半导体技术发展的 现状、特点与机遇
鹏已本
1、引言
围绕着半导体芯片的制造、设计、封装、测试以及相关支撑作用的材料设备等方面的技术是信息产业的基础——半导体技术。自从1965年Gordon Moore 提出著名的“摩尔定律”以来，世界半导体产业的发展一直遵循着这条规律，规律预示着半导体技术领域充满剧烈的竞争与拼杀。最近Moore本人指出至少在近十年内还不会违背此规律。
在硅技术领域：不断缩小芯片特征尺寸及不断扩大晶圆尺寸的两大需求，如同哪吒的两个风火轮带动着半导体技术迅猛发展。
目前主流加工技术是8英寸硅片，0.25微米线宽。12英寸硅片0.18微米已经批量生产。据国际权威机构预测，到2014年，半导体芯片加工技术将达到18英寸硅片、0.035微米特征尺寸（线宽）。当集成电路线宽达到0.1微米及以下，全面进入纳米领域。届时，微电子的基础理论、材料技术和加工技术都可能发生革命性的变化。
我们汇集了部分半导体技术领域的专家、学者关于半导体技术发展的言论、观点，提供给在相关领域从事开发、研究工作或关心此领域的管理者参考。
由于篇幅所限，如果对于专家们的观点引用不全或偏离均由作者文责自负。
2、半导体技术发展趋势
中国半导体行业协会顾问许居衍院士预测， 21世纪微电子技术的具体发展趋势主要以下三个方面：
● 不断增长高密度嵌入设计水平；
● 不断扩展跨学科横向应用；
● 最终进入技术平台期，等待新的突破。
许居衍院士指出“微电子技术的不断创新，导致电子系统升级所带来的巨大经济效益，引发了同行在人才与资金上的剧烈竞争，并因此推动了产业的国际化。”
他认为，整个半导体商业模式将从简单的产品提供向提供解决方案（硬、软件和领域专家知识）转变。
由于长期的科研投入，其产业能力和技术积累决定了硅基工艺在21世纪内仍起骨干作用，很难另辟稀径。21世纪的微电子技术仍将以硅为主流。
微电子技术与其它学科相结合，将产生一系列崭新的学科和重大经济增长点。微机电系统（MEMS）和DNA生物芯片便是微电子与其它技术成功结合的典型范例。
半导体是典型的技术主导型产业。制造技术（工艺）的更新、更高性能的设备研制开发，则扮演着技术先导的角色，是微电子技术中的制高点。
其中前道加工工艺技术（微细加工）是核心技术。微细加工的技术水平成为半导体产业进步的特有表征。 随着微细程度的不断提高（特别是当前到了亚微米、深亚微米阶段），以及电路结构越来越复杂，导致加工工艺越来越复杂（多层布线、三维结构等）：制造工序由以前的几十道发展到400 余道，同一硅片上光刻次数已增加到15～20次之多。加工尺寸已缩小到光波长范围，开发应用电子束制版，深紫外光投影光刻，等离子刻蚀，激光刻蚀，精密离子注入搀杂，超微结构技术等。
加工工艺的复杂化对支撑产业不断提出新的要求：要求高精度、高效率、高可靠性、高自动化程度的专用设备和新原料，形成“一代产品，一代设备，一代工艺，一代材料”节奏分明的发展关系。
随着制造技术的发展，后续的设计、封装、测试技术的同步发展，采用先进技术已经迫在眉睫，并且形成打破严格的前后顺序如全程测试，软硬共存的系统芯片测试封装的等已经成为产业发展的制约因素。
3、我国半导体技术现状
我国半导体技术发展的总体水平还处于幼年期，产业链不配套、不完善，如制造与设计、封装测试产业发展水平不平衡，规模相互不平衡等矛盾突出；技术水准低，如制造业70％以上的公司还停留在0.35微米及以上的制程工艺，设计业规模小、产值小，封装测试还是低水平；研发能力差，缺乏自主知识产权；政策配套，市场化管理等方面也暴露出不少问题。
据当年参加半导体硅片科研攻关的有研硅股公司秦福教授介绍，到目前为止，我国还不能大批量生产8英寸硅片，6英寸硅片的生产尚未普及，而小直径硅片在质量，特别是产品的稳定性方面与国外还有较大的差距。我国硅片的总体水平大约相当于国外上世纪90年代初的水平，产量约占全球总产量的1%。这与我国信息产业在世界市场上所占的比例很不相称。
以龙芯1号，神威1号，方舟1、2号为代表的具有自主知识产权的CPU——“中国芯”的研制成功打破国外的垄断，有了一个良好开端，有人认为“产业化的难度，远比研制国产CPU的过程难！”复旦微电子公司市场部负责人并不掩饰“神威一号”出生后的苦恼。与“神威一号”一样，北京的“龙芯一号”也正在寻找产业化突破。
TD-SCDMA标准是中國人制定而被国际接受的第一项标准，是中国百年电信史上零的突破。使TD-SCDMA尽快实现产业不只是大唐的事，而是关系到整个国家移动通信战略的事。正如专家们指出的，如果TD-SCDMA标准不能够形成产业，那标准就只能是一纸空文。
与美国、日本、韩国以及我国台湾省等国家和地区的半导体产业发达程度相比，我国半导体产业可算是处在萌芽阶段。就IC产值而言， 2000年的产值约89亿美元，与台湾省的200亿美元相距甚远，而台湾只不过是世界四强之末而已。
至于工艺技术及生产规模方面，台湾厂商目前已经大量采用0.15微米工艺，而我国工业技术最为先进的上海华虹NEC也只到0.24微米的阶段，其他许多本土厂商则仍在采用0.6～3微米的制程阶段。
半导体产业包括三大产业群：IC设计公司（Fabless）、加工厂（Foundry）和封装测试厂。其中IC设计以人为主，是脑力密集型的产业；加工厂是资金、技术密集、高进入障碍的产业；下游的封装测试厂相比之下是中等投资密集和风险的产业。而我国的半导体产业大都集中在中、下游的芯片制造阶段。
中芯国际提供的资料显示，从技术含量来讲，国内70％以上的公司还在使用0.35微米及以上的制程工艺，与世界一流的代工厂相差好几个时代。
专利的数量与质量是衡量企业、地区或国家集成电路实力的重要标志。据恒和顿数据科技有限公司提供数据看，在IC领域，中国申请的专利数仅占世界的1.74％。
邹世昌教授认为“由于缺乏自主知识产权，没有独立下单投片的能力，所以只能接别人的设计和订单代为加工。”造成国内生产线上80％产品出口的原因是集成电路设计水平落后。当然，有些人认为我国的进出口管理上，特别是出口退税政策方面的漏洞也是造成芯片的两个80%现象（国产芯片80%出口，市场上80%芯片以来进口）的重要原因，恐怕也有一定道理。
清华大学微电子所的张洵博士指出：“我国的 IC设计不仅水平不够，在数量上也绝对满足不了需求。”
发达国家半导体发展的趋势是把芯片制造转移到国外，本国内的IC设计公司大量增加。如美国，从1990到2000年的10年间，IC设计公司增加了将近10倍，营业额的年增长率是半导体工业的3倍。这种由于市场经济利益驱动而形成的规律对于这样处于萌芽状态的我国半导体产业是有一定借鉴作用。
国内在集成电路生产方面差距不仅在工艺技术水平上，还在于难于获得规模经济带来的成本优势，以及缺乏大生产所需的管理能力和经验。对于国际流行的晶圆代工（Foundry）这种商业模式，国内集成电路制造业所拥有的运作经验就更少了。
我国在“十五”期间仍将大规模硅生产线的建设列为半导体业发展的重要内容，具体目标如下：建设3～4条6英寸生产线，扩大市场试销对路产品的生产能力；建设4～5条8英寸芯片生产线，形成0.35～0.18微米技术产品的生产加工能力；建设1～2条12英寸芯片生产线，形成0.18～0.13微米技术产品的生产能力。
4、半导体技术发展的特点
（1）高投入、高技术、技术更新周期短
如硅材料工业，是一个资金、技术密集、支撑能力强而自身效益不甚高的产业。对此上海晶华的技术顾问李积和教授指出它目前呈现出，硅片生产厂商所承受的价格压力大，硅片工业在生产与市场方面已经形成垄断以及IC用主流硅片制造正从8 英寸向12英寸过渡等几大特点。
半导体技术的发展速度快，按照摩尔定律的规律，技术更新迅速， “一代产品，一代设备，一代工艺，一代材料”节奏加快，往往形成一代技术刚开始普及就有新一代产品诞生，新一代技术更新旧技术被淘汰，特别是旧设备的巨额投资还未收回，就变成一堆废铁。
（2）综合性强
半导体技术涉及到基础学科到技术层次的广泛领域，不仅前道微细加工技术是核心技术，就是其周边的支撑技术包括超净，超纯，超微细，超精度等内容亦涉及到广泛的技术领域，而且就技术层面上也是互相交错、互相倚赖的。
随着现代微电子技术的飞速发展，各种光电子器件的微型化，对材料的纳米化要求愈加强烈，纳米材料学必将成为最活跃的学科之一。
前端制造进入12吋晶圆0.13微米以下制程，强调高传输速率、低功率、高脚数时，传统封装与测试技术，都必须分别往不同的领域突破，需要不同的技术，因为晶体管数目越多，I／O的脚数越多，传输速度越快，封装走向覆晶（Flip Chip；FC）、系统封装（SIP），测试则是朝向系统芯片（SoC）测试、晶圆级测试。
由于芯片传输速率越快，测试设备的等级就要越高，单位时间所花的测试成本就越高，使得测试成本居高不下，在封装与测试分别在降低成本上接受不同的考验，过去不被重视的后段封装与测试，目前反而成为半导体制程技术发展的瓶颈。测试不再是半导体产业链最末端，半导体产业结构必须将测试部分移至与IC设计端同步，IC在设计阶段就必须把测试问题考虑在内，由此，就产生了可测试化设计（Design For Test，DFT）／内建自我测试（Build in Self-test，BIST）来辅助测试作业。DFT／BIST的功能就是在IC设计端将测试问题考虑进去，才能解决IC制作完成后的测试验证，显示测试在SoC的时代，不是传统制造为导向单纯简单的测试而已，测试含有丰富的知识技术为基础。
（3）高集成、重复使用
大规模硅晶圆生产线的数量和质量，是当今衡量一个国家或地区半导体业发展水平高低的重要指标。尽管目前业内普遍认为，fabless（无生产线）公司的兴起业已成为推动半导体业发展的强劲动力，但我们仍然不能否认大规模生产线的建设对一个国家或地区半导体业整体素质的提升有不可替代的作用。
许居衍院士认为，高密度嵌入设计是IC设计的追求，“在尽可能小的空间、集成尽可能大规模功能”的理想是微电子技术无止境的追逐目标，由此带动了设计、测试、封装的进步，并在工艺协同下，促进了设备、材料、甚至工厂模式的变迁。
他说，从晶体管到IC的转变是个观念上的突破，把电子系统集成到一个芯片上，把IC的单纯硬件设计提升到电子系统的软件与硬件合理分配的决策上来的IS，是观念上又一个突破。IS不仅是微电子技术的下一个发展热点，而且还推动着上述一系列相关技术的发展，又是微电子技术的下一个发展重点。
为了缩短设计周期、减少错误，在以往设计、产品（诸如MPU、MCU、A/D、D/A、MPEG等）基础上形成的知识产权IP（Intellectual Property）逐渐提升为可重复使用、可预测、可嵌入的IP功能块（functional Block），从而引起设计方法学的变革。
IS设计涉及到系统划分、软硬件协同、系统综合和物理设计等多层次的集成，是集成中的集成，既面临设计复杂性（含数模混合，甚至RF），又要处理深亚微米寄生效应，从而给IS芯片的设计和制造带来一系列问题。
经济因素是任何技术赖以发展的动力之一，微细加工快节奏更新所留下的巨大潜力，在带动高密度嵌入电子系统发展的同时，还从“集成方法论” 的高度，横向扩展到机械、光学、生物、化学等领域，促进了诸如微电子机械学、微光电子学、微真空电子学等交叉学科的发展，并因此推动了某些新兴产业群的兴起。
半导体是典型的技术主导型产业。制造技术（工艺）的更新、更高性能的设备研制开发，在这里扮演着技术先导的角色，是微电子技术中的制高点。
5、审视我国半导体技术发展中的风险与机遇
信息产业部电子信息产品管理司郑敏政语重心长的指出，集成电路是一个发展迅速而又竞争激烈的行业，机遇与挑战并存，成绩与困难同在。振兴我国集成电路产业，任重而道远。展望未来，我们充满信心，希望业界全体同仁，继续在各级领导的关心与支持下，努力拼搏，无私奉献，去夺取新的胜利，以回报全社会对我们集成电路事业的厚爱。
（1）高投入和高技术、高风险、高收益和高度国际化
王阳元院士指出，建立芯片生产线至少要有3 个条件：完整的产业链条，丰富的人才资源，密集的客户群体。芯片制造业是一个关乎国家安全的战略产业，是国与国之间的竞争，而非城市之间的竞争。那种一窝蜂式的到处上生产线的“大跃进” 的方式不可取。芯片制造业是半导体投资的热点，芯片生产的高利润吸引着各城市，在我国北京、上海、深圳、广州、青岛、天津、成都、苏州等地均纷纷上马芯片工厂，而且投资额、规模一个比一个大。用上述条件分析之后，他提出只有上海、北京、深圳三地发展芯片生产具备一定条件而且各有千秋，应该优势互补。
据了解，一条芯片生产线投资一般在10亿美元左右，年产值上百亿甚至数百亿元，是个投入高、回报高、风险高的“三高”产业。切忌为高额回报所吸引，不顾自身条件，不懂规避风险，跟风上马，搞“形象工程”和“政绩工程”，其结果难免是“骑虎难下”，劳民伤财、浪费资源。
高强度的“创新竞争”机制下，跟上这一竞争节奏得以生存发展，反之停滞就意味着淘汰出局。只有领先的企业或企业集团是最大的利益获得者，如果跟不上技术发展步伐的后来者就会吞下这个苦果：被淘汰出局！
（2）“爱恨交加”的300mm技术
有人提出：300mm是降低成本的“天使”，还是造成生产过剩的“魔鬼”？
各半导体厂商之所以对300mm晶圆厂趋之若鹜，一个很重要的原因就是300mm晶圆厂可以为他们带来更大的成本优势。TI公司分析，与200mm 晶圆相比，300mm晶圆的有效面积是它的2.4倍，可使生产成本降低约40%，再加上采用特征尺寸更小的工艺，大约能够使成本节省近60%。
300mm晶圆厂毕竟是“富人的游戏”——IBM 在East Fishkill新工厂的造价达到25亿美元，300mm晶圆工艺所涉及的诸如铜互连、低介电材料、单芯片工艺、工业自动化等技术研发所需的投入，运转好一个300mm晶圆厂确非易事。
这是一个很有意思的时刻——半导体技术正在从亚微米向纳米级挺进，许多前所未有的技术门槛需要跨越；半导体市场在经历了历史上最严重的一次衰退之后，已经触底反弹；半导体产业结构调整也进入关键期，众半导体厂商正在实施艰难的转型。历史确实已经将300mm晶圆厂放在了这样一个喧嚣的交叉点上。
最终是否使用300mm技术不是由技术是否可行，而是由市场规律来决定，如果有市场需求而且经济上有利可图，那么“爱恨交加”的交响乐必然要奏响，几家获利、几家倒闭的历史将会再次重演。
（3）“瓶颈问题”
在我国当前IC设计规模和水平已经成为制约IC 行业的瓶径。IC设计则是产业的龙头和灵魂。而IC设计基础薄弱，成了产业的瓶颈。“我们的目的是起一个引导作用，在国家863计划的总体框架下，对一些基地择优扶持，希望‘以点带面’，为国内IC设计产业创造一个好的发展环境。”科技部高新技术与产业化司的张金国对记者说。他相信，这两三个城市应会从上海、深圳、苏州、北京中产生出来。这4个城市同时也在IC制造业最有竞争力城市名单上。
北京大学微电子学研究所所长王阳元教授指出，如果没有20个年产值1亿美元以上的设计公司，IC生产体系就难以支撑起来，没有强大的芯片设计能力，IC产业的区域竞争力就难以形成。随着IC产业的发展，人们对IC设计业在整个产业中的“龙头”地位认识得越来越清楚，也有越来越多的人开始关注IC设计业发展中存在的问题，并寻求解决方案。 “1亿美元”是一个实力问题，也是一个信心问题，在充满发展潜力的IC产业中，这只是一个时间问题。
迈入21世纪，摩尔定律发展的瓶颈竟然是在封装测试上，这是半导体技术发展的历程上所始料未及的。封装与测试的成本相对提高，甚至，传统打金线封装及测试的成本，已经达到芯片总成本的一半。
设备、仪器和材料是集成电路发展的支撑条件，先进制备的关键设备对于我国当前或较长一段时期是半导体技术中的重要“瓶颈”。由于芯片制造的战略地位，一些非商业因素也制约着我国，如美国对销往中国的半导体制造设备，特别是光刻设备与掩膜制版设备还存在限制。台湾当局对台商在祖国大陆建线的商业行为也附加了很多限制条件，并在近期抛出“台湾地区特定高科技人员进入祖国大陆任职许可办法”草案等人为设置的限制。
“十五”期间，国家将重点支持硅材料和光刻机的研制开发工作，组织全国力量联合攻关，以带动8英寸生产线所需主要材料和关键设备的发展，就是为了从战略高度上攻克国外的技术垄断。
（4）协力与宏观协调
由于研发与投资费用越来越高，为分担风险，分享利益，世界上各大公司共同组成国际行业协会，合作进行设备和工艺技术开发。如美国的 SEMATECH，SIA，欧洲的IMEC等。
在九届全国人大五次会议期间，中国科学院院士吴德馨等36位全国人大代表提出了“尽快组建产学研相结合的集成电路研发中心”的议案。该议案认为，目前我国集成电路产业存在的问题是产业规模小和创新能力差，因此在努力扩大产业规模的同时，更应当注意加强技术创新能力，特别是核心技术及产品开发的自主知识产权。该议案认为研发下一代和再下一代的关键、共性技术，支持今后的大发展，针对长远发展的需要进行超前的基础研究和应用技术研究是国家集成电路研发中心的任务。
目前代表我国半导体制造最先进技术的中芯国际,绝大部分芯片产品都出口，出口的芯片中,有相当一部分再加工后,被重新进口，一个圈子绕下来, 利润的大部分留在国外,国内企业得到的只是低廉的浅层技术加工费。
分析造成上述现象的原因有两点：一是，设计与制造不平衡，我国的芯片设计企业，由于缺乏自主知识产权,没有独立下单投片的能力,所以只能接别人的设计和订单代为。
另一个原因是，我国进出口税收的退税政策上存在缺陷，造成国内制造的芯片必须出口而不能够直接内销，国内需要的芯片又必须靠进口的怪现象。
尽管各地为半导体的发展制定了各种优惠政策，但如果税收政策的宏观导向不做调整，最终将极大影响我国半导体产业的发展。
（5）遵循市场规律
吸取我国半导体产业发展中的惨痛历史教训，一些本行业的专家学者根据市场经济规律，提出了不少很好建议。
对于硅产业李积和教授建议，要抓住两头，即一方面高起点投入建立12英寸硅片生产线；另一方面建立一个8英寸回收片(reclaim wafer)工厂。 而8英寸生产线已经没有太大的利润空间了，建立8英寸回收片工厂甚至比建立12英寸生产线更加迫切。
有专家认为，根据我国的国情，应该进入国际二手设备市场，二手设备价格上有很大的优势，但要谨慎对待，避免风险。
在大家争上制造线的今天，河北审时度势看到了半导体设备和材料业广阔的市场，并将其列为发展的重点。用河北省信息产业厅副厅长冯瑞兰的话说，就是“放弃‘中间’做‘两头’，这是我们的优势”。
“中国芯”： “龙芯1号”， “神威1号”，“方舟1、2号”等正在寻找产业化突破，对于“中国芯”而言，找不到产业突破口，就仅仅存在象征意义！
不少专家表示，结成产业联盟，的确是加快产业化的途径，但国产CPU的成长，不能缺少政府的协调与支持。“不要认为向政府寻求支持‘难于开口’，在国外，政府采购同样是培育自己产业的起点！”
由中科院计算所、海尔、长城、中软股份、中科红旗、曙光集团、神州龙芯等国内七大豪门联手发起的“龙芯联盟”正式成立，旨在推进“龙芯CPU”产业化进程，并打造自主IT产业链的联盟。龙芯的产业化、市场化战略如何，能否从英特尔和微软铜墙铁壁般的联盟中杀出一条血路来？
同样，TD-SCDMA标准的产业化，自主知识产权DVD芯片的国产化等同样呼唤中国产业联盟的诞生。“中国政府应该把TD-SCDMA的产业化变成国家行为，利用中国的市场使得中国的技术成为世界的主导技术，这个意义有多大，未来有多美好，怎么强调都不过分。”
如果中国企业不能抓住这次机会，在3G领域就不会有第二次机会了，据芬兰研究机构VTT公司预计，十年内3G移动电话网络就将被5G网络所取代。VTT研究教授Pertti Raatikainen说，2010年以后，一种被称为5G的网络将会使3G变得过时，真是机不可失，时不再来。
（6）人才争夺
有两个不能回避的事实：一是目前国内各大型 IC生产厂家的主要产品都不是国内设计师设计的；二是几乎所有国产大型家用电器的关键芯片，国产手机的核心芯片，国产计算机的主要芯片，大都不是我国设计师设计的。尽管要改变这种局面需要各种条件的配合，但可以肯定的是，迅速培养足够数量和水平的IC设计师是IC产业发展最基本的条件，说到底焦点是争夺人才。
调查显示，到2008年，我国芯片设计工程师的需求量为25万，而目前真正的IC设计师也就不过4000人。
上海华虹总经理闵昊博士认为我国半导体产业缺人才，尤其是产业带头人，这是制约我国半导体产业发展的瓶颈。而上海贝岭公司的王龙兴总工程师认为，目前中国集成电路业人才也多了，一般工艺技术人才并不缺，缺的是高级人才即产业带头人，这批人才需5～8年才会产生一批，目前尚需引进。应用材料中国公司陈荣玲副总经理强调说，上海中芯从海外引进优秀人才这是必须的，相对国内人才支持更重要。现在国内IC工艺工程师相对缺少，确实是个瓶颈。在IC设计行业，目前国内的大部分设计人员属于很基础的层次，主要工作是在前端设计的基础上，而那些能够设计整个IC内部总体结构的前端设计师则非常少。
日本JBCC株式会社代表取缔役社长石黑和义建议，中国IT产业目前应当把工作重点放在培养自己的项目管理经理人才上，提高这些人的项目管理能力；他认为，培养这些高级人才远比培养程序员、系统工程师更加紧迫和重要。
本文摘自《半导体技术》
