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半导体材料与设备业短板如何尽快补齐?

来源:中国电子报  作者:张心怡 顾鸿儒  投稿时间:2018-02-27

  2018中国半导体材料及设备产业发展大会近期在北京召开,本次大会由中国电子信息产业发展研究院主办、邳州市政府协办,旨在通过梳理半导体产业的发展方向、推介半导体材料及设备产业的创新理念,共同促进半导体产业生态环境的构建,推动我国集成电路产业的健康发展。会议邀请了众多知名企业高层、业内专家解读行业热点,展望发展前景,《中国电子报》特选取主要观点,以飨读者。
 

  中国半导体行业协会副理事长于燮康:
 

  无处不在的集成电路拥有极强“撬动能力”
 

  在讨论集成电路产业重要性时,中国半导体行业协会副理事长于燮康表示,上至关乎国防安全的军事装备、卫星、雷达,下至关系普通百姓生活的医疗检测及器械、汽车、电视、手机、摄像机,甚至智能儿童玩具,都离不开集成电路。“在信息化时代,集成电路扮演着“粮食”的角色,在工程勘察、精准农业、航海导航、GIS数据采集、车辆管理、无人驾驶、智慧物流、可穿戴设备等领域都大有作为。半导体技术正扮演着多元应用的智能核心,它是一切智能制造的‘大脑’,是当今国民经济领域的基础产业。”于燮康说。
 

  于燮康认为,集成电路促进了包括能源变革、智能制造、装备制造以及精密仪器微细加工等40多个工程技术的发展。在经济方面的带动上,1美元的集成电路所能带动的GDP约等于100美元。而全世界集成电路的全年产值撬动的GDP相当于中国和美国GDP之和。因此,于燮康表示,集成电路对于技术与经济的撬动作用不可忽视。
 

  与其他产业相比,半导体产业链有着独特的特点,产业链涉及面广,流程十分复杂,需要制取电子硅、拉制单晶、切磨抛制取晶圆、光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、互连、清洗、晶圆测试与分割、核心封装、分级测试等二百余个步骤。在后期的生产和封测中,需要光刻机、刻蚀机、减薄机、划片机、装片机、引线键合机、倒装机、塑封机、切筋打弯等制造设备的辅助。于燮康表示,半导体制造是所有制造业里最为复杂、最有科技含量的制造。16nm的制造工艺,就可集成大约33亿个晶体管,1nm相当于头发丝的十万分之一。在规模效应上,集成电路与传统制造业相同,但是相较于传统制造业,集成电路具备不可修复性、流程复杂、制作周期长、机器精度高、持续投入强度高、营运成本高、运作系统非常复杂等多个独特的特点,集成电路的发展需要团结各个领域的精英人才,加强整个团队的互动合作,才能完成更好的效益。
 

  十年前,西方国家的工艺水平还处于领先阶段,随着集成电路产业“雁型模式”的转移延续,位于美国、日本的8/12英寸及以下晶元产能转移到韩国、中国,多个跨国企业在中国设立本地生产、制造中心,我国中西部及福建等地区成为转移热点,我国集成电路产业获得了明显的进步。“举个例子,在我的印象中,上世纪80年代初期时,徐州在建立一条生产线后,集成电路便再没了消息。这几年徐州发展很快,尤其是邳州,装备业尤其是光刻机,进步非常大。”于燮康说。
 

  于燮康表示,重大专项的支持对技术含量提升的作用越发明显,甚至部分领域已经与国际接轨。对于国内来说,芯片设计是率先发展的领域,目前与国际水平差一截的原因与材料和设备相关,材料国产化与设备国产化要引起制造业的重视,才能提升国内封测业工艺研发能力。
 

  中科院微电子所副总工程师赵超:
 

  我国与IC相关的知识产权专利高达43292项
 

  2008年国家科技重大专项宣布实施、创新链接连布局、2014年金融链建立,在过去的几十年里,我国半导体产业链得到了充足的支持,技术从90nm、65nm、40nm、28nm逐步提升,制造工艺取得长足进步,65nm、40nm、28nm工艺量产,14nm技术研发突破,特色工艺竞争力提高,关键装备和材料实现从无到有,整体水平达到28nm并且被国内外生产线采用,高端芯片设计能力大幅提高、封测从中低端走向高端,“国家科技重大专项和产业发展规划推动我国集成电路产业发展到了一个新的高度。”这是中科院微电子所副总工程师赵超在2018中国半导体材料及设备产业发展大会上发出的感慨。
 

  赵超表示,我国装备目前获得了扎实的进步,高端装备从无到有、群体突破,16种12英寸前道装备、29种封测设备通过生产线考核进入批量销售,例如中微半导体的销售产品数目已经达到几百台。高端设备的研发水平、规模基本与世界同步,虽然高端设备占比与国际尚有所欠缺,但是较快的发展速度正在逐渐减小差距。与去年相比,赵超表示,我国硅片销售上升,抛光液等大规模工程进展快速,知识产权方面与IC相关发明专利达到43292项,其中重大专项专利23477件,占企业申请专利的54.23%。
 

  对于未来,赵超表示“大跃进态势”即将开启。从2015年至今,我国逐步开始大规模扩产,所有宣布的300mm新厂,产能增加85万片/月。2020年大陆总产能将达到125万片/月。“我们正在一个新时代的门槛上面,智能化和5G通信时代的到来将为集成电路带来巨大的增量。中国应该有一系列的解决方案,促进新产能融化在新增业务中,以此避免制造业动荡。这对国外来说,价格上会引起变化,对国内来说,可以赢取自身发展。”赵超说。
 

  对于驱动集成电路发展的新增产能,赵超认为,物联网与消费应用将成为集成电路下一个驱动点,高速铁路网、能源互联网、智能电动车都会对我国市场发挥作用。随着新势能的崛起,紧扣产业链需求的发展战略十分重要。“例如邳州的半导体产业,不论是布局招商还是企业培育,整体的发展战略与产业链结合紧密。此外,邳州还培育了一批高科技初创企业,这些企业当中有一些已经做出超前的研发解决方案。有很多成熟企业选在邳州开展新增业务。”赵超说。
 

  工信部赛迪智库集成电路研究所副所长林雨:
 

  中国芯片进口额约是原油进口的1.6倍
 

  1987年至2017年间,全球半导体市场约经历了5次周期性波动。2016年逐渐走出周期性低谷,2017年迎来新一轮的高速增长。工信部赛迪智库集成电路研究所副所长林雨在2018中国半导体材料及设备产业发展大会上分析,全球半导体市场呈现明显的周期性特征,这种情况一方面是因为存储芯片需求旺盛,产品价格大幅上涨;另一方面物联网、汽车电子、AI等新市场、新应用拉动了下游需求。
 

  林雨表示,对于产业内部市场,从结构上看,网络通信、计算机和消费电子依然是国内集成电路占比最高的领域,三者占比之和超过75%。从增速上看,汽车电子和工业控制是增速最快的领域。“2016年我国集成电路行业得到快速发展,根据赛迪顾问最新数据,市场规模达到11985.9亿元,同比增长8.7%,规模和增速均继续领跑全球。”林雨说。
 

  无疑,我国市场需求带动了产业发展。另一方面,林雨表示,我国内部市场国产替代需求空间巨大。根据海关总署数据,截至2017年10月底,我国集成电路进口金额已高达2071.97亿美元,同比上涨14.5%。同期,中国原油进口额为1315.01亿美元,中国芯片进口约是原油进口的1.6倍。对此,林雨表示,《“十三五”国家信息化规划》明确提出,到2020年,核心技术自主创新实现系统性突破,信息领域核心技术设备自主创新能力全面增强。
 

  “对于集成电路而言,设计环节绝大部分被国外厂商主导,所以在国产芯片替代上,我们应关注产业链中下游和配套环节企业。从替代维度考虑,看好制造、设备、材料、封测四个环节。”林雨说。
 

  展望2018到2020年,林雨表示,物联网、5G、AI、汽车电子、区块链、智能制造六个话题将是推动全球半导体市场发展的主要驱动因素,也是我国推动电子信息产业向更高层级发展,从根本上解决芯片自主发展的关键切入要素。
 

  对于供给侧方面,林雨表示,封测领域自主研发与国内整合相促进将为主流。全球封测产业并购加剧,龙头强者恒强。近四年全球前十厂商并购频繁,通过并购梳理,可以看到封测产业并购有两大特点:第一,中国大陆厂商为兼并收购的主角。封测产业是我国集成电路发展的“排头兵”,从国家层面看,无论在政策还是资金上均大力扶持国内封测企业通过并购扩大规模获得先进封装技术。第二,龙头相互之间合并。探其本质,集成电路封装属于规模经济产业,当半导体产业进入成熟期时,龙头之间竞争加剧,惟有相互整合,才具有经济效益。
 

  “由于可选并购标的减少,海外审核趋严,预计中国未来通过并购取得先进封装技术与市占率可能性减少,自主研发+国内整合将会成为主流。”林雨说。
 

  中国电子科技集团公司第四十五研究所集团首席专家柳滨:
 

  六大因素驱动集成电路设备发展
 

  “我国集成电路年进口额近年来一直保持在2000亿美元以上,严重依赖进口,市场供需关系严重失衡。”柳滨说。
 

  从制造技术来看,我国集成电路与国际先进工艺相差2~3代,设备严重依赖进口,国产化面临考验。
 

  目前,国际集成电路制造先进制造技术是14—10nm工艺节点,前端制造到达7nm工艺节点,2018年下半年将量产,5—3nm节点技术正在研发中。而国内方面,14nm制造技术预计2019年实现量产,与国际先进工艺存在代差。
 

  柳滨指出,我国集成电路制造装备与世界先进水平的差距,主要是由我国集成电路制造装备现状和固有发展特点所决定的。
 

  半导体装备具有技术门槛高、研发周期长、工艺线需要反复验证的固有特点,牵扯学科众多,投资回报周期长。设备公司要跨过研发到产业化,需要国家、下游单位等多方面支持。
 

  作为我国政府实施制造强国战略的第一个十年行动纲领,《中国制造2025》对集成电路装备国产化提出明确目标:在2020年之前,90—32纳米工艺装备国产化率达到50%,封测关键装备国产化率达到50%;在2025年之前,20—14纳米工艺装备国产化率达到30%;到2030年,实现18英寸工艺设备、EUV光刻机、封测设备的国产化。
 

  要践行《中国制造2025》的发展目标,需明确驱动因素,从市场需求、安全保障、自主可控、产业链完整、使命责任、政策引导六个维度驱动行业发展。
 

  在市场需求的驱动下,设备厂商开展超前研究,生产设备占到投资额度的60%~70%。技术、资本、知识累积与品牌竞争成为垄断效应的形成要素。
 

  除了技术原因与商业竞争,“人为后门”成为产品服务的安全隐患,安全保障成为装备发展的驱动因素。柳滨指出,装备的网络化程度越高,越存在安全风险,未来IC智能制造有可能催生针对安全需求的产品服务。
 

  要规避“受制于人”的风险,必须形成自主可控的产业生态。柳滨强调,企业要在整线工艺、特色工艺、单项设备上寻求突破,减少对全球供应链的依赖。
 

  设备是构建完整产业链的重要一环。柳滨强调,半导体不但要有关键设备的支撑,更要有设备整合能力。同时,国家电子制造设备专业领域的企业应承担发展半导体制造装备产业的重任,实现完整的半导体制造装备产业链,服务于我国半导体制造的需求。
 

  在国家、行业、地方三级支持下,《国家集成电路产业发展推进纲要》、《“十三五”国家科技创新规划》都对集成电路设备做出部署,以14nm节点为目标,在装备、工艺、封装、材料等方面重点支持已经具备产业能力的企业。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》的指引下,已有30余种高端装备研制成功,使我国摆脱了集成电路高端装备基本空白的状态,集成电路产业生态得以建立和逐步完善,基本建立了55—28nm工艺段的集成电路制造体系和技术体系,催生了一些设备制造公司,吸引了一批国际国内资源向集成电路制造设备行业聚集。
 

  “回想起2010年我们的装备在全球占到4%,仅仅十年我们就翻了五倍。”柳滨说。他同时强调,《中国制造2025》的宏伟目标是机遇也是挑战,中电科将以集成电路制造装备为目标,形成28—14nm核心装备局部成套及批量生产能力,突破7—5nm核心装备技术,让核心装备进入国际采购清单。
 

  中国电子专用设备工业协会秘书长金存忠:
 

  2020年国产半导体设备 销售收入将达到150亿元
 

  “有人说,国产设备只占到全球半导体总量的2%,但在中国大陆的市场占有率为11%。2014年—2016年,35家企业年均增长率为18.9%,如果再算上去年的话,可能年均增长率要超过20%。”金存忠说。
 

  2016年以来,半导体设备行业取得销售、利润双增长。根据中国电子专用设备工业协会对国内35家主要半导体设备制造商统计,2016年半导体设备完成销售收入57.33亿元,同比增长21.5%;出口交货值达7.84亿元,同比增长18.4%;利润总额为14.28亿元,同比增长35.6%。
 

  同时,半导体设备销售向头部集中,十强企业的销售收入占总销售收入的84.3%。金存忠指出,半导体设备主要集中在两个地区。第一个市场在北京,以中电科和北方华创为主要生产商,以集成电路设备和LED设备为主要业务;第二个市场在上海,以中微半导体、上海微电子等公司为主要生产商,半导体关键设备、关键零部件、机器人形成了新的增长点。
 

  高端集成电路、太阳能电池片、高亮度LED芯片等关键领域,在2016年取得突破。
 

  在高端集成电路领域,中芯国际北京厂使用国产集成电路晶圆设备加工的12英寸正式产品晶圆突破1000万片次,标志着集成电路国产设备在市场化大生产中得到充分验证。北方华创、中微半导体等6家企业的12英寸国产晶圆制造设备实现销售,12英寸晶圆先进封装、测试生产线设备实现国产化,生产线设备国产化率可达到70%以上。国产高端集成电路设备技术和市场竞争力迈上新台阶。
 

  在太阳能电池片领域,生产设备国产化率达到90%以上,同时智能化、自动化的太阳能电池新设备成功进入太阳能电池片生产线,成为太阳能电池片生产企业改扩建生产线的首选,并实现批量出口。
 

  在高亮度LED芯片领域,生产线关键设备实现国产化,并在国内大型LED生产企业主流生产线上得到验证使用,为国产LED生产线设备产业化打下了坚实基础。但也应看到,在半导体的销售收入中,LED设备是负增长。金存忠指出,LED市场在2016年处于低潮,2017年“疯长”态势未必能持续到今年,需要综合考虑市场变化。
 

  据中国海关信息网统计,2017年中国大陆主要半导体设备进口总额达到54.83亿美元,同比增长13.8%。预计2017年国产半导体设备销售收入将达到76亿人民币以上,同比增长32%以上。
 

  经过主流生产线验证的45—28纳米的国产集成电路设备将迎来快速发展机遇。在新建12英寸集成电路晶圆生产线的推动下,国产集成电路设备销售收入预计达到32.4亿元,同比增长15%。
 

  国产LED生产设备呈现出快速增长的态势。由于国产LED生产线关键设备2016年已经被多家主流生产企业验证使用,又经历了产能扩张和旧设备淘汰。2017年,国产LED生产设备呈现快速增长,上半年国产LED设备销售收入已经超过2016年全年国产LED设备的销售收入,预计2017年LED设备销售将翻一番以上,同比增长超过130%。
 

  太阳能电池设备将增长30%左右。2017年中国光伏行业在领跑者和分布式光伏迅速崛起的推动下,电池片产量达到68GW,同比增长33.3%。太阳能电池生产线已被智能化、全自动化的国产太阳能电池生产线设备替代,2017年预计增长30%以上。
 

  未来三年,国产半导体设备销售年均增长率将在25%左右。到2020年,国产半导体设备销售收入将达到150亿元,市场占有率将达到20%左右。
 

  在新建集成电路生产线的推动下,2018—2020年国产集成电路设备,年均增长率将超过15%,到2020年销售额将达到50亿元左右。
 

  据不完全统计,2018年—2020年中国大陆要建成5座12英寸晶圆生产厂,总投资将超过3000亿元,2018年开始有望迎来“装机大战”。预计到2018年,台积电南京厂月产16纳米制程2万片,福建省晋华(9月起)月产6万片,中芯国际北方、上海新建月产7万片,上海华力新建28—14纳米制程月产4万片。到2020年,武汉新芯预计实现月产能30万片。
 

  在太阳能电池领域,未来三年国产太阳能电池设备年均增长率将超过30%,到2020年销售额将达到70亿元左右。
 

  2018年开始,随着次毫米发光二极体(Mini LED)迈入量产,国产LED设备将迎来发展新机遇。预计2018—2020年国产LED设备年均增长率将保持在40%左右,销售额将在2020年达到30亿元。

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