编者按:自1956年中国将半导体作为国家重要的发展领域后,今年是第66个年头。回望66年的发展,从无到有、从小到大,半导体产业经历了风雨坎坷同时又迸发出无限的生机。在中国“十四五”提出数字经济发展规划,瞄准集成电路等战略性领域之际,半导体产业纵横推出“国产化进程”系列专题,讲述当今中国半导体各领域发展进程,解析国产化最新态势。本期为“国产化进程”专题半导体产业链篇第四篇文章:半导体制造

——半导体产业纵横编辑部

 

2015年7月,中国发布《中国制造2025》行动纲领,力争通过“三步走”实现制造强国的战略目标,而这其中半导体产业是该战略的核心产业。根据《中国制造2025》的规划,2020年半导体核心基础零部件、关键基础材料应实现40%的自主保障,2025年要达到70%。

 

截止2021年,中国芯片产能已达到日产10亿颗,自给率已达到36%,这与提出的2025年芯片自给率达到七成相比,已完成了超过一半的目标。

 

在中国制造2025的规划下,半导体制造早已开启新的征程,我国半导体制造现在究竟分量如何呢?

 

中国制造已经崛起

 

在过去的四十多年里,台积电推出Foundry模式的变革,这极大驱动了半导体代工行业的蓬勃发展。自此,全球半导体晶圆制造产能开始从美国和欧洲向亚洲转移,而现在中国台湾已成为全球晶圆制造产能的领导者。

 

在半导体逐渐成为战略资源的条件下,大陆的半导体制造也早已吹响号角。

 

从地区来看,上海、江苏和浙江的长江三角洲地区是国内主要的集成电路生产基地,国内55%的集成电路制造企业都集中在这一地区。

 

从制造工艺上来看,目前国内晶圆制造水平在成熟制程方面为主,中芯国际当前的工艺水平最高可达到14nm,完成了 1 万 5 千片 FinFET 产能目标,但公司主要以生产28nm及以上的芯片为主;华虹半导体也曾在2020年宣布工艺达到14nm,但当时良率仅超过25%。

 

从销售额来看,国内目前集成电路产业中制造业同比增速最快。中国半导体行业协会统计,2021年中国集成电路产业销售额为 10458.3亿元,同比增长18.2%。其中,设计业、制造业、封装测试业销售额同比增长分别为 19.6%、24.1%、10.1%。

 

在半导体设计和制造方面,中国在收购更先进产线方面也摸索出了路子。闻泰科技全资子公司安世半导体收购NWF,NWF拥有有 8 英寸 0.18μm-0.70μm 晶圆代工月产能超过 3.5 万片(最大产能可扩产至 4.4 万片)。

 

大陆建设晶圆厂现状

 

近几年,中国也在加速建设晶圆厂,目前全球芯片制造业中以8英寸、12英寸为主。中国大陆在8英寸晶圆产能上,是占比最高的,2022年预计市场份额达到了21%;其次为日本,占比为16%;至于中国台湾地区与欧洲/中东地区各占15%。

 

而在12英寸晶圆产能上,中国大陆目前也排名第三,仅次于韩国、中国台湾。为补足产能,预计未来五年中国大陆还将新增25座12吋晶圆厂,这些晶圆厂总规划月产能将超过160万片。

 

从增长率来看,中国大陆在12英寸晶圆产能上,是增长最快的,到2024年有望追上中国台湾。截至2026年底,中国12英寸晶圆厂的总月产能将超过276.3万片,相比目前提高165.1%。

 

国内晶圆制造主要以中芯国际、华虹半导体、晶合集成为主要晶圆代工。ICVIEWS将详细展示国内前三晶圆厂目前的产能、产地、未来规划,从国内晶圆制造三巨头细看中国半导体制造发展。

 

中芯国际

 

2021 年 11 月 ,中芯控股(中芯国际的全资子公司)与大基金二期、海临微共同设立中芯东方公司,中芯东方规划建设月产能为 10 万片的 12 英寸晶圆代工生产线项目,聚焦于提供 28 nm及以上技术节点的集成电路晶圆代工与技术服务。

 

2021 年 8 月 ,中芯集电(中芯国际全资子公司)与深圳重投集团签署增资协议,增资款将用于中芯深圳 12 英寸晶圆代工生产线项目(规划产能 4 万片/月)。

 

2022 年初,上海临港新厂破土动工。中芯京城和中芯深圳两个项目稳步推进,预计今年底前投入生产。

 

 

中芯国际目前在上海、北京、天津、深圳建有三座8英寸晶圆厂和三座12英寸晶圆厂;在上海、北京、深圳各有一座12英寸晶圆厂在建中。为了持续推进已有老厂扩建及三个新厂项目,2022年中芯国际资本开支预计约 320.5 亿元。

 

根据中芯国际年报披露,其在2021年销售晶圆的数量为 674.7 万片约当 8 英寸晶圆,晶圆月产能为 62.1 万片约当8英寸晶圆。

 

华虹半导体

 

华虹半导体是中国大陆第二大晶圆代工厂,近日也传来华虹预备登陆科创板的消息。

 

 

华虹半导体在上海金桥和张江建有三座8英寸晶圆厂(华虹一厂、二厂及三厂),月产能约18万片。同时在无锡高新技术产业开发区内有一座月产能4.8万片的 12英寸晶圆厂(华虹七厂),这条产线是全球第一条12英寸功率器件代工生产线。

 

截至2021年底,按照营收计算,2021年华虹半导体母公司华虹集团排名全球第五,中国大陆第二,是国内最大的特色工艺晶圆代工企业。

 

华虹半导体总裁兼执行董事唐均君表示,展望2022年,将加快推进12英寸生产线总产能至94.5K的扩产,预计将于第四季度逐步释放产能。

 

晶合集成

 

晶合集成已成为中国大陆收入第三大、12 英寸晶圆代工产能第三大的纯晶圆代工企业(不含外资控股企业),仅次于中芯国际和华虹半导体[2] 。晶合集成的控股股东为合肥建投,实际控制人则为合肥市国资委。主要从事 12 英寸晶圆代工业务,已实现 150nm 至 90nm 制程节点的量产,正在进行 55nm 的客户产品验证,具备 DDIC(显示驱动芯片)、CIS、MCU、E-Tag、Mini LED 等工艺平台的代工能力

 

2018年-2021年上半年各期营收分别为2.18亿元、5.34亿元、15.12亿元和16.04亿元。产能方面,晶合集成的 N1 厂已经投产,截至 2021 年底,产能已达 10 万片 / 月规模。N2 厂已在 2020 年 8 月开工,预计在 2021 年四季度完成无尘室建设和生产机台入驻,进入量产阶段。

 

被“锁链”困住制造

 

但半导体制造并非只有代工,由于半导体产业链的特性,半导体制造还涉及了半导体生产设备和各种专用材料。因此,想要发展中国半导体制造并非仅仅发展“制造”。

 

距离“高端制造”仍非常远

 

2020年12月,中芯国际遭美国政府列入“实体清单”,根据相关规定,美国半导体设备公司,包括应用材料(Applied Materials)和泛林研发(Lam Research)等,必须先向美国政府取得许可证,才能将半导体设备销售给中芯国际。此外,美国也禁止ASML向中国公司以及在中国建设先进工厂的外资企业(如海力士)出售先进工艺必须的极紫外(EUV)光刻机。

 

带上了“镣铐”的中芯国际,技术进步受到了极大的限制。

 

中国大陆芯片代工行业以中芯国际为其翘楚,当前中芯国际已经拥有生产14nm芯片的技术,但如何进一步生产10nm以下芯片仍是一大问题。

 

除去光刻机外,制造半导体芯片的众多环节都涉及到高精尖的技术,这其中就需要许多半导体制造设备。但中国半导体设备的仍有很长的征程。2020年,中国半导体设备在全球市场占有率为5.2%,在中国大陆市场占有率为7.3%。半导体设备领域,光刻机、离子注入机、刻蚀机均是被“卡脖子”的领域。

 

内资制造企业的增长速度远远低于外资和台资企业

 

叶甜春曾指出,虽然内资企业的制造也在增长,但制造增长速度远远低于外资和台资企业。

 

2021年前11个月,半导体投资案例数量约556起,金额总共超过1400亿人民币。其中,中游半导体制造的投资数量只有两位数。2019年,国内半导体行业中有超过74%的资金都投入到了芯片设计领域,而在2020年上半年,这一比例仍然高达71%。

 

2021年,半导体融资额超过5亿的大项目数量46个,数量上仅占8.6%,但总融资金额达992亿,占据总融资金额的64.6%,龙头效应明显。在龙头企业融资中,2021年只有中芯国际子公司、粤芯半导体等在半导体制造上达成大额融资。在德勤的一份报告中提到,到2020年结束,中国台湾的半导体制造份额在亚太占到59%,中国大陆在亚太的份额只有5%。

 

“十三五”期间制造领域的国内前十大厂商排名为三星中国、英特尔中国、中芯国际、SK海力士中国、上海华虹、台积电大陆、华润微电子、联芯、西安微电子所和武汉新芯等。这其中外资企业的排名更为靠前,作为纯粹内资企业领军的中芯国际也仅仅能排第三。

 

距离2025还剩3年,中国半导体制造何时腾飞?

 

据SIA统计和预测,美国在1990年的晶圆制造产能占全球的37%,现在已经下滑到12%。而同期的中国则一路上升,从1990年接近零到2000年的3%再到现今的16%,到2030年预期将达到24%。

 

鉴于这一严峻的现实,美国政府开始拨款大力支持美国公司和外国企业在美国本土建造晶圆厂。同时,通过技术出口限制等手段遏制中国在晶圆制造方面的增长,特别是14nm以下工艺的生产。而IDC半导体集团副总裁马里奥·莫拉莱斯表示:“在美国和中国大陆的芯片竞赛之中,中国可能落后3到4个世代。”

 

在半导体技术和制程的承压下,28nm成熟制程成为国内晶圆制造的最优选择。国际代工厂巨头之一的格芯在退出高端工艺竞争后,也开始专注于28nm等成熟制程节点。在全球芯片短缺与物联网、汽车电子极高的需求碰撞,常用的MCU、显示驱动 IC(DDIC)、PMIC及功率分立器件等成熟工艺产品短缺十分严重。但在需求增加的情况下,产能并未有所增加。

 

28nm制程所使用的制造工艺以及生产设备,上可以兼容40nm、60nm等更为成熟的制程,下又带来更高、晶体管的速度与更低的能耗。从收益还是供应链匹配的角度来看,完备国产28nm成熟制程刻不容缓,换句话说,中国芯片从此不被卡脖子,选择28nm是战略性的一步。

 

实现科学和前沿技术的自力更生是中国的目标。近年来一如华为、中兴都在关注中国芯片的发展。事实上,中国已经是世界第二大半导体研发支出国,并且正在迅速缩小与美国的差距。2021年,中国在半导体元件领域上共授权专利10057项,比上一年增长12%。截至 2021 年底,中芯国际已累计申请专利 17980 件,累计授权 12467 件。

 

同时,中国也不断推出半导体政策刺激国产半导体发展。作为国内半导体产业中心之一的上海出台一项补贴高达30%的新投资政策。该政策包括提高半导体投资限额,给予半导体相关产业最高30%的补贴,给予半导体软件开发企业最高5000万元人民币补助等。

 

在这样的鼓励和支持之下,2021年中国半导体集成电路(IC)产量将达到3594亿片,比上年增长33.3%,这一增长率是上一年16.2%的两倍多。

 

中国半导体制造未来的路该怎么走?认真、坚持将是真正的诀窍。对于半导体这样需要积累的领域来说,投机取巧并不会带来实质的进步。正如中科院微电子所集成电路先导工艺研发中心首席科学家朱慧珑曾说:“中国半导体要取得进步,要有认真的态度,长期坚持。长期但不认真,产生不了先进;认真但不长期,积累没有价值。”