我国半导体芯片制造底层技术短板待补

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在过去200多年中，人们在半导体中发现了许多物理效应，其中真正改变人们生活的伟大发现有三个：晶体管、半导体激光器和白光照明。

晶体管是半导体芯片的基础，从人工智能、移动通讯到云计算、互联网、智能网联汽车……支撑了非常多的新兴产业，在国家战略发展中具有举足轻重的地位。

在半导体芯片制造产业链上，中国目前在某些材料环节上具有局部优势。但芯片制造的过程牵扯到的工艺环节有上千个，我国在许多环节尚未达到国际先进水平，关键底层技术的缺乏使我国在产业链上长期处于中低端，需要夯实底层技术，加快发展步伐。

我国有材料优势

半导体器件丰富多样，是制造集成电路逻辑芯片、存储芯片、新兴人工智能芯片，乃至光电子芯片、传感器芯片的核心元器件。2021年，全球半导体芯片产业规模达到5500亿美元，这是一个非常大的市场。

材料产业位于整个半导体产业链上游。其中半导体材料包括硅、锗、镓等。硅材料在自然界很丰富，每公斤地球物质含有300毫克硅材料，其含量在地球上位列第二位，可以说是取之不尽、用之不竭。相比之下，锗和镓元素的丰度大约下降了十万倍，且提取困难。

在锗和镓材料领域，中国在产业链中具有重要的地位和发言权。中国的镓元素约占全球的80%，锗元素占60%。镓元素是生产第二代和第三代半导体的关键材料，会影响半导体芯片、二极管、功率器件等的制备，锗则主要是用于光纤通讯领域。镓和锗都是从铝矿和锌矿的废渣里提炼出来的，生产过程中会消耗大量电能，中国有强大的电力系统支撑这样的工业制造。

在半导体产业中，首先必须做出高纯度材料，才能提升芯片或器件的良品率。以硅为例，低纯度硅可用来做太阳能电池，高纯度电子级晶硅才能够做半导体芯片，其纯度至少要到0.999999，即百万分之一。基于产业界和科学界70多年的努力，现在硅元素提纯率可高达0.99999999999，也就是千亿分之一，即1000亿个硅原子中有一个杂质原子。目前，我国已经可以提取高纯度硅，但均匀性还有待进一步提高。

技术短板待补

尽管在材料领域具有局部优势，但在半导体芯片产业链上，过去我国产业较多分布于封装、测试等下游领域，而对技术难度更高的设备、晶圆制造等上游和核心产业涉及较少。例如，光刻设备、高纯度光刻胶、电子特气等制造能力还有很大提升空间，微纳级先进芯片技术发展速度仍不能跟上产业需求。

以汽车行业为例，这一行业目前已经发生了颠覆性的变革——传统油车的底盘、传动、引擎等部分是最具技术含量的设备，但在新能源汽车中已经不再那么重要，电动机、电池和自动驾驶已成为关键技术支撑。

2022年，中国已成为世界第一汽车制造大国，尽管我国在智能网联汽车规模应用方面拥有领先优势，但我们也要看到问题和隐患——车载芯片。汽车芯片按功能分为主控芯片、模拟芯片、功率芯片和存储芯片。目前，即便是传统油车，每辆车也会使用600~1000块芯片。每辆新能源汽车则要使用1000~2000块芯片，占整个汽车成本的40%。目前，我国大部分汽车所使用的芯片仍需要从国外公司大量进口。因此，尽早实现高水平自强自立，对中国新能源汽车企业十分迫切。

现在，国家高度重视这一现状，最近几年一些国内公司也在加快发展步伐。相信通过若干年的努力创新，我们可以在芯片行业达到世界先进水平。

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常凯院士 图片来源于中国科学技术协会

（本报记者冯丽妃根据中国科学院院士、中国科学院半导体研究所研究员常凯于10月31日在澳门科技大学举办的2023年当代杰出华人科学家公开讲座上的报告整理）