常凯院士：我国半导体芯片制造底层技术短板待补

导读：在半导体芯片制造产业链中，中国目前在某些材料环节上具有局部优势。但芯片制造的过程涉及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长期处于产业链的中低端，因此需要夯实底层技术，加快发展步伐。

文 ｜ 常凯（中国科学院院士、中国科学院半导体研究所研究员）

过去两百多年间，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3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，人工智能、移动通信、云计算、互联网、智能网联汽车等都离不开它。它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中，中国目前在某些材料环节上具有局部优势。但芯片制造的过程涉及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长期处于产业链的中低端，因此需要夯实底层技术，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5500多亿美元，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。硅材料在自然界储量丰富，每公斤地球物质含有300毫克硅材料，其含量在地球中位列第二，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到十万分之一，且提取困难。

中国在锗和镓材料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，影响半导体芯片、二极管、功率器件等的制备，锗则主要用于光纤通信领域。镓和锗都是从铝矿和锌矿的废渣里提炼出来的，生产过程会消耗大量电能，不过中国有强大的电力系统作支撑。

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（纯度至少要到0.999999）才能用来制造半导体芯片。基于产业界和科学界70多年的努力，现在硅元素提纯率可达到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，但其均匀性有待提高。

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中，过去我国产业较多分布于封装、测试等产业链下游领域，对技术难度更高的设备、晶圆制造等产业链上游和核心涉及较少。例如，光刻设备、高纯度光刻胶、电子特气等的制造能力有很大的提升空间，微纳级先进芯片技术发展速度仍未跟上产业需求。

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，但它们在新能源汽车中已经不再那么重要，电动机、电池和自动驾驶成为关键支撑技术。

2022年，中国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，但我们也要看到背后的问题和隐患所在——车载芯片。汽车芯片按功能分为主控芯片、模拟芯片、功率芯片以及存储芯片。

目前，即便是传统油车，每辆车也会使用600块到1000块芯片。每辆新能源汽车则要用1000块到2000块芯片，占整个汽车成本的40%。而当前我国大部分汽车所使用的芯片仍要从国外大量进口。因此，尽早实现高水平科技自立自强，是中国新能源汽车企业十分迫切的需求。

现在，国家高度重视上述现象，近几年一些国内公司也在加速发展。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。