中芯國際在內的主要集成電路制造業的訂單。

      爍科中科信研發的中束流離子注入機達到了國外同類型設備水平,產品已經批量進入市場,大束流離子注入機工藝覆蓋至28nm。

      盛美半導體清洗機進入產線14nm驗證,提前覆蓋國內最新制程。 PECVD設備方面,沈陽拓荊成功進入中芯國際、華力微電子28nm生產線。

      目前,我國在28nm的技術節點和各個環節均有完整的覆蓋,雖然部分領域的量產設備有待進一步的驗證和迭代升級,通盤來看國內已經基本具備了28nm技術節點“百分之百”國產芯片的量產能力。

      未來隨著人才、資金、技術、政策的進一步完善,國內集成電路制造產業必將迎來發展新高潮。

      作者:滕冉 李珂

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