為什麼國產晶元製造那麼難？

【機械cax360第362期】由於中興的事件，大家對國產晶元製造的關注度持續升高，那麼中國製造晶元到底難在哪？

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01 國產晶元現狀

晶元（又稱微電路、微晶元、集成電路）是指內含集成電路的矽片，體積很小，常常是計算機或其他電子設備的一部分。它作為智能電器的核心部件，晶元一直充當著「大腦」的位置。

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據專業機構預測，今年中國晶元進口量將突破2,000億美元(約12,185億元人民幣)，遠超一年石油進口的金額。作為全國晶元需求最為強勁、消耗份額居全國近七成的珠三角，卻無一家先進的晶元製造廠。

中國晶元設計產業儘管奮起直追，湧現出了展訊、華為海思等逾500家企業，但中國晶元設計企業大多只是中低端設計。去年前十大集成電路設計企業總銷售額僅為226億元人民幣，而排名全球第一的高通公司營業額已達131.8億美元(約803億元人民幣)，是中國前十大晶元企業總銷售額的3.55倍。

中國芯之痛：中國核心集成電路國產晶元佔有率多項為0，貿易逆差高達1657億美元。

看似中國出了很多大型高科技企業，如海爾，華為之類的，每年也出口很多的電子產品。但是作為電子控制系統核心的晶元，80%以上都需要進口。

目前做一些簡單工作的輔助晶元，幾角錢一個，大概國產可以佔到50%市場，這些晶元可替代性強。但是做複雜或者核心工作的晶元(比如電腦的CPU之類)，從1元錢到成千上萬元不等，幾乎全部是進口，而且是系統中必不可少的。

02 晶元設計製造

大多數人只知道手機電腦、各行各業裡面都要用到電子器件，單片機、數控裝備、汽車都離不開晶元，但是說起晶元的設計製造，卻只有少數人知道。

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晶元的技術含量和資金極度密集，生產線動輒數十億上百億美金。此外，人才也是這個行業的稀缺資源。技術又貴又難、人才難以培養，少數幾家大企業壟斷了行業的尖端技術和市場。

晶元的製造過程可概分為晶圓處理工序、晶圓針測工序、構裝工序、測試工序等幾個步驟。其中晶圓處理工序和晶圓針測工序為前段工序，而構裝工序、測試工序為後段工序。

晶圓是指硅半導體集成電路製作所用的硅晶片，由於其形狀為圓形，故稱為晶圓。獲得晶圓後，將感光材料均勻塗抹在晶圓上，利用光刻機將複雜的電路結構轉印到感光材料上，被曝光的部分會溶解並被水衝掉，從而在晶圓表面暴露出複雜的電路結構，再使用刻蝕機將暴露出來的矽片部分刻蝕掉。

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接著，經過離子注入等數百道複雜的工藝，這些複雜的結構便擁有了特定的半導體特性，並能在幾平方厘米的範圍內製造出數億個有特定功能的晶體管。再覆蓋上銅作為導線，就能將數以億計的晶體管連接起來。

切割出合格晶片後報廢的晶圓

一塊晶圓經過數個月的加工，在指甲蓋大小的空間中集成了數公里長的導線和數以億計的晶體管器件，經過測試，品質合格的晶片會被切割下來，剩下的部分會報廢掉。千挑萬選後，一塊真正的晶元就這麼誕生了。

03 晶元製造難點

制約集成電路技術發展的有四大要素：功耗、工藝、成本和設計複雜度，其中光刻機就是一個重中之重，核心技術中的核心。

光刻機是晶元製造的核心設備之一，按照用途可以分為好幾種：有用於生產晶元的光刻機；有用於封裝的光刻機；還有用於LED製造領域的投影光刻機。用於生產晶元的光刻機是中國在半導體設備製造上最大的短板，國內晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

高端光刻機號稱是世界上最精密的儀器，解析度通常在十幾納米至幾微米之間，堪稱現代光學工業之花，製造難度極大，全世界只有少數幾家公司能夠製造。國外品牌主要以荷蘭ASML(鏡頭來自德國)，日本Nikon(intel曾經購買過Nikon的高端光刻機)和日本Canon三大品牌為主。（ASML高端光刻機領域佔據了全球90%的市場份額）

另一方面，中國集成電路製造工藝落後國際同行兩代，預計於2019年1月，中國可完成14納米級產品製造，同期國外可完成7納米級產品製造。

長期代工模式導致設計能力和製造能力失配、核心技術缺失；投資混亂、研發投入和人才不足等問題，導致中國集成電路產業目前總體還處於「核心技術受制於人、產品處於中低端」的狀態，並且在很長的一段時間內無法根本改變。

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