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国产半导体材料，能否跑赢国际？

我们作为一家材料公司，经常会被问到这样一个问题——一开始我们做的材料是一个细分领域市场，如果有一天这个细分领域市场达到了发展瓶颈，我们这类公司下一步该怎么走？

2022-04-01 10:30 · 微信公众号：峰瑞资本娄夏冰

从宏观上来看，半导体行业的长势是喜人的。2021 年 10 月，美国半导体产业协会宣布当月全球半导体销售总额为 488 亿美元，较去年 10 月增长 24.0% 。

但对于中国的半导体行业从业者来说，行业的国际性增长无法掩盖他们所遇到的国际供应链“卡脖子”困境。从美国国家人工智能安全委员会（NSCAI）针对中国芯片技术的条约限制，到特朗普政府对中芯国际的明文出口限制，这些动荡无一不在冲击中国半导体产业链。

当上游供应链受到限制，我国半导体从业者们唯有自力更生，“半导体材料的国产替代”开始频频出现在行业讨论当中。但这条“国产替代”的路可不可行，如果可行，又需要怎么做？这恐怕是很多从业者都想搞明白的问题。

不久前，峰瑞资本邀请到了一位半导体材料行业的创业者——源归材料科技的联合创始人娄夏冰，娄夏冰拥有复旦大学理科基地班化学专业理学学士和哈佛大学化学博士学位，曾师从美国两院院士 Roy Gordon 教授。于 2020 年联合创立源归科技后，他就专注于解决半导体纳米薄膜材料的“卡脖子”问题。

他从近年来对半导体材料行业的观察和研究角度出发，与观众探讨了如下话题：

近年来有哪些影响行业的明显节点？

如何解读半导体材料和晶圆制造的关系？

国产半导体材料能否对标或赶超国际水平？

半导体材料公司未来要怎么走？

本期为峰瑞芯片系列第二篇，希望能给你带来一些启发。

01、回顾影响行业的三个里程碑

非常荣幸能有机会和大家聊一聊近期我们行业在国内和国际上都非常有热度的话题。

首先介绍一下我们源归材料科技想做什么，我们想要在我国半导体行业上游的原材料领域研制出国产替代产品。那么这件事到底可不可行，如果可行我们又需要怎么做，就是我今天想跟大家聊的话题。

在开始正式话题之前，我先带大家回顾三个行业相关的新闻。

▍行业逆全球化的趋势

2019 年 7 月，日本对韩国开展实施了严格的半导体出口限制，主要受到限制的半导体上游原材料包括氟聚酰亚胺（用于手机荧幕、 OLED 面板制造）、光刻胶和高纯度氟化氢（用于半导体制造）。且这三种材料因其自身特性很难大量长期储存，这样的上游材料贸易限制对下游国家的行业制造影响巨大。

这一次日对韩的半导体原材料贸易管制让行业意识到了一件事，即原本我们认为，半导体行业是一个通过全世界各国自由相互协助、产业链资源共享以降低成本的行业，但有了这样的贸易争端作为借鉴，每一个企业或者国家都需要未雨绸缪，将供应链安全掌握在自己手里。否则就可能像日韩一样，当和气不再时，上下游地区用卡供应链的方式来互相博弈，给产业带来巨大影响。

这是我个人认为对半导体行业具有里程碑意义的一个重要事件，*次让半导体行业出现了逆全球化的风潮。

▍我国半导体行业受到冲击

第二个新闻和我国产业更为相关。即 2021 年后半年，特朗普政府对我国*进的计算机芯片制造商中芯国际电子设置了新的出口限制，这意味着中芯国际在那之后在美国购买任何设备、原材料都要经过美国商务部的批准，尤其是针对我国冲击芯片*进制程技术的关键设备，例如 EUV 极紫外光刻机。

目前世界*进的ASML EUV 光刻机，大约7nm 之后的光刻工艺都必须用到该级别的光刻机。单台价格大约1.5 亿美元。| EUV lithography systems – Products | ASML

这个贸易限制的实施意味着，中芯国际未来很难在没有国际供应链的情况下冲击芯片先进制程，我国的半导体产业链随之受到威胁。这是行业第二个里程碑式的事件。

▍国产替代争议不断

第三个新闻发生于 2021 年中，当时国内一家上市公司官宣其光刻胶项目通过了晶圆厂的验证。彼时金融行业部分分析师认为这是一个“国产替代”即将进入产业链的重要信号，可解决产业上游供应链被卡的燃眉之急。但半导体行业的一位权威却认为，国产光刻胶在品质提升上还有一段路要走，双方产生了分歧。

我不去评论双方说法，仅从个人角度去解读一下这件事。

首先对于行业来说，研发出光刻胶材料的“国产替代”势在必行，我们必须走出原材料被其他国家卡脖子的困境。

从市场和股市的角度，大家固然希望听到一些行业的新进展和好消息，但这也可能会导致大家过分乐观。从行业技术人员的角度，我们会发现即便材料通过了晶圆厂的验证，也不代表可以立即投入生产线。一线技术人员和非业内人员在这方面的认知可能存在巨大差异。

这种认知差异催生了两种截然不同的观点，一方认为我国包括光刻胶在内的半导体原材料马上就能实现“国产替代”了，甚至很快就能看到 28 纳米、 14 纳米的全·国产芯片投入量产。

一方则认为，我国如今的产业原材料自产现状和美国还有一定差距，就像古希腊哲学家芝诺提出的阿基里斯与乌龟悖论，虽然阿基里斯奔跑速度飞快，乌龟却也在一直向前。因此我们的半导体产业难以完全追上国际*进水平，只能无限逼近。

所以今天我抛出这三则新闻为引，想跟大家系统性地聊一聊，*，国产半导体材料是否能达到或者赶超国际先进水平？第二，如果可以达到甚至赶超，我们又可以抓住哪些机会？第三，作为一家半导体材料公司，我们如何才能做好材料？

02、何为半导体材料？何为光刻技术？

但在开始讨论这些问题前，我想和大家一起思考，“什么是半导体，什么是光刻技术？”

我们先来介绍半导体。曾经课本上对于半导体的定义是“常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料”，我觉得描述很直观，但还不够准确，因为这句定义没有展现出半导体材料最关键的特质。我们界定一种半导体材料是否适合作为原料，往往不在于其导电能力强弱，而在于是否能用一种非常简单或低成本的方式，去大幅度调节其导电能力。

目前市面上几乎所有半导体材料的导电率都有一个非常大的变化范围，在这个范围当中，我们可以通过控制一些外部条件比如说电压来改变其电导率，提高电压让它变得电导率高一些，降低电压让它电导率低一些，就像找到了影响导电性的开关。

基于半导体材料研发的传感器就利用了这个特性，比如像砷化镓作为一种常见半导体材料，经常在传感器领域使用，光照强一点其导电率就高一点，反之则会降低，这样我们就可以由此设计器件的操作过程。能否有效且灵活地在很大范围内改变材料导电率，这我认为是定义半导体材料的核心所在。

此外，许多人提到半导体材料可能只能想起硅、砷化镓这些半导体衬底。但实际上想要将半导体从原材料加工成器件，中间需要用到的材料数量数以千计。在过去几十年间，整个半导体行业的制成精度伴随着摩尔定律一步一步走到现在，如今已经出现了 3 纳米芯片制程技术，随着制程的不断发展其中用到的不同种类的半导体材料也蓬勃发展。

那什么是光刻？我们可以将光刻理解成用光刻机发生的光源，将特定的图案透射到晶圆材料上，以此制作出半导体电路图。

我们观察一下半导体行业不同发展时期所用的光刻机波长，最早期主流光刻机将汞灯也就是水银灯作为光源，产生波长为 436纳米的 G-line 紫外光和 365 纳米的 i-line 紫外光等。1999 年开始出现了准分子激光，如波长 248 纳米的KrF 准分子激光，波长 193 纳米的 ArF 准分子激光，ArF 准分子激光出现的时候，半导体芯片制程精度已经达到了 90 纳米节点。

制程与光刻波长 |源归材料科技

而在之后很长一段时间里，光刻机都没有出现跨越式发展，但芯片制程技术依旧在不断发展，从 90 纳米到 45 纳米、22 纳米，再到 10 纳米，这段时期中，尽管受到了光刻机发展的限制，不能让光源波长进一步变得精细，半导体工艺工程师和材料工程师就通过对光刻胶、镀膜过程以及众多环节工艺的创新，仍然实现了芯片制程的进一步缩小。这既是行业人员努力的见证，也是人类智慧的结晶。

当芯片制程发展到 10 纳米这个节点时，行业对 193 纳米的深紫外光源的潜力挖掘也已经走到了尽头，于是2016 年终于出现了当下时常被议论的 EUV 极紫外光刻机。

从这一年开始，中美贸易争端就拉开了序幕，期间我国向垄断了 EUV 极紫外光刻机全球市场的荷兰 ASML 公司采购设备，但因贸易争端带来的阻挠，导致到目前为止中国大陆没有一台 EUV 极紫外光刻设备，也就意味着我们暂时无法从设备端去突破 10 纳米及以下的芯片制程。

但在我国行业专家譬如中芯国际的梁孟松先生的带领下，即便缺少 EUV 极紫外光刻机，大家也比较有信心通过我们自己的努力，将制程推进到 10 纳米。

03、国产半导体材料是否能达到或者赶超国际先进水平？

接下来正式讨论材料的话题，目前我国半导体材料达到什么水平了呢？

到目前为止，我们基本可以自产 90 纳米节点往上的大部分半导体材料，除了光刻胶。虽然出于品质稳定性等各方面因素考虑，大多数晶圆厂不一定全面采用国产材料，但是我们可以自信地说，如果行业的上游国家彻底断供，咱们国家后备的材料厂商在这些材料领域都是可以基本上实现国产替代的。

90 纳米节点往上的半导体材料涉及哪些产品呢？包括大部分传感器，大部分的功率器件，比如说手机充电头上用的氮化镓器件，或者是新能源车用的碳化硅器件等等，这些器件所用的半导体材料工艺都在 90 纳米以上，目前在这个工艺范围里，除了 KrF 光刻胶以外的半导体材料基本都可以实现国产。

我们公司主要做什么呢？ALD 前驱体，稍后我会展开讲讲，它可以被运用于 45 纳米到最新的 3 纳米之间的芯片制程当中。我们认为这个制程区间是未来咱们国家一定会去突破的，是一个很好的方向。

如果说我们对芯片的整个加工过程进行一个极简处理，只剩下一些主要步骤，这些步骤有点像搭积木，把一个个模块组合排列搭在一起，最终搭出来的积木横截面长这个样子。

图中是苹果的 A4 芯片的横截面，不得不说他很像积木，它是怎么搭出来的？用最通俗的方式来解说这个过程，大概是这样一个流程：

在芯片*层铺一层薄膜→用光刻技术在上面产生一个图样（类似早期照相时的显影环节）→用蚀刻技术把这个图样凿刻固定下来（类似早期照相时的定影环节）→对表面进行打磨抛光→不断重复这个过程直到芯片搭建完毕。

简化的芯片搭建流程

通过横截面我们可以观察到，芯片横截面越往下层宽越小，越往上越粗，也就意味着假如说这个芯片的制程标称是 22 纳米，表示芯片*层用到的是 22 纳米技术，再往上可能就到 90 纳米，再往上甚至能达到好几个微米。也就是说即便是拥有*进芯片制程技术的公司，要用到的设备和材料，也几乎会覆盖核心制程往前各个关键的制程节点。

芯片生产流程涉及到包括薄膜沉积、光刻、刻蚀、化学机械抛光等工艺，对于我国行业现状来说，这些工艺环节用到的每一种设备和材料，里面都包含着新的创业机会，因为有“国产替代”的需求在。

首先在薄膜沉积领域，行业会用到物理气相沉积（ PVD ）、化学气相沉积（ CVD ）和原子层沉积（ ALD ）等工艺，其中原子层沉积就是我们公司主要研究的方向。

这些不同的沉积设备用到的材料包括特种气体、前驱体、靶材等等，目前国内已经有很多在 CVD 用到的特种气体研发方面有所成绩的公司。ALD 工艺需要用前驱体，这就是我们公司的主要产品，而金属靶材就是 PVD 需要用到的，现在国产化也已经做的不错了。

光刻用到的设备首先是光刻机，在光刻机最新设备方面目前我们国内还暂时没有和国际同步。11 月份有传闻称上海微电子的 28 纳米光刻机，准确名称应该是可以被用于 28 纳米芯片制造的光刻机，没有通过 02 专项*的国家验收，这对行业人士来说是一个不太好的消息，但我们相信在未来的几年内会有所突破，会为国内芯片制程进入到 28 纳米时代做一个铺垫。

芯片制造流程中，还有一个很重要的设备就是清洗机，清洗机的主要功能就是用清洁溶液将光刻版上残留的光刻胶、灰尘等清洗干净，这类设备的国产化做得也相当不错，据前瞻产业研究院数据显示，我国半导体清洗设备的国产化率已经超过了 20% ，远超半导体设备的平均国产化水平。

此外，对于芯片制造最重要的光刻胶材料也是当下行业市场的主要热点之一，光刻胶质量与成品的良品率、器件性能有着直接关联。目前光刻胶的国产化还在进行当中，先前有企业捷报说其国家 02 专项 ArF 光刻胶项目已经通过验收，这种光刻胶可被用于 90 纳米－14 纳米甚至 7纳米技术节点的集成电路制造工艺，但距离实现量产应用还有一定的路要走。

光刻还有一个重要的材料叫掩膜版，主要用于在材料上制作并精准定位各种功能图形，目前国产化的进度还没有清洁机这么高，但也在稳步前进。

掩膜版示意图 |中国科学技术大学微纳研究与制造中心

蚀刻这个步骤特别像雕刻，类似于人们刻石碑的时候，在石碑表面糊一层纸，沿着纸上设计的轮廓一点点凿刻，而那张纸就是光刻胶在待加工基片上形成的掩膜，蚀刻机就像凿子一样一点点沿着掩膜图案雕刻材料。蚀刻需要用到特种气体，我们国家这方面的工艺在 90 纳米以上的制程领域已经做得相当不错了，当下也处于寻求突破的阶段。

最后一个步骤是化学机械抛光，很像是木匠做工的抛光环节，目的是为了让晶圆的表面平坦化，方便下一轮光刻的开始。抛光过程中，需要加一点抛光液作为磨料，还需要用到抛光垫（就像砂纸）。目前咱们国产的抛光设备还需要寻求更高的精度，而抛光垫和抛光液这两个领域的国产化却进展的非常快，国内厂商正在快速崛起。

从晶圆制作的流程介绍里我们不难感受到，材料和设备通常是有紧密联系的，想做某个材料就需要有相应的设备做验证，材料跟设备又同时服务于工艺。这个很像过去 20 年间我们经常提到的 Wintel 生态，即 Windows 操作系统的每次更新，都需要 Intel 同步去提升 CPU 的性能，Intel 提升了它这一代制成工艺，进一步也催生了新一代的芯片设计架构，并不断进行这样的正向循环，这个过程也被叫做 Tick - Tock。

这和我们行业的运作逻辑非常相似，行业研发新一代工艺时，都会对设备和材料提出新的需求，设备商、材料商等就要对工艺或者材料的品种进行提升。拿芯片制程来说，比如 22 纳米的晶圆需要演进到 14 纳米，那么芯片*下工艺最精细的那一层所要用到的设备一定需要升级，所要用到的材料也一定需要升级，但是上面这些层通常会继续沿用先前的材料和设备，也就是说行业新一代工艺的研发虽然伴随设备和材料的升级，但这个演进通常只表现在晶圆*层的制造。

那么聊回本环节的主要话题，我国的半导体行业究竟能否达到或赶超国际水平？我认为非常有希望。

一方面是因为有需求，并且这个需求在不断扩大。2021 年 8 月，美国半导体产业协会( SIA )公布了全球半导体产业当月数据，咱们国家销售额全球占比 34.4% ，是芯片*消费大国，比去年同比增长 30.4% ，如此庞大的消费需求，会不断刺激本土生产力的发展。

国际半导体和材料行业协会 SEMI 在 2021 年 Q2 发布过一个行业预测，预计在未来一年中，大陆和台湾地区将会建造超过全球半数的高产量晶圆厂，这也意味着也许未来 10 年间我们的生产力有望占据全球半数及以上的半导体总产量。在这样的需求的刺激之下，原来行业依赖的国外上游供应商会迎来越来越多的国产替代。

国产晶圆厂的数量正在快速增长

根据 SEMI 发布的数据，目前我国大陆半导体材料的需求量占到了全球将近 20% 的份额，这个份额中包含各个细分品类比如光刻胶、研磨液等等。并且从数据来看，这个比例从 2016 年开始几乎一直在持续增加。

接下来想从我个人的看法出发，就半导体制程中常用的一些材料，和大家讨论下它们未来可能的发展方向。

首先衬底所用到的材料如硅或砷化镓等，这些材料的演进方向相当的明确——纯度会越来越高。拿硅来说， 8 英寸及以下的硅片和硅基产品需要的硅的纯净度可能大概是小数点后 7 个 9 或者 8 个 9 ，也被叫作 7N ，8N ，但先进硅片工艺制备及 12 英寸的硅片就要求 11N 甚至 12N 的超纯多晶硅。芯片的尺寸在越来越大，从原先的 4 寸渐渐到了 12 寸，其材料精度要求也会越来越高。

这两年行业内还有一个材料新趋势，伴随着新的投资热潮发展——第三代半导体，比如碳化硅和氮化镓，相较原先的材料导电率更高或者耐用程度更高，物理特性更为优秀。这也是我们观察到的材料端的一个发展趋势。

而靶材和特种气体这类材料可以更新的维度就比较小，基本上就是提升纯度，每一代制程演进都需要更高纯度的产品。这类材料在演进的时候更新产品品种的情况很少。

再说说我们公司专注的 ALD 前驱体领域，ALD 沉积工艺比起 CVD 和 PVD 沉积工艺来说，成膜时具有更好的均匀性和台阶覆盖能力，更适合大容量存储器的制造，而 ALD 前驱体是这项沉积工艺的材料基础。

未来前驱体材料除了纯度要求会越来越高以外，还有另外两个非常重要的演进维度，一是会随着制程工艺的演进催生新品种，比如原来需要用铝，演进后变成铜，或者原来需要用金属钛，现在换成金属钽，这就会导致我们这类供应商必须像新药研发机构一样，不断开发新的产品类型。

这里衍生一个题外话，通常每一个新的产品类型都可以申请 20 年的发明专利期，专利期可以保障时效内的丰厚利润。但是目前咱们国内在 ALD 前驱体材料研发方面还处于追赶国际的状态，实现批量化国产的材料大多可能都已经过了专利保护期。这是目前的一个行业状态。

另外一个演进方向和 ALD 公认的发展瓶颈有关，ALD 沉积技术的短板之一就是它的生长速率比较低，和其他薄膜制备技术相比，ALD 技术的优势明显，如制备薄膜的结合强度更好，成分均匀性更好等等，这也使其逐渐成为薄膜制备的主流方法，但研究也发现，目前的 ALD 技术通常每层操作只能完成单个原子层 15% - 50% 左右的沉积，沉积速率远小于理论预期。如何提高 ALD 沉积的生长速率？这需要材料商和设备商联手去解决。

04、半导体材料公司下一步怎么走？

我们不妨观察一下半导体材料领域的龙头企业们的发展路径。

比如光刻胶领域的龙头 JSR ，前身是官民合资的日式企业，一开始主营合成橡胶、合成树脂，后来以高分子研发能力为基础平台，扩展到了光刻胶材料领域，因为光刻胶本质上也是一种高分子产品。所以说它的发展路径是以高分子为平台来拓展的。

JSR 官网

而靶材领域的公司本质上就是在做金属，他们的演进方向主要是不断提高金属的纯度。比如日矿金属最早期做的是特种钢材，后来在特种钢的冶炼基础上，他们开始进入到电镀材料领域，而后再进入到了靶材领域，本质上依旧围绕金属提纯发展。

德国默克公司的半导体事业部最早的研发工艺是针对液晶材料，然后拓展到了 OLED 材料，再拓展到了 ALD 前驱体材料研发，我认为默克的逻辑是以小分子化学作为研发平台，在半导体材料行业内进行拓展。

再比如信越化学相对来说就没有那么明显的平台特征，它最早期主要做硅片衬底，后续开始做光刻胶，我认为它是以半导体的产业链作为它的扩张方式，先扩展到半导体产业内，再利用它的供应链的优势逐步拓展到半导体产业其他的上游原材料当中去。

信越化学官网产品展示 |ShinetsuOfficial

所以半导体材料研发能够怎么演进？这是我特别想和各位探讨的问题。在过去差不多 10 年间，我们观察到在医药领域已经有了不少成功的研发进程，比如 AI 制药已经开始对新药的研发产生可观的助力作用。以小分子化药物研发流程来说，研发人员需要先选择和确定药物的作用靶标是哪一个蛋白或核酸，再根据靶标的空间结构来设计或合成先导化合物，最后再去筛选出*解，进入临床开发，AI 制药可以大大提升各个流程的效率。

那么我们能不能使用类似的逻辑来加速半导体材料研发呢？在我看来，现在我们的计算工具已经具备了对单分子材料进行计算模拟的能力，这其中就包括 OLED 的发光分子，以及我们公司专注的 ALD 前驱体材料。如果各位小伙伴或者各位投资人朋友有这样的资源，我们希望深入探讨下行业存不存在这样的机会。

目前就我观察到的情况来说，还没有比较可行的能够帮助材料研发的计算机模拟方式。比如说光刻胶，我们希望去模拟光刻胶分子在环节中发生的变化，像是光刻胶分子接受光之后会发生什么样的变化，能不能发生互联，当发生了互联之后，用清洗液洗掉光刻胶时，其边界能否保持清晰等等，这些跟工艺相关的部分目前我们还没有能够得到非常好的计算模拟。这可能也是未来的一个技术发展方向，但是我们认为它非常非常具有挑战。

最后来说一说我们公司做的事情，刚才提到了我们公司短期内就是希望实现我们晶圆制造当中上游所需要的 ALD 的前驱体材料，这个材料现在还没有国产，属于卡脖子的关键性材料之一。长期我们刚才提到了，作为一家材料公司，我们怎么样去发展突破自己一开始的细分市场，我们认为我们可以建立一个以高纯金属有机化合物研发技术和生产能力为主的平台，逐渐拓展到包括显示新能源，比如锂电池和光伏领域，他们都用到了跟 ALD 前驱体非常类似的材料，以及催化方法等。

最后稍微介绍一下我们公司专注的 ALD 沉积技术，我打个比方，ALD 沉积很像用透明胶带去粘沙子，你再怎么往胶带上叠沙子，胶带上都只能粘附一层，想在一层胶带上多粘一点沙子的话，我们可以往胶带上再刷一层胶水，就可以再粘一层沙子。

ALD 沉积非常像这个过程，不过它是将物质以单原子膜的形式，一层一层镀在基底表面，先通入*种前驱体分子，在基底吸附饱和了之后，将多余的反应物和副产物用惰性气体清洗掉，再通入第二种共反应物分子，它会跟饱和吸附的*层分子在基底表面反应掉，接下来再清洗掉多余的分子，不停循环这个过程，基底的原子膜就会像沙子一样越粘越厚。

这个技术有一个好处，由于前驱体和共反应物的化学反应存在限制性，因此不管基片表面有多复杂，孔道有多深，通过 ALD 沉积工艺镀出来的膜厚度都非常均匀，并且有很好的保形性。这个特性十分重要，因为随着半导体技术的演进，晶圆的表面变得越来越复杂，比如我们的手机跟计算机硬盘中会用到的 NAND 闪存架构，它的结构里出现了非常高深宽比的孔洞，孔洞的侧面还要再挖个槽，在这种情况下我们想要在其中镀出均匀的薄膜，就只能用 ALD 沉积技术来实现。包括很多内存条结构当中也出现了非常大深宽比的结构，需要使用 ALD 技术来镀膜。