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集成電路（integrated circuit，IC）裝備作為集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵基礎，己成為高技術裝備產(chǎn)業(yè)的典型代表。一個國家集成電路裝備制造業(yè)水平的高低，決定了整個集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。本文結合全球集成電路裝備產(chǎn)業(yè)鏈條，解析全球及我國集成電路裝備的技術體系及競爭態(tài)勢。分析發(fā)現(xiàn)，我國集成電路裝備發(fā)展快速，但仍短板明顯，應進一步夯實基礎，加快提升創(chuàng)新步伐。

1  關鍵裝備

集成電路裝備是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈結構中的重要環(huán)節(jié)（見圖1），其中關鍵產(chǎn)品主要包括光刻機、刻蝕機、離子注入機、清洗研磨設備、檢測裝備、薄膜沉積設備（PVD）和化學氣象沉積設備（CVD）等。由于集成電路工藝本身具有精度高、零敏度高等特點，因此其裝備也普遍具有技術難度大、成本投入高的特點，而其中技術難度最高、價值最大的當屬光刻機。一臺光刻機的價值高達1億美元以上。光刻機的精度，直接決定了芯片精度的上限。目前最先進的光刻機加工能力能夠達到7nm級，相當于頭發(fā)直徑的萬分之一（頭發(fā)的直徑約為80μm）。除了光刻機，刻蝕機是集成電路生產(chǎn)工藝中第2重要的設備，單價在400萬~500萬美元以上。離子注入機主要用于芯片制造的摻雜工藝，即在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子注入晶圓表面，從而在所選擇的區(qū)域形成一個具有特殊性質(zhì)的注入層。目前低能大束流離子注入機市場得到進一步的發(fā)展。芯片制造工藝中要始終保持硅晶圓表面沒有雜質(zhì)，這就需要用到清洗設備，清洗機約占整個生產(chǎn)線投資的10%左右。目前主要采用干法清洗設備。前端工藝檢測裝備則是芯片制造技術邁向更高節(jié)點的關鍵環(huán)節(jié)。為了降低生產(chǎn)成本，集成電路制造商需要更多、更先進的在線及實時工藝檢測手段對工藝過程的穩(wěn)定性進行監(jiān)控和預測，盡早發(fā)現(xiàn)異常、及時改進工藝，以保證生產(chǎn)的順暢進行，最終提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

圖1　集成電路產(chǎn)業(yè)鏈架構圖

作為集成電路裝備中最重要的設備，光刻機的全球產(chǎn)業(yè)鏈上重點廠商分布如圖2所示。全球高端光刻機市場幾乎是荷蘭阿斯麥（ASML）公司一家獨大，此外，日本的尼康和佳能公司也占有一席之地。目前，我國在前道光刻機方面還嚴重依賴進口，國內(nèi)技術還處于90nm光刻機的整機集成階段，而國際最先進的EUV光刻機已具備生產(chǎn)7nm以下制程的能力，技術差距顯著。但在后道光刻機和投影光刻機方面，國內(nèi)已實現(xiàn)量產(chǎn)，如上海微電子裝備有限公司（以下簡稱“上海微電子”）的用于先進封裝的步進投影光刻機國內(nèi)市場占有率超80%，全球市場占有率約40%，用于LED制造的投影光刻機的全球市場占有率約20%。

圖2　集成電路重要裝備——光刻機的產(chǎn)業(yè)鏈分布圖

其他關鍵裝備的產(chǎn)業(yè)鏈分布圖如圖3所示。目前，我國企業(yè)在刻蝕機和清洗設備領域已有所突破，具備了一定的國際競爭力。盡管目前這些領域的行業(yè)龍頭依然是美國、日本、韓國的一些大型企業(yè)，但近年來我國企業(yè)也開始在國際市場上嶄露頭角，如中微半導體設備（上海）股份有限公司的16nm刻蝕機已實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，同時順應國際技術發(fā)展趨勢，已具備生產(chǎn)7～10nm刻蝕設備的能力，技術水平達到世界先進；盛美半導體設備(上海)有限公司研制的Ultra C SAPA III單片兆聲波清洗機，已通過了韓國集成電路企業(yè)的大生產(chǎn)線工藝評估，具備了一定的國際競爭力，有望成為下一代微小顆粒清洗的主流設備。

圖3　集成電路裝備其他關鍵裝備產(chǎn)業(yè)鏈分布圖

作為集成電路裝備產(chǎn)業(yè)鏈下游的芯片制造技術，其發(fā)展遵從“摩爾定律”的規(guī)律正在不斷向小型化方向發(fā)展。如今，國際先進的芯片制造技術已經(jīng)使芯片上所集成的晶體管數(shù)量達到了空前的水平，且每個晶體管的體積變得非常微小。從國際主流的集成電路技術發(fā)展趨勢來看，工藝特征尺寸從45nm發(fā)展到32nm和22nm，目前則直接越過10nm沖刺到7nm。從國內(nèi)技術現(xiàn)狀來看，最具代表性的集成電路制造企業(yè)——中芯國際集成電路制造有限公司，目前其產(chǎn)品工藝特征尺寸也只能達到28nm級。這意味著在指甲蓋大小的芯片上可以放300億個7nm的晶體管，而只能放80億個28nm的晶體管。

2  關鍵器件

集成電路裝備上游的零部件眾多，涉及的領域廣泛，不僅涉及相關工作臺、設備框架/腔體、儀表、真空泵等基礎部件，也涉及相關光學部件、傳感器、專業(yè)系統(tǒng)和軟件等專用的核心部件。其中，投影物鏡是光刻機中最關鍵的分系統(tǒng)，技術難度最高，其性能直接影響到光刻機的成像質(zhì)量和曝光場的大小。鏡片材質(zhì)要做到均勻，需要幾十年到上百年的技術積淀，僅從光潔度來說，不同工人磨出的鏡片，這一指標可能就會相差數(shù)倍。有了頂級的鏡頭和光源，還需要有極精準的機械部件，一臺光刻機中有約3萬個機械部件，任何一個都要可靠和精準。

作為集成電路裝備中價值最高的光刻機，其上游關鍵部件，尤其是投影物鏡和掩模臺等，目前基本被德國的蔡斯、日本尼康、佳能及荷蘭的阿斯麥等企業(yè)所壟斷，我國還沒有企業(yè)實現(xiàn)技術和市場的突破，就連國家的專項布局也很少涉及這一領域。

3  相關建議

3.1  把握“超越摩爾”趨勢，加快趕超國際水平

集成電路產(chǎn)業(yè)技術在“摩爾定律”的推動下已快速發(fā)展了幾十年。然而，相比2013年和如今的的手機旗艦芯片，元器件數(shù)目并沒有實現(xiàn)翻一番，實際上增長了50%左右?？梢?，“摩爾定律”正在逐漸放緩，半導體技術發(fā)展似乎也走到了一個十字路口，晶體管小型化已接近其物理極限水平，在這種趨勢的推動下，必將激發(fā)新一輪的產(chǎn)業(yè)技術革命，顛覆性技術也將加速出現(xiàn)，行業(yè)呈現(xiàn)出從“摩爾定律”驅動向“超越摩爾”發(fā)展的趨勢。

在這種背景下，我國集成電路產(chǎn)業(yè)應及時把握機遇，加快推進技術創(chuàng)新進程，通過加強與多種領域產(chǎn)業(yè)和學術界的合作，開放集成電路產(chǎn)業(yè)合作及合作方式，抓緊趕超國際技術水平，爭取在“超越摩爾”的浪潮到來之際，搶占一定的先機。

3.2  堅持開放競合，致力于打造隱形冠軍

隨著新一代網(wǎng)絡通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、節(jié)能環(huán)保等新興產(chǎn)業(yè)的繁榮興起，集成電路產(chǎn)業(yè)為適應其下游應用的新需求，不斷開發(fā)新產(chǎn)品和新工藝。AI、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)智能制造等集成電路相關產(chǎn)品將成為未來重要的增長點，這為集成電路裝備產(chǎn)業(yè)提供了新的需求和市場空間，有利于促進其快速發(fā)展。為適應新的集成電路技術節(jié)點，相應的裝備需要加速更新迭代，新的市場需求驅動下將迎來新一輪的投資周期，世界各國對集成電路產(chǎn)業(yè)的重視度也會進一步提高，國際合作將更為緊密，必將推動未來全球集成電路裝備市場形成競合格局。

基于我國當前的技術基礎，要想在短時間內(nèi)實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的覆蓋不太現(xiàn)實。但在我國下游應用市場繁榮的大背景下，為保持上中游產(chǎn)品的供應鏈順暢，需要利用全球市場、技術、資本和人才資源，推進產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)開放式創(chuàng)新，同時加強國際交流與深層次合作，如與以色列和俄羅斯等國家開展深度合作，建立競合關系，并集中力量打造出隱形冠軍，使其在全球市場競爭格局中掌握主導話語權。

3.3  抓住新興領域機遇，加速實現(xiàn)國產(chǎn)替代

如今，各類智能移動終端、工業(yè)機器人、新能源汽車、可穿戴設備等新興產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，帶來對高精準度的數(shù)據(jù)轉換芯片、高速的射頻傳輸芯片等集成電路產(chǎn)品的巨大需求。如執(zhí)行計算的新方法、非硅材料的利用率、以及將半導體產(chǎn)品集成進  所用設備的新方法等，這與傳統(tǒng)的摩爾定律將大多數(shù)創(chuàng)新專注于定期增加一個芯片上的晶體管數(shù)量不同。它將更專注于創(chuàng)新的多維度，其中許多是全新的領域，而這些新興領域的電子產(chǎn)品目前在全球均處于初期發(fā)展及應用階段，在我國政策扶持及及市場需求的雙重帶動下實現(xiàn)產(chǎn)品自主化的可能性較高，如果能夠把握住市場機遇，未來這些新興領域將有望成為我國集成電路裝備市場新的增長藍海。

3.4  強化“內(nèi)外聯(lián)動”，夯實產(chǎn)業(yè)基礎

“內(nèi)”要強化自主研發(fā)基礎實力。鑒于光刻機在整個產(chǎn)業(yè)鏈中的重要地位，從長遠來看，需要有自主產(chǎn)品來保證我國集成電路產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。而針對目前我國在光刻機光學系統(tǒng)領域技術差距大，國內(nèi)創(chuàng)新研發(fā)布局較為短缺的現(xiàn)狀，應充分整合國內(nèi)這一領域的創(chuàng)新研發(fā)資源，以重大專項、重大合作研發(fā)計劃、或聯(lián)合國際力量等形式，加強布局，潛心研究，在政府引導下，通過整合創(chuàng)新資源，形成合力進行技術攻關，加快提升自主技術水平，追趕國際先進水平。同時，加強本土人才的培養(yǎng)，做好人才儲備，夯實產(chǎn)業(yè)基礎。

“外”要積極引進高端人才和購并國外先進技術型企業(yè)。積極主動對接優(yōu)勢企業(yè)，以更加開放包容的姿態(tài)，不斷加強國際人才交流合作，挖掘高端人才，與高端人才探尋合作共贏模式，擇機引進國內(nèi)發(fā)展。此外，針對我國集成電路裝備制造企業(yè)數(shù)量較少、規(guī)模較小的現(xiàn)狀，為解決行業(yè)特有的大資金問題，應鼓勵企業(yè)進行購并，在政府引導下，形成合力，應對國際競爭。

文/傅翠曉

上海市科學學研究所

來源：《新材料產(chǎn)業(yè)》雜志2019年10期