2021年，我國GDP規(guī)模達到114.4萬億元，一年內GDP增加13萬億元，這在中華民族歷史上是第一次。2022年是進入全面建設社會主義現代化國家、向第二個百年奮斗目標進軍新征程的重要一年。如何走好新的“趕考路”舉世矚目。

在這條新的“趕考路”上，我國的發(fā)展經受著來自外部的壓力。壓力之下，維護技術主權的重要性也是不言而喻的。在此當中半導體產業(yè)的自主研發(fā)能力及生產的能力更是決定了中國信息技術主權發(fā)展的重要因素。

半導體主要由四個部分組成：集成電路（IC: integrated circuit），光電器件，分立器件，傳感器，由于集成電路又占了器件80%以上的份額，因此通常將半導體和集成電路等價。集成電路按照產品種類有主要分為四大類：微處理器，存儲器，邏輯器件，模擬器件，這些我們又稱它們?yōu)椤靶酒薄?/span>

半導體產業(yè)是支撐國家經濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎性、先導性產業(yè)，也是我國當前需要重點突破的領域。它不僅支撐了龐大的生態(tài)，它的邊界也在不斷被延伸。從簡單的計算與控制、數據、智能到感知與信號轉換、能量變換再到AI、云計算、大數據、物聯(lián)網、數字經濟、信息安全等，它們無一例外地以芯片為基礎。可以說半導體制造技術發(fā)展到位，我國科技領域才不會受制于人。

半導體制造業(yè)的發(fā)展壯大為什么那么難呢？我們從全局的角度簡要了解下半導體制造工藝及面臨的技術難點。

各種半導體產品

首先我們以汽車為例，介紹半導體技術所涉及的領域。從F-1賽車到大型拖車，應用目的不同，種類也多種多樣。半導體產品同樣根據襯底材料和應用的不同，來進行各種分類。其分類如圖1所示。

圖1半導體的主要分類 （按材料和產品分類）

材料以單元素類材料和化合物類材料為主。硅半導體當然是單元素類，另外，化合物類材料主要用于按產品分類的光器件等。

說說半導體工藝

在半導體產業(yè)中，制造工程被稱為工藝 （Process），理由是什么？雖然沒有明確的答案，但很多人認為，與其說加工尺寸微小 （目前是nm制程。1nm=10^-9m）， 不如說制造過程無法用肉眼看到所致。例如像電視機和汽車這樣的組裝工程，因為是肉眼可見的，所以不能把制造工程稱為工藝。此外，半導體產品還有一個特點，即不是一個一個生產， 而是批量生產，之后進行分割。因此，在半導體中，可能比較適合使用具有相對抽象含義的術語 “工藝” （Process）。

半導體工藝包含前段制程和后段制程。這里的前段制程主要是對硅晶圓進行加工，所以也被稱為晶圓工藝 （ Wafer Process）。主要的6個工藝會反復多次進行， 稱之為“循環(huán)型工藝”。化學工業(yè)常被稱為 “工藝產業(yè)”，也是因為化學產品要經過熱分解、聚合、蒸餾等工藝，故而得名。而且同樣也是先大量生產，之后進行分裝。與此相對應，后段制程包括封裝工序，因此稱之為從上游到下游的 “Flow型工藝”。

前段制程可以進一步分類為前端 （Front-End）和后端（ Back-End）。前者主要是形成晶體管等元件， 而后者主要是形成布線。而且加工尺寸非常小， 只有幾十nm（納米），因此，硅晶圓的潔凈度要求變得更加嚴格，而且對生產設備和晶圓廠（fab）的潔凈度也有很高的要求，生產設備的價格也會更加昂貴，晶圓廠建設的投資額也會更加龐大。

圖2半導體工藝的特點

以上內容歸納在圖2中，希望您牢記這張圖。

另外，還要提到的是，本文所涉及的半導體工藝是在硅晶圓的表面 （ Mirror，鏡面）上進行工藝加工，而不是在硅晶圓的背面（Sand Blast， 磨砂面）上進行工藝處理。突然冒出鏡面和磨砂面兩個詞，可能讓不熟悉晶圓的讀者略感困惑，為此，下面對硅晶圓進行介紹。

硅晶圓是將單晶硅的硅錠用鋼絲鋸切成圓盤狀。邏輯和存儲器LSI都是只在晶圓表面上制作的，所以晶圓表面要做鏡面拋光處理。如圖2所示，因為像鏡子一樣光亮，所以叫作鏡面。而另一面僅進行粗糙的研磨，不像鏡子那樣光亮，故而稱為磨砂面。

在制作成芯片時，如圖1.2所示， 通過后段制程中的工藝使晶圓變薄。

半導體制造面臨的難點

半導體制造主要面臨的難點，可總結為以下7點。

1. 材料純度極高

所用晶圓純度高達“11個9”，即99.999999999%，潔凈度也比手術室的要求嚴格100倍。

2. 復雜度極大

集成了數百億的晶體管，復雜程度可想而知。

3. 制程尺寸極小

晶體管的尺寸已經來到5nm的水平。

4. 設備極復雜

半導體對于精度和功能的要求很高，導致簡單的工藝能很難滿足高精尖的需求。所以需要很多復雜的設備參與生產，比如光刻機。光刻機的光源和光學反射系統(tǒng)都是相當復雜的系統(tǒng)。

5. 投資成本極大

建造一座10nm以下，并擁有產能10萬片晶圓/月的晶圓廠需要百億美元的規(guī)模。不光是設備，相關工藝研發(fā)也是同等數量級的。

6. 工作流程極長

設備繁多，多以串行處理貫穿制造始終，工作流程的設計、實行、監(jiān)控要求很高。

7. 分工極細，融合極其緊密

從設計，EDA（電子設計自動化），設備和材料的相互融合，都是各大企業(yè)以數十年的行業(yè)基礎推動而成的，使得后來者很難居上甚至介入。