书名：“芯”制造——集成电路制造技术链
ISBN：978-7-115-65446-5
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编 著 赵巍胜 王新河 林晓阳 等
责任编辑 贺瑞君
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本书立足集成电路制造业，以全方位视角，按产业链上游、中游、下游逐级剖析，采用分形理论框架，系统地绘制出集成电路制造业的立体知识树。在内容组织方面，本书以实际应用为导向，涵盖集成电路设计、生产制造及封装测试三大关键环节，聚焦芯片的尖端制造技术和先进封装技术，以分形逻辑详细介绍产业链的每一个环节。
本书共 12 章。第 1 章为绪论，简要介绍集成电路制造技术的发展历程，集成电路制造业的概况、产业链结构与特点，以及发展趋势。第 2 章～第 10 章深入探讨先进制造的工艺与设备，首先具体介绍芯片制造的单项工艺、关键材料、系统工艺，以及芯片设计与工艺的协同优化，随后详细介绍光刻机、沉积与刻蚀设备、化学机械抛光，以及其他关键工艺设备与工艺量检测设备。第 11 章、第12章分别介绍芯片封装与测试，以及先进封装与集成芯片制造技术。
本书可供集成电路、微电子、电子科学与技术等相关专业的研究生和高年级本科生学习，也可供相关专业高校教师和集成电路行业的研究人员、工程师等阅读。
随着信息化时代的飞速发展，集成电路制造业已成为推动现代科技创新的基础性产业，并作为重要引擎加速着正蓬勃兴起的人工智能科技革命进程。集成电路制造业是技术和人才高度密集的产业，因此，持续学习能力和创新能力成为构建产业核心竞争力的关键因素。
近年来，随着国内集成电路产业体系的快速发展，特别是“集成电路科学与工程”作为一级学科的确立，该领域的知识内涵得到了极大的丰富。然而，在学科和课程建设过程中，我们发现传统的专业体系在适应产业需求方面存在不足，原有学科间的融合也有待加强。为此，本书结合集成电路制造技术和产业特性，致力于构建一个全面、系统的集成电路制造技术知识体系，旨在培养具有跨学科视野的专业人才，以更好地满足产业发展的需要。
本书以集成电路制造业的前沿技术为核心，以全产业链为主线，深入介绍从上游到下游的各个环节，并进一步细化这些环节。本书聚焦基础问题与核心技术，打破学科界限，强调软件与硬件的融合，整合多学科知识，并梳理产业结构，绘制出涵盖集成电路制造及其相关服务的完整技术图谱。本书整体结构和内容要点如图1所示。
图1 本书整体结构和内容要点
本书的特色在于将学术知识与产业实践紧密结合，采用“以线为链、分形推进”的编写方法，从具体应用出发，逐步深入集成电路制造的各个环节并剖析其上下游关联，最终构建集成电路制造业的全景图。这种方式既能保证内容的深度，又能兼顾知识的广度，可以帮助读者深入理解集成电路制造的完整流程，从而开拓产业视野，避免单一视角的认知局限。希望本书能促进学术界与产业界的深度融合，缩短理论研究与实际应用的距离，并对培养更多集成电路产业的高素质专业人才有所帮助。
在阅读本书时，请注意以下3点。
（1）综合运用：建议查阅相关资料，并与实际相结合进行学习，以便更直观地理解复杂的概念和技术细节。
（2）批判思维：在吸收知识的同时，有意识地培养独立思考的能力，批判性地看待集成电路技术的发展趋势。
（3）持续更新：集成电路是一个快速发展的领域，建议定期查阅最新的研究成果和技术进展，以保持知识的时效性。
本书由赵巍胜领衔，王新河、林晓阳、常晓阳负责章节组织和统稿。第1章由常晓阳、王新河共同撰写，第2章由张慧、史可文、郑东尧、肖洢柟共同撰写，第3章由张婕、杨光共同撰写，第4章由彭守仲、芦家琪共同撰写，第5章由伍连博、王雪岩、潘彪共同撰写，第6章由郑翔宇撰写，第7章由林晓阳、常晓阳共同撰写，第8章由李栋撰写，第9章由黄阳棋、于跃东共同撰写，第10章由王新河、赖剑春共同撰写，第11章由常晓阳、王新河共同撰写，第12章由李栋撰写。在编写本书的过程中，我们得到了多位行业专家的支持与指导。在此，向所有支持本书编写的同仁表示衷心感谢！
由于水平及时间所限，书中难免存在不足之处，恳请读者指正。
编者
21世纪以来，新一轮科技革命和产业变革正在成为现实，以云计算、大数据、人工智能（Artificial Intelligence，AI）、物联网（Internet of Things，IoT）为核心的新一代信息技术与传统制造业、服务业相互融合的步伐加快，正在引发国际产业分工大调整，重塑竞争格局，改变国家力量对比。集成电路技术自20世纪60年代发端以来，一直是新一代信息技术最基础、最关键的核心技术，也是国际科技产业竞争的焦点。集成电路制造则是微纳世界的宏大工程，是人类科技的前沿代表。本章将引导读者立足产业角度，了解集成电路制造业的过去、现在和未来，讨论集成电路制造业的特点、技术链及发展趋势等。希望本章能够帮助读者体会到集成电路制造业的产业链之广、之深，以及其蓬勃发展带给人类的影响。
| 知识要点 |
能力要求 |
|---|---|
| 集成电路制造业体系 |
了解集成电路的发展历程 |
| 集成电路制造业的总体情况 |
熟悉行业的基本情况 |
| 集成电路制造业的结构与特点 |
了解集成电路制造业的基本结构和发展特点 |
| 集成电路制造业的发展趋势 |
了解集成电路制造业近年来的发展趋势 |
集成电路技术自1958年诞生以来，已有60多年的发展历程。在当今信息化社会中，集成电路技术无疑是最重要的基础支撑。集成电路技术是如何由开始的不成熟，一步一步发展为今天高科技皇冠上的技术明珠？本节将从材料、设备、工艺器件、产业应用等方面，一步步讲述60多年来集成电路的发展。
集成电路技术的发展从半导体材料的发现和研究开始，正是这些发现和研究打开了信息社会的大门。
1833年，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）在测试硫化银（Ag2S）特性时，发现了硫化银的电阻随着温度的上升而降低的特异现象（表现出负温度系数的特性），这是人类发现的半导体的第一个特征。
1839年，法国科学家埃德蒙·贝克雷尔（Edmond Becquerel）发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，简称光伏效应。这是人类发现的半导体的第二个特征。
1873年，英国的威洛比·史密斯（Willoughby Smith）发现硒（Se）晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是人类发现的半导体的第三个特征。
1874年，德国物理学家费迪南德·布劳恩（Ferdinand Braun）观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关：在某些硫化物两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电。这就是半导体的整流效应，这是人类发现的半导体的第四个特征。同年，出生在德国的英国物理学家亚瑟·舒斯特（Arthur Schuster）又发现了铜（Cu）与氧化铜（CuO）的整流效应。
虽然半导体的这4个特征在1880年以前就先后被科学家发现，但半导体这个名词大概到了1911年才被科尼斯伯格（J. Konigsberger）和维斯（I. Weiss）首次使用。后来，关于半导体的整流理论、能带理论、势垒理论才在众多科学家的努力下逐步完善。
1947年，美国贝尔实验室全面总结了半导体材料的上述4个特征。在1880—1947年这长达67年的时间里，由于半导体材料难以被提纯到理想的程度，因此半导体材料研究和应用进程非常缓慢。此后，四价元素锗（Ge）和硅（Si）成为科学家最关注并大力研究的半导体材料，而在肖克莱（W. Shockley）发明锗晶体管的数年后，人们发现硅（Si）更加适合生产晶体管。此后，硅成为应用最广泛的半导体材料，并一直延续至今。这也是美国加利福尼亚州北部成为硅工业中心后，被称为“硅谷”的原因。
1904年，英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）发明了世界上第一个电子管，它是一个真空二极管。
1906年，美国工程师李·德·福雷斯特（Lee de Forest）在弗莱明真空二极管的基础上多加入了一个栅极，发明了另一种电子管。它是一个真空三极管，使得电子管在检波和整流功能之外，还具有了放大和振荡功能。
1947 年，美国贝尔实验室的巴丁（J. Bardeen）、布拉顿（W. Brattain）、肖克莱（W. Shockley）三人发明了点触型晶体管，这是一个NPN锗（Ge）晶体管。他们三人因此项发明获得了1956年诺贝尔物理学奖。
1950年，在蒂尔（G. K. Teal）和利特尔（J. B. Little）研究成功生长大单晶Ge的工艺后，威廉·肖克利（W. Shockley）于1950年4月制成第一个双极结型晶体管——PN结型晶体管。现在的晶体管，大部分仍是这种PN结型晶体管。
1952年，实用的结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）被制造出来。JFET是一种用电场效应来控制电流的晶体管。到了1960年，有人提出用二氧化硅（SiO2）改善双极性晶体管的性能，就此金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）场效应晶体管诞生。艾塔拉（M. Atalla）也被认为是MOS场效应晶体管（MOSFET）的发明人之一。
晶体管的发明是微电子技术发展历程中的一个里程碑。晶体管的发明使人类步入了飞速发展的电子信息时代。到目前为止，它的应用已长达70多年。
1958年，美国德州仪器（TI）的杰克·基尔比（Jack Kilby）与美国仙童半导体（Fairchild Semiconducotor）的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）间隔数月分别发明了集成电路，成为世界微电子学发展的开端。诺伊斯是在基尔比发明的基础上，发明了可商业生产的集成电路，使半导体产业由“发明时代”进入了“商用时代”。基尔比因为发明集成电路（见图 1.1） 于 2000 年获得了诺贝尔物理学奖。诺伊斯是仙童半导体（1957 年成立）和英特尔（Intel）（1968 年成立）的创办人之一。他是伟大的科学家，是集成电路发展过程中的重要人物，于 1990 年去世，未能在2000年与基尔比分享当年的诺贝尔物理学奖。但是，他们都被誉为“集成电路之父”。
图1.1 杰克·基尔比发明的第一块集成电路
1962年，美国无线电公司（Radio Corporation of America，RCA）的史蒂文·霍夫施泰因（Steven Hofstein）、弗雷德里克·海曼（Frederic Heiman）研制出了可批量生产的MOSFET，并实验性地将16个MOSFET集成到了一个芯片上，这是全球第一个真正意义上的MOS集成电路。
1963年，仙童半导体的弗兰克·万拉斯（Frank M. Wanlass）和萨支唐（C. T. Sah）首次提出了CMOS电路技术。他们把NMOS和PMOS连接成互补结构：两种极性的MOSFET一关一开，几乎没有静态电流，适合逻辑电路。1963年6月，万拉斯为CMOS申请了专利，但是几天之后，他就离开了仙童半导体。首款CMOS电路芯片是由RCA研制。CMOS电路技术为大规模集成电路的发展奠定了坚实基础。
1964年，Intel创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出了著名的摩尔定律（Moore’s Law）。该定律预测了集成电路技术的发展趋势：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数量每隔18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。后来50多年集成电路技术的发展证明了摩尔定律基本上还是准确的。
1966年，RCA研制出CMOS集成电路和第一块50门的门阵列集成电路。
1967年，美国应用材料（Applied Materials，AMAT）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司之一。
1967年，贝尔实验室的江大原（Dawon Kahng）和施敏（Simon Sze）博士共同发明了非挥发存储器。这是一种浮栅MOSFET，是可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（Electrically EPROM，EEPROM）、闪速存储器（Flash Memory，简称闪存、Flash）的基础。
1968年，IBM的罗伯特·登纳德（Robert H. Dennard）发明了单晶体管动态随机存取存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）。
1971年，Intel推出全球第一款微处理器芯片——Intel 4004，如图1.2所示。它是一款4位的中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）芯片，采用MOS工艺制造，集成了2250个晶体管。这是集成电路技术发展过程中的一个里程碑。
图1.2 Intel 4004 CPU芯片的显微照片
1976年，16kbit DRAM和4kbit静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）问世。
1978年，Intel发布了新款16位微处理器——Intel 8086，开创了x86架构计算机时代。x86架构既是一种不断扩充和完善的CPU指令集，也是一种CPU芯片内部架构，还是一套个人计算机（Personal Computer，PC）的行业标准。
1980年，日本东芝（Toshiba）的舛岡富士雄（Fujio Muoka）发明了NOR闪速存储器（NOR Flash Memory），简称NOR闪存（NOR Flash）。1987年，他又发明了NAND闪速存储器（NAND Flash Memory），简称NAND闪存（NAND Flash）。
1981年，IBM推出了全球第一台PC。这台PC采用了Intel 8088，主频为4.77MHz，操作系统采用了微软（Microsoft）公司的MS-DOS。IBM PC的研制项目主管是唐·埃斯特利奇（Don Estridge），他被誉为“IBM PC之父”。
从IBM PC开始，PC真正走进了人们的工作和生活，它标志着计算机应用普及时代的开始，也标志着PC消费驱动集成电路技术创新和产业发展时代的开启。也是在1981年，256kbit DRAM和64kbit CMOS SRAM问世。
1985年，微软推出了Windows操作系统。
1989年，Intel推出了Intel 80486微处理器。1Mbit DRAM进入市场。
1992年，64Mbit DRAM正式问世。
1993年，Intel推出奔腾CPU芯片，标志着计算机的“奔腾”时代到来。
1997年，IBM开发出芯片铜互连技术。
1999年，胡正明教授成功开发出鳍式场效晶体管（FinFET）技术。他被誉为3D晶体管之父。当晶体管的尺寸小于25nm时，传统的平面晶体管尺寸已经无法缩小，FinFET的出现将晶体管立体化，晶体管密度才能进一步加大，让摩尔定律在今天延续传奇。
2000年，Intel开始推出奔腾Ⅳ系列CPU。
2006年，Intel酷睿CPU时代来临，多核心CPU步入发展的快车道。
2007年，苹果（Apple）推出iPhone手机，树立了智能手机的样板。从此之后，智能手机都以平板+触屏的面貌出现。它促进了移动智能终端（包括智能电话、平板电脑等）的普及，对移动互联网产业发展起到重要的促进作用。之后，移动互联网逐步替代桌面互联网，成为驱动集成电路产业发展的主要力量。
1991年，ARM于英国剑桥成立，这是移动互联网时代的伟大公司。
1993年，IBM推出了全球第一款触屏手机——IBM Simon，它是一款单色的笔触式触屏智能手机，被公认为全球首款触屏智能手机。
1999年，摩托罗拉（Motorola）推出了智能手机A6188。它是一部触屏手机，并且是第一部可中文手写识别输入的智能手机。
2003年，安迪·鲁宾（Andy Rubin）等人创建了安卓（Android）公司，并组建了Android团队。
2005年，Intel放弃了手机业务，后来发现自己丢掉了一个移动互联网的时代。
2005年，联发科（MTK）抓住了手机业务的机会，赶上了移动互联网时代的快车。
2007年11月，谷歌（Google）向外界展示了名为Android的操作系统。同时，谷歌宣布建立一个全球性的手机生态联盟，该联盟由34家集成电路制造商、手机制造商、软件开发商、电信运营商共同组成。谷歌还与84家硬件厂商、软件厂商及电信营运商一起组成了开放的手持设备联盟，来共同研发和改良Android系统。谷歌的开源操作系统Android与苹果的封闭操作系统iOS形成了移动互联网时代的操作系统双雄——苹果系和安卓系。
2007年至今，移动互联网推动集成电路技术飞速发展。在这期间，新技术发明和创新层出不穷，最引人瞩目的是摩尔定律的延续，工艺节点从45nm一路发展到3nm（见图1.3），而最让世人惊叹的光刻机从深紫外（Deep Ultraviolet，DUV）走向了极紫外（Extreme Ultraviolet，EUV）。
未来已来，AI预训练大模型、具身智能、AI+医疗/制造/驾驶/教育等应用的快速发展，显著推动了半导体行业的市场需求与技术迭代。英伟达、高通、华为、Intel、三星、台积电、阿斯麦（ASML）等公司仍在不断续写着半导体行业的传奇，新技术、新发明也正引领这个时代走向未来。
图1.3 集成电路工艺节点的发展
全球集成电路产业链主要包括以下环节：EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）/IPC（Intellectual Property Core，知识产权核）、集成电路设计、半导体制造设备和材料，以及制造［细分为前道（晶圆制造）、后道（封装与测试）］。
根据国际半导体设备与材料产业协会（Semiconductor Equipment and Materials International，SEMI，现称国际半导体产业协会）的数据，总部设在美国的企业在集成电路设计、EDA/IPC方面处于领先地位；美国、欧洲、日本的企业在设备领域领先；日本、韩国等国家与地区的企业在半导体材料方面占比较高；韩国京畿道、庆尚北道等地区，以及中国台湾的企业在先进芯片制造领域领先，几乎占据了全部先进的逻辑芯片产量，中国大陆的企业则在晶圆制造领域不断发力；封装与测试主要集中于中国台湾的企业。整体价值方面，美国因在设计和设备方面的优势，占有38%的份额；欧洲、日本、韩国各占约11%的份额；中国约占22%的份额，其中大陆与台湾地区各占约11%。
笼统而言，芯片有三十多种，但产业界一般分为三大类别：逻辑芯片、存储芯片、DAO [Discrete、Analog and Others，代表分立器件、模拟器件及其他器件（如光电器件和传感器）]。狭义的集成电路包括逻辑芯片和存储芯片，不包括集成度相对不那么高的DAO。因而，尽管人们将“芯片”作为“集成电路”的通俗称呼，实际上“芯片”的概念比狭义的“集成电路”更广泛。在本书中，“芯片”和“集成电路”这两个称呼都会使用，其中“集成电路”特指逻辑芯片和（或）存储芯片。此外，由于行业习惯，人们通常用芯片中最核心的材料“半导体”来指代芯片（如“半导体产业”就是指“芯片产业”，“半导体设备”就是指用来制造芯片的设备），本书会根据具体场景采用不同的称呼。
逻辑芯片是处理“0”和“1”的数字芯片，是所有设备计算和处理功能的构建模块，约占整个半导体价值链的30%。逻辑芯片类别主要包括：微处理器[如CPU、图形处理单元（Graphics Processing Unit，GPU）和应用处理器（Application Processor，AP）]、微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、通用逻辑器件[如现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）]，以及连接器件（如Wi-Fi和蓝牙芯片）。
存储芯片用来存储数据和代码信息，主要有DRAM和NAND Flash两大类，约占整个半导体价值链的9%。DRAM只能暂时存储数据和程序代码信息，存储容量一般比较大；NAND Flash即便掉电也可以长期保存数据和代码，手机中的SD卡和PC中的固态硬盘（Solid State Disk，SSD）都使用这类存储芯片。
DAO约占整个半导体价值链的17%。DAO包含的器件种类较多，如二极管、三极管等分立器件；电源管理芯片、信号链和射频（Radio Frequency，RF）器件等模拟器件。其他类别的器件虽然占比不高，但也不可忽视（计算机和电子设备缺少一个器件就无法工作）。例如，传感器在新兴的物联网应用中越来越重要，光电器件在虚拟现实（Virtual Reality，VR）应用中必不可少。
根据SEMI的数据，全球集成电路产业总体销售额按照应用划分如下：智能手机占26%，消费电子占10%，PC占19%，信息与通信技术（Information and Communication Technology，ICT）基础设备占24%，工业控制占12%，汽车占10%，如图1.4所示。不同类别的芯片在不同的应用场景中占比有所不同，例如DAO在智能手机和消费电子中的价值占比约为1/3，而在工业和汽车应用领域中的价值占比则高达60%。以上占比情况，将会随着生成式人工智能、自动驾驶汽车等新兴技术的快速发展而产生巨大的变化。
图1.4 全球集成电路产业按应用划分的销售额占比（2019年）
从全球竞争格局的角度看，集成电路产业的头部效应比较明显，少数代表性企业占据了市场的主导地位。当前，全球集成电路市场主要被美国、韩国、日本等国家与地区的企业占据。
在集成电路工艺代工方面，台积电以超过 60%的市场份额稳居龙头地位，特别在先进制程方面的份额不断扩大。在集成电路设备方面，以高端光刻机市场为例，目前ASML一家独大，掌握着EUV光刻机100%的市场份额，而单台EUV光刻机的平均售价就超过9.5亿元人民币。在光刻机前三大厂商[ASML、尼康（Nikon）、佳能（Canon）]中，ASML独占约80%的市场份额，其中EUV光刻机营收占据了该公司整体收入的近一半。在全球半导体材料领域，日本半导体企业占据绝对的优势，在芯片生产过程所需的19种必要半导体材料中，日本企业在14种材料的市场份额都处于行业领先。以光刻胶材料为例，以住友化学工业株式会社（简称住友）为代表的日本企业拿下全球72%的光刻胶市场。对于封装环节所需的半导体材料，日本企业的垄断更加严重。例如塑料板、陶瓷板、焊线及封装材料等，日本企业均占据80%以上的市场份额。
集成电路制造产业链的结构与发展趋势是上下游耦合性越来越强。集成电路作为半导体产业的核心，由于其技术复杂性，产业结构高度专业化。随着产业规模的迅速扩张，产业竞争加剧，分工模式进一步细化。目前，市场产业链可以分为IC设计、IC制造和IC封装测试3个主要板块。随着技术的不断发展，以芯粒（Chiplet）为代表的先进封装技术越来越受到关注，将IC设计、IC制造和IC封装测试的关系绑定得更加紧密，新技术的发展趋势将头部的设计企业、制造厂商，以及后端封测厂商更加紧密地耦合在一起，为后摩尔时代的技术发展提供了更多可能。
集成电路作为信息产业基石，对整个信息社会的方方面面都具有巨大的推动作用。如图 1.5 所示，整个集成电路制造及信息产业链的结构如同倒金字塔，底部每年约1600亿美元产值的集成电路（设备及材料）产业，支撑了每年超过5000亿美元产值的半导体产业和几万亿美元的电子系统产业，最终支撑了几十万亿美元的软件、网络、电商及大数据应用等信息产业。虽然集成电路产业的体量相对不大，但它有成百上千倍的放大作用。集成电路产业具有“一代设备、一代工艺和一代产品”的行业特点。若没有持续发展的集成电路设备，就没有不断迭代的制造工艺，也就没有越来越先进的芯片，信息时代的繁荣更是无从谈起。
图1.5 集成电路制造及信息产业链的倒金字塔结构
1965年，当摩尔发表他的“摩尔定律”时，芯片是在1.25in（约30mm）的晶圆上制造出来的。半个世纪以来，芯片制造商一直遵循摩尔定律的节奏开发和制造芯片，在这个过程中将更多功能集成到单个芯片上，从而推动了计算机、智能手机和其他电子产品的发展和普及。
从发展进程来看，集成电路产业在全球范围完成了两次明显的产业转移，目前正处于第三次产业转移。
第一次产业转移是美国的装配产业向日本转移。在20世纪80年代，美国将技术含量、利润较低的封装测试部门剥离，将测试工厂转移至日本等其他国家和地区。
第二次产业转移是日本的集成电路制造业向韩国京畿道、庆尚北道等地区，以及中国台湾地区转移。20世纪90年代，日本难以继续满足 DRAM 技术升级和晶圆厂建设的资金需求，韩国企业趁机确立了市场中的存储芯片霸主地位。同时，中国台湾企业利用代工厂（Foundry）优势逐步取代IDM（Integrated Device Manufacture）模式。由于越来越明确的产业链分工，OSAT（封装和测试的外包）也逐渐出现。
第三次产业转移是韩国京畿道、庆尚北道等地区，以及中国台湾地区的集成电路制造业向中国大陆转移。经过2008—2012年的低谷后，全球半导体行业规模在2013年开始复苏。由于国产化需求上升和下游消费电子设备需求的增长，我国已成为世界第一大半导体消费市场。
在第三次产业转移中，我国的封装产业正在蓄力发展。受下游需求旺盛影响，封装厂的产能利用率保持高位，出现产能供不应求的情况，盈利能力明显提升。我国政府高度重视，发布了促进集成电路产业和软件产业高质量发展的政策，全面优化完善高质量发展芯片和集成电路产业的有关政策。
随着时间的推移，芯片制造商开始转向更大的晶圆尺寸，因为更大的晶圆单次流片可以切割出更多的裸芯片（晶圆上的单个芯片单元，又称裸片、裸Die），从而可以降低单芯片成本。从2000年开始，芯片制造商开始从200mm（8in）晶圆升级到现在的300mm（12in）晶圆。最初，建造200mm晶圆厂的成本为7亿～13亿美元，而建造300mm晶圆厂的成本约为20亿美元。与此同时，以台积电为首的晶圆代工厂模式开始引起产业界的重视，他们不设计和销售自己的芯片，而专门为外部客户提供芯片制造服务。许多芯片制造商不再能够和愿意负担开发新工艺和建造先进晶圆厂的费用，于是选择了fab-lite模式，即将部分芯片制造外包给晶圆代工厂，而高通、英伟达和Xilinx等采用Fabless（无晶圆厂）模式的设计公司则乘着代工的“东风”快速发展，成长为比IDM厂商更有竞争力的芯片供应商。
随着代工的兴起，晶圆制造开始从美国和欧洲向亚洲转移。根据半导体行业协会（Semiconductor Industry Association，SIA）与波士顿咨询公司（BCG）的报告统计，中国台湾企业现已成为全球晶圆制造产能的领头羊，2020年占有22%的份额，其次是韩国企业（21%）、日本企业（15%）、中国大陆企业（15%）、美国企业（12%）和欧洲企业（9%）。
另外，通过对半导体IDM企业和Fabless企业的分析可知，美国半导体IDM企业、Fabless企业的半导体总销售额仍处于全球领先位置。图1.6所示为2021年全球IDM企业和Fabless企业的半导体销售份额对比。图中，半导体市场总份额是按公司总部所在地划分的半导体市场的全球总份额（该数据不包括纯代工厂）。
图1.6 IDM企业和Fabless企业的半导体销售份额对比（数据来源：SIA，2021年）
2021年，美国企业占据了全球半导体市场销售总额（IDM企业和Fabless企业销售额的总和）的54%，其次是韩国企业占据22%的份额。中国台湾地区的半导体企业凭借Fabless企业的良好表现占全球半导体市场销售额的9%，而欧洲企业和日本企业均为6%（中国台湾企业在半导体行业的市场份额于2020年首次超过欧洲企业）。中国大陆企业仅占全球半导体销售的4%。如果对这4%的销售份额进一步细分，中国大陆芯片设计（Fabless）企业的市场销售份额占比为9%，IDM低于1%。
韩国和日本 Fabless 企业的销售份额非常低。总体而言，总部设在美国的公司在IDM、Fabless方面在整体半导体市场的份额表现出了巨大优势。
如图1.7所示，日本企业在1990年占据了全球半导体市场份额的近一半，但1990—2021年，这一份额急剧下降，到2021年仅为6%。虽然欧洲企业的市场份额下降幅度没有日本企业那么大，但2021年欧洲企业在全球半导体市场的份额也只有6%，低于1990年的9%。
图1.7 IDM企业和Fabless企业的发展趋势（数据来源：SIA）
与1990—2021年日本和欧洲企业的半导体市场份额下滑形成对比的是，美国和亚太地区企业的市场份额自1990年以来一直在攀升。亚太地区企业的半导体市场份额从1990年的4%上升到2021年的34%。
随着后摩尔时代的到来，集成电路制造业的发展也面临着前所未有的大变局，新的技术层出不穷，市场对芯片的性能要求也越来越高，未来芯片制造业的发展充满着机遇与挑战。本节梳理了未来芯片制造业的发力点，以应对这些挑战。
（1）加快先进制程的发展速度。2022年6月，三星宣布3nm制程芯片已经实现了量产；台积电在2022年第四季度实现了3nm芯片的量产化，并将在2025年末推进2nm芯片的量产，以应对生成式人工智能芯片对算力的迫切需求。在未来，制程更小的芯片还是主流的发展趋势，而且头部晶圆制造厂商已经布局了许多相关技术和专利。截至本书成稿之时，我国在先进制程上还处于追赶状态。中国大陆的晶圆厂商有中芯国际、华润微电子有限公司（简称华润微）、华虹半导体等专业晶圆代工厂商。以中芯国际为代表的国内晶圆厂商已经实现了7nm的量产，正在向更先进的制程寻求突破，但与国际最先进水平仍然存在着代际的差距。
（2）高端集成电路设计和先进封装。随着芯片制程的不断缩小，芯片制造难度在以指数级增长。除了在更小的制程上发力，利用先进封装技术可以在不改变制程的情况下实现芯片性能的提升，因此先进封装成为众多头部厂商争相入场的领域。随着先进封装的发展，整体的芯片制造业都会有重大的变革，设计、工艺、封装流程都会有颠覆性改变，未来的高端芯片设计将有可能向先进封装靠拢。
（3）关键设备和材料。由于半导体产业具有“一代设备、一代工艺和一代产品”的行业特点，高端半导体设备的研制也是芯片制造的风向标，因此在未来，高端半导体设备的研发投入将会持续增加，向着以工艺为基准、多设备互联协作的方向发展。在半导体材料方面，随着工艺的发展，相应的材料也会跟进。
（4）宽禁带半导体。宽禁带半导体在未来的半导体产业中有着不可或缺的地位，在高速通信、功率器件制造、下游工控、新能源车、光伏风电等领域都具有广泛的应用前景。未来，宽禁带半导体制造设备、器件设计等领域都将会迎来蓬勃发展的时期。
（5）半导体技术与AI技术共生。半导体工艺的演进，直接推动了计算能力的指数级增长，专用人工智能芯片、高带宽内存、存算一体等技术的突破，为人工智能的快速发展提供了硬件基础，而人工智能反过来加速了芯片的设计与良率的优化，两者的深度融合将推动半导体与AI的共生与创新的螺旋式发展。
