我國半導體芯片制造底層技術短板待補

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在過去200多年中，人們在半導體中發現了許多物理效應，其中真正改變人們生活的偉大發現有三個：晶體管、半導體激光器和白光照明。

晶體管是半導體芯片的基礎，從人工智能、移動通訊到云計算、互聯網、智能網聯汽車……支撐了非常多的新興產業，在國家戰略發展中具有舉足輕重的地位。

在半導體芯片制造產業鏈上，中國目前在某些材料環節上具有局部優勢。但芯片制造的過程牽扯到的工藝環節有上千個，我國在許多環節尚未達到國際先進水平，關鍵底層技術的缺乏使我國在產業鏈上長期處于中低端，需要夯實底層技術，加快發展步伐。

我國有材料優勢

半導體器件豐富多樣，是制造集成電路邏輯芯片、存儲芯片、新興人工智能芯片，乃至光電子芯片、傳感器芯片的核心元器件。2021年，全球半導體芯片產業規模達到5500億美元，這是一個非常大的市場。

材料產業位于整個半導體產業鏈上游。其中半導體材料包括硅、鍺、鎵等。硅材料在自然界很豐富，每公斤地球物質含有300毫克硅材料，其含量在地球上位列第二位，可以說是取之不盡、用之不竭。相比之下，鍺和鎵元素的豐度大約下降了十萬倍，且提取困難。

在鍺和鎵材料領域，中國在產業鏈中具有重要的地位和發言權。中國的鎵元素約占全球的80%，鍺元素占60%。鎵元素是生產第二代和第三代半導體的關鍵材料，會影響半導體芯片、二極管、功率器件等的制備，鍺則主要是用于光纖通訊領域。鎵和鍺都是從鋁礦和鋅礦的廢渣里提煉出來的，生產過程中會消耗大量電能，中國有強大的電力系統支撐這樣的工業制造。

在半導體產業中，首先必須做出高純度材料，才能提升芯片或器件的良品率。以硅為例，低純度硅可用來做太陽能電池，高純度電子級晶硅才能夠做半導體芯片，其純度至少要到0.999999，即百萬分之一。基于產業界和科學界70多年的努力，現在硅元素提純率可高達0.99999999999，也就是千億分之一，即1000億個硅原子中有一個雜質原子。目前，我國已經可以提取高純度硅，但均勻性還有待進一步提高。

技術短板待補

盡管在材料領域具有局部優勢，但在半導體芯片產業鏈上，過去我國產業較多分布于封裝、測試等下游領域，而對技術難度更高的設備、晶圓制造等上游和核心產業涉及較少。例如，光刻設備、高純度光刻膠、電子特氣等制造能力還有很大提升空間，微納級先進芯片技術發展速度仍不能跟上產業需求。

以汽車行業為例，這一行業目前已經發生了顛覆性的變革——傳統油車的底盤、傳動、引擎等部分是最具技術含量的設備，但在新能源汽車中已經不再那么重要，電動機、電池和自動駕駛已成為關鍵技術支撐。

2022年，中國已成為世界第一汽車制造大國，盡管我國在智能網聯汽車規模應用方面擁有領先優勢，但我們也要看到問題和隱患——車載芯片。汽車芯片按功能分為主控芯片、模擬芯片、功率芯片和存儲芯片。目前，即便是傳統油車，每輛車也會使用600~1000塊芯片。每輛新能源汽車則要使用1000~2000塊芯片，占整個汽車成本的40%。目前，我國大部分汽車所使用的芯片仍需要從國外公司大量進口。因此，盡早實現高水平自強自立，對中國新能源汽車企業十分迫切。

現在，國家高度重視這一現狀，最近幾年一些國內公司也在加快發展步伐。相信通過若干年的努力創新，我們可以在芯片行業達到世界先進水平。

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常凱院士 圖片來源于中國科學技術協會

（本報記者馮麗妃根據中國科學院院士、中國科學院半導體研究所研究員常凱于10月31日在澳門科技大學舉辦的2023年當代杰出華人科學家公開講座上的報告整理）