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 月增进 24.0% 。

但对于中国的半导体行业从业者来说，行业的国际性增进无法掩饰他们所遇到的国际供应链“卡脖子”逆境。从美国国家人工智能平安委员会（NSCAI）针对中国芯片手艺的条约限制，到特朗普政府对中芯国际的明文出口限制，这些动荡无一不在袭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重生，“半导体质料的国产替换”最先一再泛起在行业讨论当中。但这条“国产替换”的路可不能行，若是可行，又需要怎么做？这生怕是许多从业者都想搞明了的问题。

不久前，峰瑞资源约请到了一位半导体质料行业的创业者——源归质料科技的团结首创人娄夏冰，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 年团结确立源归科技后，他就专注于解决半导体纳米薄膜质料的“卡脖子”问题。

他从近年来对半导体质料行业的考察和研究角度出发，与观众探讨了如下话题：

近年来有哪些影响行业的显著节点？

若何解读半导体质料和晶圆制造的关系？

国产半导体质料能否对标或赶超国际水平？

半导体质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、回首影响行业的三个里程碑

异常幸运能有时机和人人聊一聊近期我们行业在海内和国际上都异常有热度的话题。

首先先容一下我们源归质料科技想做什么，我们想要在我国半导体行业上游的原质料领域研制出国产替换产物。那么这件事到底可不能行，若是可行我们又需要怎么做，就是我今天想跟人人聊的话题。

在最先正式话题之前，我先带人人回首三个行业相关的新闻。

▍行业逆全球化的趋势

2019 年 7 月，日本对韩国开展实行了严酷的半导体出口限制，主要受到限制的半导体上游原质料包罗氟聚酰亚胺（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）。且这三种质料因其自身特征很难大量耐久储存，这样的上游质料商业限制对下游国家的行业制造影响伟大。

这一越日对韩的半导体原质料商业管制让行业意识到了一件事，即原本我们以为，半导体行业是一个通过全天下各国自由相互协助、产业链资源共享以降低成本的行业，但有了这样的商业争端作为借鉴，每一个企业或者国家都需要未雨绸缪，将供应链平安掌握在自己手里。否则就可能像日韩一样，当和气不再时，上下游区域用卡供应链的方式来相互博弈，给产业带来伟大影响。

这是我小我私人以为对半导体行业具有里程碑意义的一个主要事宜，第一次让半导体行业泛起了逆全球化的风潮。

▍我国半导体行业受到袭击

第二个新闻和我国产业更为相关。即 2021 年后半年，特朗普政府对我国最先进的盘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置任何装备、原质料都要经由美国商务部的批准，尤其是针对我国袭击芯片最先进制程手艺的要害装备，例如 EUV 极紫外光刻机。

目宿天下最先进的ASML EUV 光刻机，约莫7nm 之后的光刻工艺都必须用到该级其余光刻机。单台价钱约莫1.5 亿美元。| EUV lithography systems – Products | ASML

这个商业限制的实行意味着，中芯国际未来很难在没有国际供应链的情形下袭击芯片先进制程，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宜。

▍国产替换争议不停

第三个新闻发生于 2021 年中，那时海内一家上市公司官宣其光刻胶项目通过了晶圆厂的验证。彼时金融行业部门剖析师以为这是一个“国产替换”即将进入产业链的主要信号，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以为，国产光刻胶在品质提升上另有一段路要走，双方发生了分歧。

我不去谈论双方说法，仅从小我私人角度去解读一下这件事。

首先对于行业来说，研发出光刻胶质料的“国产替换”势在必行，我们必须走出原质料被其他国家卡脖子的逆境。

从市场和股市的角度，人人虽然希望听到一些行业的新希望和洽新闻，但这也可能会导致人人太过乐观。从行业手艺职员的角度，我们会发现即便质料通过了晶圆厂的验证，也不代表可以立刻投入生产线。一线手艺职员和非业内职员在这方面的认知可能存在伟大差异。

这种认知差异催生了两种截然差其余看法，一方以为我国包罗光刻胶在内的半导体原质料马上就能实现“国产替换”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。

一方则以为，我国现在的产业原质料自产现状和美国另有一定差距，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率飞快，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最先进水平，只能无限迫近。

以是今天我抛出这三则新闻为引，想跟人人系统性地聊一聊，第一，国产半导体质料是否能到达或者赶超国际先进水平？第二，若是可以到达甚至赶超，我们又可以捉住哪些时机？第三，作为一家半导体质料公司，我们若何才气做好质料？

 02、作甚半导体质料？作甚光刻手艺？

但在最先讨论这些问题前，我想和人人一起思索，“什么是半导体，什么是光刻手艺？”

我们先来先容半导体。曾经课本上对于半导体的界说是“常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的质料”，我以为形貌很直观，但还不够准确，由于这句界说没有展现出半导体质料最要害的特质。我们界定一种半导体质料是否适互助为质料，往往不在于其导电能力强弱，而在于是否能用一种异常简朴或低成本的方式，去大幅度调治其导电能力。

现在市面上险些所有半导体质料的导电率都有一个异常大的转变局限，在这个局限当中，我们可以通过控制一些外部条件好比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。

基于半导体质料研发的传感器就行使了这个特征，好比像砷化镓作为一种常见半导体质料，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历程。能否有用且天真地在很大局限内改变质料导电率，这我以为是界说半导体质料的焦点所在。

此外，许多人提到半导体质料可能只能想起硅、砷化镓这些半导体衬底。但现实上想要将半导体从原质料加工成器件，中央需要用到的质料数目数以千计。在已往几十年间，整个半导体行业的制成精度随同着摩尔定律一步一步走到现在，现在已经泛起了 3 纳米芯片制程手艺，随着制程的不停生长其中用到的差异种类的半导体质料也蓬勃生长。

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

我们考察一下半导体行业差异生长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，发生波长为 436纳米的 G-line 紫外光和 365 纳米的 i-line 紫外光等。1999 年最先泛起了准分子激光，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 准分子激光泛起的时刻，半导体芯片制程精度已经到达了 90 纳米节点。

制程与光刻波长 |源归质料科技

而在之后很长一段时间里，光刻机都没有泛起跨越式生长，但芯片制程手艺依旧在不停生长，从 90 纳米到 45 纳米、22 纳米，再到 10 纳米，这段时期中，只管受到了光刻机生长的限制，不能让光源波上进一步变得细腻，半导体工艺工程师和质料工程师就通过对光刻胶、镀膜历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。这既是行业职员起劲的见证，也是人类智慧的结晶。

当芯片制程生长到 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终点，于是2016 年终于泛起了当下时常被议论的 EUV 极紫外光刻机。

从这一年最先，中 美商业争端就拉开了序幕，时代我国向垄断了 EUV 极紫外光刻机全球市场的荷兰 ASML 公司采购装备，但因商业争端带来的阻挠，导致到现在为止中国大陆没有一台 EUV 极紫外光刻装备，也就意味着我们暂时无法从装备端去突破 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率领下， 即便缺少 EUV 极紫外光刻机，人人也对照有信心通过我们自己的起劲，将制程推进到 10 纳米。

 03、国产半导体质料是否能到达或者赶超国际先进水平？

接下来正式讨论质料的话题，现在我国半导体质推测达什么水平了呢？

到现在为止，我们基本可以自产 90 纳米节点往上的大部门半导体质料，除了光刻胶。虽然出于品质稳固性等各方面因素思量，大多数晶圆厂纷歧定周全接纳国产质料，然则我们可以自信地说，若是行业的上游国家彻底断供，咱们国家后备的质料厂商在这些质料领域都是可以基本上实现国产替换的。

90 纳米节点往上的半导体质料涉及哪些产物呢？包罗大部门传感器，大部门的功率器件，好比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质料工艺都在 90 纳米以上，现在在这个工艺局限里，除了 KrF 光刻胶以外的半导体质料基本都可以实现国产。

我们公司主要做什么呢？ALD 前驱体，稍后我会睁开讲讲，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。我们以为这个制程区间是未来咱们国家一定会去突破的，是一个很好的偏向。

若是说我们对芯片的整个加工历程举行一个极简处置，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历程，也许是这样一个流程：

在芯片最底层铺一层薄膜→用光刻手艺在上面发生一个图样（类似早期照相时的显影环节）→用蚀刻手艺把这个图样凿刻牢靠下来（类似早期照相时的定影环节）→对外面举行打磨抛光→不停重复这个历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考察到，芯片横截面越往下层宽越小，越往上越粗，也就意味着若是说这个芯片的制程标称是 22 纳米，示意芯片最底层用到的是 22 纳米手艺，再往上可能就到 90 纳米，再往上甚至能到达好几个微米。也就是说即即是拥有最先进芯片制程手艺的公司，要用到的装备和质料，也险些会笼罩焦点制程往前各个要害的制程节点。

芯片生产流程涉及到包罗薄膜沉积、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装备和质料，内里都包罗着新的创业时机，由于有“国产替换”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偏向。

这些差其余沉积装备用到的质料包罗特种气体、前驱体、靶材等等，现在海内已经有许多在 CVD 用到的特种气体研发方面有所成就的公司。ALD 工艺需要用前驱体，这就是我们公司的主要产物，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。

光刻用到的装备首先是光刻机，在光刻机最新装备方面现在我们海内还暂时没有和国际同步。11 月份有听说称上海微电子的 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新闻，但我们信托在未来的几年内会有所突破，会为海内芯片制程进入到 28 纳米时代做一个铺垫。

芯片制造流程中，另有一个很主要的装备就是洗濯机，洗濯机的主要功效就是用清洁溶液将光刻版上残留的光刻胶、灰尘等洗濯清洁，这类装备的国产化做得也相当不错，据前瞻产业研究院数据显示，我国半导体洗濯装备的国产化率已经跨越了 20% ，远超半导体装备的平均国产化水平。

此外，对于芯片制造最主要的光刻胶质料也是当下行业市场的主要热门之一，光刻胶质量与制品的良品率、器件性能有着直接关联。现在光刻胶的国产化还在举行当中，先前有企业喜报说其国家 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纳米手艺节点的集成电路制造工艺，但距离实现量产应用另有一定的路要走。

光刻另有一个主要的质料叫掩膜版，主要用于在质料上制作并精准定位种种功效图形，现在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 |中国科学手艺大学微纳研究与制造中央

蚀刻这个步骤稀奇像镌刻，类似于人们刻石碑的时刻，在石碑外面糊一层纸，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镌刻质料。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，当下也处于追求突破的阶段。

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外面平展化，利便下一轮光刻的最先。抛光历程中，需要加一点抛光液作为磨料，还需要用到抛光垫（就像砂纸）。现在咱们国产的抛光装备还需要追求更高的精度，而抛光垫和抛光液这两个领域的国产化却希望的异常快，海内厂商正在快速崛起。

从晶圆制作的流程先容里我们不难感受到，质料和装备通常是有慎密联系的，想做某个质料就需要有响应的装备做验证，质料跟装备又同时服务于工艺。这个很像已往 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，并不停举行这样的正向循环，这个历程也被叫做 Tick - Tock。

这和我们行业的运作逻辑异常相似，行业研发新一代工艺时，都市对装备和质料提出新的需求，装备商、质料商等就要对工艺或者质料的品种举行提升。拿芯片制程来说，好比 22 纳米的晶圆需要演进到 14 纳米，那么芯片最底下工艺最细腻的那一层所要用到的装备一定需要升级，所要用到的质料也一定需要升级，然则上面这些层通常会继续沿用先前的质料和装备，也就是说行业新一代工艺的研发虽然随同装备和质料的升级，但这个演进通常只显示在晶圆最底层的制造。

那么聊回本环节的主要话题，我国的半导体行业事实能否到达或赶超国际水平？我以为异常有希望。

一方面是由于有需求，而且这个需求在不停扩大。2021 年 8 月，美国半导体产业协会( SIA )宣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% ，是芯片第一消费大国，比去年同比增进 30.4% ，云云重大的消费需求，会不停刺激本土生产力的生长。

国际半导体和质料行业协会 SEMI 在 2021 年 Q2 宣布过一个行业展望，预计在未来一年中，大陆和台湾区域将会制作跨越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有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，原来行业依赖的外洋上游供应商会迎来越来越多的国产替换。

国产晶圆厂的数目正在快速增进

凭证 SEMI 宣布的数据，现在我国大陆半导体质料的需求量占到了全球快要 20% 的份额，这个份额中包罗各个细分品类好比光刻胶、研磨液等等。而且从数据来看，这个比例从 2016 年最先险些一直在连续增添。

接下来想从我小我私人的看法出发，就半导体制程中常用的一些质料，和人人讨论下它们未来可能的生长偏向。

首先衬底所用到的质料如硅或砷化镓等，这些质料的演进偏向相当的明确——纯度会越来越高。拿硅来说， 8 英寸及以下的硅片和硅基产物需要的硅的纯净度可能也许是小数点后 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 寸逐渐到了 12 寸，其质料精度要求也会越来越高。

这两年行业内另有一个质料新趋势，随同着新的投资热潮生长——第三代半导体，好比碳化硅和氮化镓，相较原先的质料导电率更高或者耐用水平更高，物理特征更为优异。这也是我们考察到的质料端的一个生长趋势。

而靶材和特种气体这类质料可以更新的维度就对照小，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物。这类质料在演进的时刻更新产物品种的情形很少。

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，成膜时具有更好的平均性和台阶笼罩能力，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质料基础。

未来前驱体质料除了纯度要求会越来越高以外，另有另外两个异常主要的演进维度，一是会随着制程工艺的演进催生新品种，好比原来需要用铝，演进后酿成铜，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，不停开发新的产物类型。

这里衍生一个题外话，通常每一个新的产物类型都可以申请 20 年的发现专利期，专利期可以保障时效内的丰盛利润。然则现在咱们海内在 ALD 前驱体质料研发方面还处于追赶国际的状态，实现批量化国产的质料大多可能都已经由了专利珍爱期。这是现在的一个行业状态。

另外一个演进偏向和 ALD 公认的生长瓶颈有关，ALD 沉积手艺的短板之一就是它的生长速率对照低，和其他薄膜制备手艺相比，ALD 手艺的优势显著，如制备薄膜的连系强度更好，因素平均性更好等等，这也使其逐渐成为薄膜制备的主流方式，但研究也发现，现在的 ALD 手艺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。若何提高 ALD 沉积的生长速率？这需要质料商和装备商联手去解决。

 04、半导体质料公司下一步怎么走？

我们作为一家质料公司，经常会被问到这样一个问题——一最先我们做的质料是一个细分领域市场，若是有一天这个细分领域市场到达了生长瓶颈，我们这类公司下一步该怎么走？

我们不妨考察一下半导体质料领域的龙头企业们的生长路径。

好比光刻胶领域的龙头 JSR ，前身是官民合资的日式企业，一最先主营合成橡胶、合成树脂，厥后以高分子研发能力为基础平台，扩展到了光刻胶质料领域，由于光刻胶本质上也是一种高分子产物。以是说它的生长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，他们的演进偏向主要是不停提高金属的纯度。好比日矿金属最早期做的是特种钢材，厥后在特种钢的冶炼基础上，他们最先进入到电镀质料领域，尔后再进入到了靶材领域，本质上依旧围绕金属提纯生长。

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质料，然后拓展到了 OLED 质料，再拓展到了 ALD 前驱体质料研发，我以为默克的逻辑是以小分子化学作为研发平台，在半导体质料行业内举行拓展。

再好比信越化学相对来说就没有那么显著的平台特征，它最早期主要做硅片衬底，后续最先做光刻胶，我以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，再行使它的供应链的优势逐步拓展到半导体产业其他的上游原质料当中去。

信越化学官网产物展示 |ShinetsuOfficial

以是半导体质料研发能够怎么演进？这是我稀奇想和列位探讨的问题。在已往差不多 10 年间，我们考察到在医药领域已经有了不少乐成的研发历程，好比 AI 制药已经最先对新药的研发发生可观的助力作用。以小分子化药物研发流程来说，研发职员需要先选择和确定药物的作用靶标是哪一个卵白或核酸，再凭证靶标的空间结构来设计或合成先导化合物，最后再去筛选出最优解，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质料研发呢？在我看来，现在我们的盘算工具已经具备了对单分子质料举行盘算模拟的能力，这其中就包罗 OLED 的发光分子，以及我们公司专注的 ALD 前驱体质料。若是列位小同伴或者列位投资人同伙有这样的资源，我们希望深入探讨下行业存不存在这样的时机。

现在就我考察到的情形来说，还没有对照可行的能够辅助质料研发的盘算机模拟方式。好比说光刻胶，我们希望去模拟光刻胶分子在环节中发生的转变，像是光刻胶分子接受光之后会发生什么样的转变，能不能发生互联，当发生了互联之后，用洗濯液洗掉光刻胶时，其界限能否保持清晰等等，这些跟工艺相关的部门现在我们还没有能够获得异常好的盘算模拟。这可能也是未来的一个手艺生长偏向，然则我们以为它异常异常具有挑战。

最厥后说一说我们公司做的事情，适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 的前驱体质料，这个质料现在还没有国产，属于卡脖子的要害性子料之一。耐久我们适才提到了，作为一家质料公司，我们怎么样去生长突破自己一最先的细分市场，我们以为我们可以确立一个以高纯金属有机化合物研发手艺和生产能力为主的平台，逐渐拓展到包罗显示新能源，好比锂电池和光伏领域，他们都用到了跟 ALD 前驱体异常类似的质料，以及催化方式等。

最后稍微先容一下我们公司专注的 ALD 沉积手艺，我打个譬喻，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 沉积异常像这个历程，不外它是将物质以单原子膜的形式，一层一层镀在基底外面，先通入第一种前驱体分子，在基底吸附饱和了之后，将多余的反映物和副产物用惰性气体洗濯掉，再通入第二种共反映物分子，它会跟饱和吸附的第一层分子在基底外面反映掉，接下来再洗濯掉多余的分子，一直循环这个历程，基底的原子膜就会像沙子一样越粘越厚。

这个手艺有一个利益，由于前驱体和共反映物的化学反映存在限制性，因此不管基片外面有多庞大，孔道有多深，通过 ALD 沉积工艺镀出来的膜厚度都异常平均，而且有很好的保形性。这个特征十分主要，由于随着半导体手艺的演进，晶圆的外面变得越来越庞大，好比我们的手机跟盘算机硬盘中会用到的 NAND 闪存架构，它的结构里泛起了异常高深宽比的孔洞，孔洞的侧面还要再挖个槽，在这种情形下我们想要在其中镀出平均的薄膜，就只能用 ALD 沉积手艺来实现。包罗许多内存条结构当中也泛起了异常大深宽比的结构，需要使用 ALD 手艺来镀膜。

ALD 手艺镀膜效果演示

除此之外，我们公司也正在起劲推进差异领域的 ALD 手艺应用，我们也具备了充实的信心和毅力。

这就是今天我想和人人分享的一些关于国产半导体质料的小我私人感悟，以及源归科技的营业进度，人人有兴趣的话可以一起来讨论一下，谢谢。