《国产化半导体材料的趋势、挑战与机遇》

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  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2019-03-11
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    江苏奥首光电材料有限公司CEO 侯军

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    各位朋友大家下午好,很荣幸大家坐在这里分享一下。半导体材料目前在国内的一些情况,今天上午我们听了很多关于半导体产业发展,包括各个制造企业目前一些情况。其实,就像我们一个家庭现在有了很好的房子、建了很好的厨房,但没有食材很难享受烂漫晚餐,材料要成芯片,相当于材料是芯片的原材料。今天想从几个方面,一个是目前半导体材料的一个发展情况,同时分享一下我们公司在国产化的工作。

    这部分上午讲的比较多及电子信息产业发展,芯片是整个核心,未来我们5G也好,还是智能制造,还是无人驾驶、物联网都离不开芯片。中国目前已经成为世界上最大的一个电子信息市场,数据都很详尽,整个2017年增长连续增长20%多,整个在今年增长也是在接近20%,所以说从这样一个趋势来看及中国未来还是世界上最大的单一半导体市场。

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    但是,中国的市场很大,但芯片自给率不到10%,我们芯片的进口率超过了石油。我们看看半导体材料的情况,从硅晶圆等等,这是芯片最大众的材料,而目前来看主要还是在国外,包括比如说硅晶圆主要是日本,占了世界上70%这样一个市场份额。所以实际上我们国内建了很多超硅、核晶都在开展这方面的工作。靶材也是,所有这些材料我们目前来看,日本、美国和德国这是为主的国家企业都占材料领域90%,我们中国在这些材料领域不到10%。当然这就给我们应该来讲创造了很大的空间,未来我们可以在中国的土地上要做的工作是有很多的。

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    对于整个在半导体晶圆制造过程,相应的咱们看一看一个份额,就是每个环节。我们看大硅片是最主要,再就是掩膜板、电子气体、CMP材料等等,可以看到在台湾需求最大,我们中国接下来所有这些晶圆厂投厂、封装厂的扩大,相继在未来中国材料需求应该是会很大。这是这几年一个统计,这个数据来自于半导体协会的数据,可以看到每一年中国在材料的需求增长都非常快,今年前三季度生产基本上达到20%,有的甚至到30%、40%。在封装材料也是一样,尤其像这些材料。

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    在国产化情况是什么样子,我们现在整个大类的材料,这是一个联盟统计的一个数据,关于我们的材料无潺潺化率,光刻胶也就4.8%,研磨材料目前是8.3%,对于电子气体国内做的最好,国产化率达到25%;工业化学品高度化学试剂目前在国内有突破;还有一类在半导体领域里面可能会被大家极力忽视叫:特种功能精细化学品,目前国内这个国产化率0.5%,所以从这些材料咱们可以看的到,我们国家和世界上像日本、德国、美国这些企业差距是巨大的。差距很大,同样说明机会也会很大,这就给我们国内想要从事这个领域的企业也好,包括各个政府都要去发展这个产业是很好的时机。这么多产业建设,五年以后、三年以后投产,这些材料不能国产化供应,那这些利润还是被国外拿走,目前这块应该还是很大的机遇,但这块确实难度很大,跟我们产业结构,早期中国这些材料都在做,主要做粗放式的材料,对于这一类型都是精细化类型的这些材料,这确实是我们国家最大的盈利。我们有统计吗?中国目前在精细化学品材料,整个大的国家,整个40%左右占有率。像美国、日本、韩国、德国这些国家,这些精细化学品率达到70%、80%,这个是我们国家未来大的发展方向巨大的空间,这个空间很大,但是不局限于半导体,还有其他行业领域。

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    这是简单点跟大家分享材料现状,我们公司成立的时候一直做国产化这方面工作,这几年也做了一些尝试,下面向大家做一个简单的汇报。我们主要是立足于做特种功能精细化学品,面对一个是半导体材料,还有一块是航空航天的材料,另外就是液晶面板、显示面板材料,实际上这块应该来讲90%都是在从国外进口,我们现在做的就是整个有相应的从原料、配方、核心的工艺制备做一块整体工作,我们定位叫芯航工,芯片就是芯片、航就是航空,工就是高端装备特种化学品,我们分析国外杜邦、三菱等等,基本上现在咱们可以看到在中国所有这些企业用到的材料,应该都是他们提供的。所以这里面确实是有巨大的空间和机会值得去挖掘。

    我们主要是和咱们国内有唯一一个精细化重点实验室,我们有产学研研发平台,所以这也是始的我们能够快速发展的方面,要做这个领域里面可能给我们带来启示还是要借助外力,这个借好力确实很重要,对于国内目前在好的一些科研机构,他们在理论方面,在基础研发方面,确实有很强的基础,但是怎么样把这样一些基础性成果和市场应用端去联合起来,而真正形成商品,这个可能是需要我们能够掌握切入点,主要通过前期的工作,目前还是做的不错的,所以我想可能未来想要在这个领域做,还是要和国内结合。做材料这个里面的设备是非常关键的,而这个设备投入确实是很大,有的设备一台几百万、上千万设备,一个企业刚刚开始做的真的很难买,除非很大,投个300亿做材料,这个感觉目前做特种化学品材料不现实,所以还是要借助外力、搭好平台,国内一些具有领先研发平台去做,这个会缩短研发周期。

    下面分享几个案例,我们在国产化材料几个案例。在半导体材料主要是从硅片制造、到晶圆、到封装整个产业链里面提供相应的材料,比如硅片切割液、研磨液、清洗液,晶圆制造里面刻蚀业,清洗形成了40多种。简单说一下,我们在研磨这一段,这是在硅片切完以后做研磨,这个市场也很大,但是难度也很高,我们当初研发项目有三个博士,带着五个研究生,五个硕士研发三年,我们通过扎实去做还是把这块攻破了,主要要解决里面很多关键的核心技术问题确实非常难。

    另外,大家在晶圆制造完了以后做切割这块,就是在这块环节,一个是大家知道钻石切,这里面保护晶膜用到特殊的保护液,现在有的地方要加,不加一点点对芯片影响特别大,所以在目前基本会用到。目前基本上这些产品如果熟悉这个环节,国外基本上这个行业被国外垄断,我们现在在替代国外产品。我们当时在做的时候,通过自己设计和制备高功能的活性剂,在切的时候可以快速渗透切片刀和芯片里面,这块几个关键,一个就是对液的悬浮,还有润湿能力有影响。这是切完以后用它和不用它的区别。现在12寸芯片基本在机关切,机关切要涂保护液,这块现在卖的很贵,基本上只有日本企业提供,有的卖到400美金,对我们国内做芯片,做这块成本很大的一个方面,我们现在完全可以去替代的。

    这里简单说一下我们在国产化做的工作,我们也不仅仅局限于这方面。最后跟大家一起探讨的就是,怎么样做好特种功能精细化学品,因为首先要知道特种功能精细化学品和我们大家以前经常听到湿化学品或者电子化学品不太一样的,我们经常可能以前说的湿化学品还是一些酸,溶剂等等这样一些,而真正在很多的半导体制成各个环节,还有特种化学品,这个大部分都是匮乏性产品,应用品种比较多,各个环节比较多,但是量不多但又非常关键。我们人有三高,这类产品四高,技术含量非常高,确实很难做,尤其是核心材料,基本上很多核心材料都是在国外在生产,所以实际上要攻克这一刻除了能够做,把这些材料买回来能够做成自己的产品以外,还应该具备做核心材料的能力,如何制备核心原材料也是考验做这个关键的环节,否则的话还是会被他们卡脖子,这是我们要在做的时候针对性考虑。

    第二个当然性能要求非常高,因为每一点可能影响,有的时候就是一个颗粒影响导致芯片的报废。因为要求高,所以另外一点给大家带来的利润会很高。假如说有的产品能卖到400美金一升,这个里面有很的空间。但是如果没有人替代,所以他卖多少钱你都得买,这就是国内芯片制造大家面临非常大的问题。我们也希望行业内能够有更多的企业、更多的同仁能够共同去发展这样一个行业。整个目前是戳在40多个亿,这是细分的市场,95%都是在被日本等国家垄断,所以应该来讲还是有很大的空间和机会。

    再加上现在大家都知道中美贸易,所以这个时候也是很好的时候,我们感受很深。早期的时候跟客户到芯片去说我们国产化替代材料,基本上芯片厂不会理我们,我们现在很好没有必要去换,而且换一下对他们影响又会很大,所以不太信任你,很多芯片厂实际上对国内材料厂商不太信任的。所以,现在随着中兴事件、中美贸易以后,明显感觉要好了很多,给我们创造比较好的空间,很多企业主动找到我们,说我们能不能合作把这个材料国产化。所以,我想随着我们国家整个产业的发展,还有包括外来的环境应该给我们提供更多的机会。

    怎么做?未来这些产品的趋势会怎么样?我们的看法是第一段5纳米,如果到14纳米对材料的要求又完全不一样,这可能第一方面更高的纯度,第二个就是对工艺定制化,而不是一个产品就能够满足所有芯片制成的工艺,所以需要在定制化、特制化或者说给客户共同去开发,大家合作性去开发适合他的产品,这就要求对企业自主研发领域提出更高;第三个一些原有的材料可能会被替代,所以就要不断的去开发第二代、第三代新的材料去应用到可能在接下来的5纳米、7纳米这些工艺段的产品。这个是对于我们来讲应该也是非常大的挑战。

    最后跟大家分享就是怎么样去做好材料,大家都看到这个市场都很大也很好,利润也很高,很多人都想去做,但实际上芯片也是一样、材料也是一样,真的很难。一个产品导入两年、三年,甚至五年的时间才能导入,这个对企业是不是要有足够的耐心,要有足够的战略定力。你把定位定了要做这个材料,是不是真的有足够能够一直坚持下去。可能做了三年还看不到希望,你的营收怎么保障,所以可能对做这一类型企业来讲我们要去考虑,首先要考虑怎么能养活自己,我在半导体有没有相应的支撑去养活这个企业,有没有足够的现金流支撑做研发,然后去投入,往这个半导体材料去做。这个可能是我们要去更多的做好储备,我们也见到很多,刚开始想要做这个,然后就开始投,投到最后发现不对,做了几年还是不行这个时候开始动摇,所以这个需要足够的战略定力。

    第二个要有耐力,因为这个过程就像爬山一点,一开始爬爬怕到山顶,走到中间的时候很有可能大家都知道大汗淋漓,所以耐力非常重要,而且这是长跑性的,要坚持。如果我们有足够时间的坚持,那么是有可能做成的。当然还有可能政府的支持,因为一个产业链的建成,不仅仅是靠企业,其实像我们做这种功能化学品大家都知道,今年环保抓的非常严,其实这一类型的功能化学品,大家都知道他是没有污染的。但是对于政府而言,现在一听说你是化学品,这个一下子就大了,你这个化学品肯定不能支持,所以这个里面实际上就有很大问题,如果这几年大家都在发展半导体产业,芯片厂在建设,再过几年材料产业由于政策性的限制而不去发展的,这会对我们未来中国十年的发展都会造成伤害,因为材料错过这个时机的话,实际上后面再去补上来很难的,这个里面也有时机的把握,比如说我们现在大家都在半导体产业,这个产业也是大家正在建设,伴随着建设材料都应该建设,而不是材料都建好都稳定再去建材料厂,这个时候驱动力已经不强了。这个里面确实需要政府的支持,当然像我们做企业也很难影响各个地方政府,我们有时候到政府去经常大家提到一块我真的感头疼,政府也知道,知道你的东西是没有环保要求的也可以,但就是国家政策不允许,国家的一刀切导致现在很多,我们身边有很多要去做材料都面临这个问题,所以这个真的需要政府大家共同努力。

    最后更多需要客户支持,因为所有产品能不能用只有客户才有发言权,客户不去实验、不去验证,永远没有机会。所以可能要做好中国整个半导体产业,做好中国芯需要我们材料、装备、行业、客户、芯片制造企业所有整个产业链大家共同的努力才能发展好。所以希望我们以后大家能够共同的合作,共同的去发展我们中国的半导体产业,谢谢大家!

  • 原文来源:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=445324
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    • 编译者:husisi
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    • 12月28日,阿里巴巴达摩院发布2021十大科技趋势,这是达摩院成立三年以来第三次发布年度科技趋势。 2020年是不平凡的一年,经历疫情的洗礼,许多行业重启向上而生的螺旋,但疫情并未阻挡科技前进的脚步,量子计算、基础材料、生物医疗等领域的一系列重大科技突破纷至沓来,后疫情时代,基础技术及科技产业将如何发展,达摩院为科技行业提供了全新预测。 材料是一切科技发展的基础,新材料技术已推动多轮科技革命。然而,受限于成本高昂、生产工艺不成熟等问题,诸多新型材料未能实现大规模应用。达摩院认为,未来几年,以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料将在材料生长、器件制备等技术上实现突破,并应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等新基建场景,大幅降低整体能耗。 新材料的价值远不止提供更优的性能,它还能突破传统材料物理极限,达摩院预测,碳基材料作为制作柔性设备的核心材料,将走出实验室并制备可随意伸缩、弯曲的柔性电子设备,例如用该材料制作的电子皮肤不仅机械特性与真实皮肤相似,还有外界环境感知功能。 过去几年,AI技术润物细无声渗透至传统产业,例如AI走进制造企业,提升质检工作效率。达摩院认为,AI应用于生产环节只是开始,汽车、消费电子、服装、钢铁、化工等信息化基础良好的行业将实现供应链、生产、资产、物流、销售等各环节的全局智能,最终实现生产及运营效率的大幅提升。 在医疗领域,业界公认AI与药物、疫苗研发结合是大势所趋,但用AI研发药物并成功上市的案例极为鲜见。达摩院指出,新型AI算法的迭代及算力突破将解决药物分子靶点确证、药物可成药性等难题,例如在疫苗研发过程中,AI可自动输入有效化合物模型,然后与电脑合成程序产生的数亿种不同的化学化合物对比筛选,最终快速找到疫苗的优质候选化合物。 作为人机交互和人机混合智能未来技术,脑机接口在医疗领域极具研究价值。达摩院在趋势中指出,学术界和工业界正在努力攻克脑信号的采集和处理难题,帮助人类更好地理解大脑工作原理,技术的成熟将加速脑机接口的临床应用,未来将为口不能言、手不能动的患者提供精准康复服务。 科学技术的发展总是在不断发散与收敛的模式中跃迁。去年,达摩院曾预测“云将成为IT技术的创新中心”,时隔一年,云原生成为云计算领域的新变量,达摩院提出,未来芯片、开发平台、应用软件乃至计算机等将诞生于云上,AI、5G、区块链等技术都将以云原生的方式落地,企业获取IT服务的路径再次被缩短。 创新永无终点,但每一次技术创新都必然沿着普惠的既定轨迹前行。达摩院认为,AI、5G、云计算及IoT等数字技术正发生前所未有的化学反应,农业乃至城市都将因此发生新一轮变革。在农业领域,自动监测农作物、精细化育种,农产品物流运输可追溯都将变成现实;城市将拥有一颗超级大脑,感知、通信、决策能力全面提升,为城市提供整体治理能力。 附:达摩院2021十大科技趋势 趋势一、以氮化镓、碳化硅为代表的第三代半导体迎来应用大爆发 以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体,具备耐高温、耐高压、高频率、大功率、抗辐射等优异特性,但受工艺、成本等因素限制,多年来仅限于小范围应用。近年来,随着材料生长、器件制备等技术的不断突破,第三代半导体的性价比优势逐渐显现并正在打开应用市场:SiC元件已用于汽车逆变器,GaN快速充电器也大量上市。未来5年,基于第三代半导体材料的电子器件将广泛应用于5G基站、新能源汽车、特高压、数据中心等场景。 趋势二、后“量子霸权”时代,量子纠错和实用优势成核心命题 2020年为后“量子霸权”元年,世界对量子计算的投入持续上涨,技术和生态蓬勃发展,多个平台异彩缤纷。这一潮流将在2021年继续推高社会的关注和期待,量子计算的研究需要证明自身的实用价值;业界需要聚焦“后霸权”时代的使命:协同创新,解决众多的科学和工程难题,为早日到达量子纠错和实用优势两座里程碑铺路奠基。 趋势三、碳基技术突破加速柔性电子发展 柔性电子是指经扭曲、折叠、拉伸等形状变化后仍保持原有性能的电子设备,可用作可穿戴设备、电子皮肤、柔性显示屏等。柔性电子发展的主要瓶颈在于材料——目前的柔性材料,或者“柔性”不足容易失效,或者电性能远不如“硬质”硅基电子。近年来,碳基材料的技术突破为柔性电子提供了更好的材料选择:碳纳米管这一碳基柔性材料的质量已可满足大规模集成电路的制备要求,且在此材料上制备的电路性能超过同尺寸下的硅基电路;而另一碳基柔性材料石墨烯的大面积制备也已实现。 趋势四、AI提升药物及疫苗研发效率 AI已广泛应用于医疗影像、病历管理等辅助诊断场景,但AI在疫苗研发及药物临床研究的应用依旧处于探索阶段。随着新型AI算法的迭代及算力的突破,AI将有效解决疫苗/药物研发周期长、成本高等难题,例如提升化合物筛选、建立疾病模型、发现新靶点、先导化合物发现及先导药物优化等环节的效率。AI与疫苗、药物临床研究的结合可以减少重复劳动与时间消耗,提升研发效率,极大的推动医疗服务和药物的普惠化。 趋势五、脑机接口帮助人类超越生物学极限 脑机接口是新一代人机交互和人机混合智能的关键核心技术。脑机接口对神经工程的发展起到了重要支撑与推动作用,帮助人类从更高维度空间进一步解析人类大脑的工作原理。脑机接口这一新技术领域探索性的将大脑与外部设备进行通信,并借由脑力意念控制机器。例如在控制机械臂等方面帮助提升应用精度,将为神智清醒,思维健全,但口不能言、手不能动的患者提供精准康复服务。 趋势六、数据处理实现“自治与自我进化” 随着云计算的发展、数据规模持续指数级增长,传统数据处理面临存储成本高、集群管理复杂、计算任务多样性等巨大挑战;面对海量暴增的数据规模以及复杂多元的处理场景,人工管理和系统调优捉襟见肘。因此,通过智能化方法实现数据管理系统的自动优化成为未来数据处理发展的必然选择。人工智能和机器学习手段逐渐被广泛应用于智能化的冷热数据分层、异常检测、智能建模、资源调动、参数调优、压测生成、索引推荐等领域,有效降低数据计算、处理、存储、运维的管理成本,实现数据管理系统的“自治与自我进化”。 趋势七、云原生重塑IT技术体系 在传统IT开发环境里,产品开发上线周期长、研发效能不高,云原生架构充分利用了云计算的分布式、可扩展和灵活的特性,更高效地应用和管理异构硬件和环境下的各类云计算资源,通过方法论工具集、最佳实践和产品技术,开发人员可专注于应用开发过程本身。未来,芯片、开发平台、应用软件乃至计算机等将诞生于云上,可将网络、服务器、操作系统等基础架构层高度抽象化,降低计算成本、提升迭代效率,大幅降低云计算使用门槛、拓展技术应用边界。 趋势八、农业迈入数据智能时代 传统农业产业发展存在土地资源利用率低和从生产到零售链路脱节等瓶颈问题。以物联网、人工智能、云计算等为代表的科学技术正在与农业产业深度融合,打通农业产业的全链路流程。结合新一代传感器技术,农田地面数据信息得以实时获取和感知,并依靠大数据分析与人工智能技术快速处理海量领域农业数据,实现农作物监测、精细化育种和环境资源按需分配。同时,通过5G、物联网、区块链等技术的应用确保农产品物流运输中的可控和可追溯,保障农产品整体供应链流程的安全可靠。农业将告别“靠天”吃饭进入智慧农业时代。 趋势九、工业互联网从单点智能走向全局智能 受实施成本和复杂度较高、供给侧数据难以打通、整体生态不够完善等因素限制,目前的工业智能仍以解决碎片化需求为主。疫情中数字经济所展现出来的韧性让企业更加重视工业智能的价值,加之数字技术的进步普及、新基建的投资拉动,这些因素将共同推动工业智能从单点智能快速跃迁到全局智能,特别是汽车、消费电子、品牌服饰、钢铁、水泥、化工等具备良好信息化基础的制造业,贯穿供应链、生产、资产、物流、销售等各环节在内的企业生产决策闭环的全局智能化应用将大规模涌现。 趋势十、智慧运营中心成为未来城市标配 在过去10年时间里,智慧城市借助数字化手段切实提升了城市治理水平。但在新冠疫情防控中,一些所谓的智慧城市集中暴露问题,特别是由于“重建设轻运营”所导致的业务应用不足。在此背景下,城市管理者希望通过运营中心盘活数据资源、推动治理与服务的全局化、精细化和实时化。而AIoT技术的日渐成熟和普及、空间计算技术的进步,将进一步提升运营中心的智慧化水平,在数字孪生基础上把城市作为统一系统并提供整体智慧治理能力,进而成为未来城市的数字基础设施。