芯片为什么会被“卡脖子”？芯片被“卡脖子”可以怎么细分的解读呢？具体为什么会“卡脖子”？文章会把芯片“卡脖子”拆分为芯片制造的几大耗材介绍、耗材世界市场格局分布、耗材行业的进入壁垒等等几个方面，试从细分角度解释为何我国芯片会被“卡脖子”。
一、耗材一衬底（一）基础介绍衬底，即半导体产业链的起点，就晶圆制造环节而言，硅片、碳化硅片等衬底是半导体产业链的起点，也是唯一贯穿各道芯片前道制备工艺的半导体材料，作为芯片的基石其产业地位非常核心。在芯片领域，衬底是半导体制造中的第一大耗材，衬底的尺寸、质量等等直接决定着芯片的价格。其中硅材料是发展最早的晶圆材料，也是现阶段技术最成熟、成本最低、产业链最完善的材料，而对于碳化硅片、砷化镓衬底、氧化镓衬底等等，代表着半导体行业的发展。
衬底的制造技术的重点会因为类别不同而有所不同，文章会对目前市场份额最大和市场热度最火的两种材料举例，分别为硅基、碳化硅基的一些技术指标优劣标准进行说明，比如：表面颗粒、晶体缺陷、表面/体金属含量、翘曲度、平整度、外延层电阻率均匀性、外延层厚度均匀性等参数，具体指标如下：
表一 核心技术指标优劣标准名称含义优劣标准多型面积多型由同种化学成分所构成的晶体，当其晶体结构中的结构单位层相同，但结构单位层之间的堆垛顺序或重复方式不同时，而形成的结构上不同的变体。以生长目标晶型 4H 为例，多型面积是指衬底中多型区域的面积（非 4H 晶型）与衬底总面积的占比，用“%”表示多型面积越小，质量和性能越优
电阻率范围电阻率是材料中平行于电流的电场强度与电流密度之比，用“Ω·cm”表示。电阻率在整个衬底范围内是存在差异的，电阻率范围指整个衬底上测试不同区域时，电阻率最小值到最大值之间的范围。电阻率分布区间范围越窄，电阻率均匀性越高
总厚度变化半导体衬底材料在厚度测量值中，最大厚度与最小厚度的差值总厚度变化值越小，表明衬底厚度越均匀
弯曲度自由无夹持晶片中位面的中心点与中位面基准平面间的偏离指标数值越小表示整体弯曲程度越小，对芯片制造工艺精度的不利影响也越小
翘曲度 指晶片中心面与基准平面之间的最大和最小距离的差值翘曲度数值越低，晶片平面越平整
表面粗糙度指表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度，属于微观几何形状误差表面粗糙度越小，则表面越光滑注：材料来源于天岳先进招股书
（二）世界市场分布对于硅基市场，2018 年全球半导体硅片（包括抛光片、外延片、SOI 硅片）行业销售额合计为 120.98 亿美元。其中，行业前五名企业的市场份额分别为：日本信越化学市场份额27.58%，日本 SUMCO 市场份额 24.33%，德国 Siltronic 市场份额 14.22%，中国台湾环球晶圆市场份额为16.28 %，韩国SK Siltron市场份额占比为10.16%。中国硅基市场占全球半导体硅片市场份额2.18%。具体分布图如下：
图一 硅基市场世界分布注：图片数据来源于个公司官网
对于碳化硅市场，全球第三代化合物半导体产业由美日欧企业主导，中国仍处于跟跑状态。Yole数据显示，住友电工、科锐（Cree|Wolfspeed）和威讯联合半导体（Qorvo）三家企业合计占有氮化镓84%的市场份额。Rohm数据显示，Cree|Wolfspeed、罗姆（ROHM）、高意（II-VI）、昭和电工四家企业合计占有碳化硅衬底80%的市场份额。而且，巨头们正在不断通过扩大产能、合作结盟或兼收并购等方式在第三代半导体市场跑马圈地、加速布局。对于与美国、日本等，中国还存在较大的差距，下图为碳化硅企业的世界市场分布。
图二 碳化硅世界市场分布图注：图片来源于天岳先进招股书
（三）行业壁垒对于硅基、碳化硅等半导体材料的壁垒分析，具体可见：第一，对于生长方法、制作工艺如
直拉单晶生长、磁场直拉单晶生长、热场模拟和设计、大直径硅锭线切割、高精度滚圆、高效低应力线切割、化学腐蚀、双面研磨、边缘研磨、双面抛光、单面抛光、边缘抛光、硅片清洗、外延等硅片、碳化硅基片制造的关键技术需要长期的资金、人财物等积累。第二，制造工艺非常复杂，需要购买先进、昂贵的设备，亦需要根据客户需求不断进行修改或调试。下游客户对硅片需求的变化会影响硅片企业的产能利用率
二、耗材二电子气体
（一）基础介绍无论是任何衬底的生产，特殊气体都是必要的耗材之一。作为仅次于衬底的第二大芯片行业耗材，电子特气被称为半导体产业的“血液”。在芯片制造中，电子气体又可以分为大宗气体和特殊气体两类。
在制造过程中，电子特气贯穿芯片制造的各个工艺流程，被广泛应用于清洗、刻蚀、成膜、掺杂等工艺，决定了芯片产品的性能、集成度、成品率，是不可或缺的关键性化工材料。文章接下来以硅片的工艺为例，展示电子气体的作用。
图三 硅片制造电子气体作用环节图注：来源于中国新材料发展研究协会官网电子特气在生产过程中包含合成、纯化、混合气配置、充装、分析检测、气瓶处理等多项工艺。气体的纯度与精度要求高，另外由于客户的不同需求，对厂商运输配送气体以及综合服务能力也有较高的要求，因此行业技术壁垒高。
（二）世界市场分布部分电子特气已经逐渐
实现国产化，国产企业进入者增多，主要分为三类：一是以华特气体、金宏气体为代表的气体公司，主营业务以工业气体为主，该类公司产品种类较多，纯度较高。二是以雅克科技、南大光电为代表的半导体材料平台型公司，多维布局，两家公司电子特气板块占比分别为16%、72%。雅克科技为国内含氟气体龙头企业，南大光电涵盖含氟、含氢两类，该类公司专注于少量电子特气品类，销售渠道广泛。三是以昊华科技、中船重工第七一八研究所为代表的综合型公司，涵盖多个领域，综合实力较强。 
图三 电子特气市场世界格局分布注：来源于金宏气体招股书
（三）行业壁垒
壁垒一，电子气体生产涉及气体纯化、检测、充装、合成、容器处理、配送等多种技术瓶颈，尤其是深度提纯技术对芯片的成品率、性能和寿命有直接影响。芯片线宽越小，对于电子特气纯度的要求越高，一个级别的提升具有较大难度；客户认证壁垒：电子气体供应商需通过客户审厂、产品认证两轮严格的审核认证（每个产品需要试样、再中试，然后才会大量使用），光伏行业认证时间需要半年到1年，面板行业需要1—2年，半导体行业需要2—3年，纯度要求越高，认证时间越久；
壁垒二，资质壁垒：国家对电子气体行业企业的管理和控制严格，电子特气为工业气体，且部分气体具有易燃易爆、有毒等特性，属于危险化学品，需要取得严格的资质认证如《安全生产许可证》《危险化学品经营许可证》等；渠道壁垒：电子特气整体市场规模较小，且单个客户销售额较小，销售网络铺设需要较长周期；
壁垒三，产品种类繁多：半导体工业中涉及电子气体超过100种，常见的电子气体也超过20种，且不同的客户对产品杂质参数、颗粒物含量等方面有特殊的要求。2018年全球半导体用电子气体市场中，空气化工、普莱克斯、林德集团、液化空气和大阳日酸等五大公司控制着全球90%以上的市场份额，形成寡头垄断的局面。在国内市场，海外几大气体巨头控制了88%的份额，国内生产企业处于“多小散”格局，我国电子气体受制于人的局面十分严重。
三、耗材三光掩模、光刻胶
（一）基础介绍光刻是芯片制造过程中耗时最长、难度最大的工艺之一，耗时占比50%，成本占比33%，其中光掩模材料成本占到半导体芯片总成本的13%左右。光掩模是芯片制造过程中的图形转移工具，由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩模图形，并通过曝光将图形转印到产品基板上，按用途可分为铬版、干版、液体凸版和菲林。光掩模产业链上游主要包括图形设计、光掩模设备及材料行业，中游是光掩模制造，下游则是光掩模在微电子领域的应用。光掩模是下游芯片产品精度和质量的决定因素之一。光掩模主要由基板和遮光膜构成，合成石英基板成本占光掩模材料成本90%以上。基板原材料为玻璃，按材质分为石英基板和苏打基板，其中，石英基板为光掩模市场主流原材料。
光刻机是集精密光学、精密机械、自动化控制和软件工程于一体的系统，它不仅要实现极高的曝光分辨率，而且要具有极高的重复定位精度。先进光刻机也被喻为集成电路装备制造业中“皇冠上的明珠”。无可置疑，目前荷兰ASML（阿斯麦）的光刻机一骑绝尘，领跑全球光刻机市场。从1984年的几乎一无所有，到成长为光刻机界无可争议的领导者，ASML的成功包含了太多太多的故事。这些故事不仅仅包括攻坚克难、解决技术难题，还包括市场运作、与客户携手前进、打造供应链。ASML光刻机的配件供应商遍布全球，许多关键部件（分系统）是由供应商研发制造的，例如，光刻机的镜头（光学系统）是由德国蔡司提供的，光源系统由美国Cymer公司提供（Cymer现已被ASML收购）。ASML自身则专注于光刻机系统的集成和下一代产品的设计。这种利用全球“智”源“为我所用”的模式，对于ASML的成功无疑起到了关键作用。ASML的成功不仅体现在光刻机的研发上，还体现在其产品布局与产业链的整合上。依靠其在光刻机市场上的优势，ASML于2007年全资收购了睿初科技（Brion Technologies），获得了计算光刻软件；于2016年收购了汉民微测科技（Hermes Microvision），获得了先进的晶圆检测技术。
图四 光掩模流程图注：来源于中信证券
光刻胶也是芯片制造的耗材之一，芯片制造工艺中，光刻胶的质量对光刻精度至关重要，为了保证高精度光刻，光刻胶必须满足高分辨度、高敏感度、高对比度等技术指标。光刻胶是指通过紫外光、准分子激光、电子束、离子束、X射线等光源的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀刻材料。由于光刻胶具有光化学敏感性和防腐蚀的保护作用，因此经过曝光、显影、刻蚀等工艺，可以将电路图形从掩模版转移到硅片。光刻胶制造成本低，但是技术壁垒高，难以保存。光刻胶上游为基础化工材料和精细化学品行业，中游为光刻胶制备环节，下游为电子产品应用终端。
光刻工艺中常用曝光光源分别是紫外全谱（300～450nm）、G线（436nm）、I线（365nm）、深紫外（DUV，包括248nm和193nm）和极紫外（EUV-13.4nm），对应于各波长的光刻胶也有所不同。目前主要的光刻胶有G线光刻胶、I线光刻胶、KrF光刻胶和ArF光刻胶四种，详细成分见表11-2。除了高分辨度、高敏感度和高对比度三个硬性指标外，好的光刻胶还必须具有强蚀刻阻抗性、高纯度、低溶解度、高黏附性、小的表面张力、低成本、长寿命周期以及较高的玻璃化转换温度。在EUV技术成熟之前，ArF光刻胶仍将是市场主流。
（二）世界市场分布光刻胶行业被日本和美国公司垄断，日本厂商占主导地位。全品类光刻胶市场中，全球前五大厂商就占据了光刻胶市场87%的份额。其中，日本东京应化、JSR、信越化学、富士胶片四家厂商占据了72%的市场份额。先进的高分辨率KrF和ArF半导体光刻胶已占全球半导体光刻胶的63%，该核心技术亦被日本和美国企业垄断，其中日本厂商占KrF光刻胶的市场份额达到了83%，占ArF光刻胶的市场份额达到了91%。在EUV光刻胶方面，日本公司富士胶片、信越化学、住友化学专利数排名前三位，前十大企业中七席被日本公司占据。日本光刻胶企业在全球光刻胶市场中占据绝对的支配地位。
我国光刻胶市场本土供应量增速高于全球平均水平，发展空间巨大。据智研咨询统计，2019年全球光刻胶市场规模预计近90亿美元，自2010年至2019年年复合增长率约5.4%，预计至2022年全球光刻胶市场规模将超过100亿美元。2019年我国光刻胶市场本土供应量约70亿元，自2011年至2019年年复合增长率达到11%，远高于全球平均5%的增速，但我国光刻胶本土产量仅占全球规模的10%左右，发展空间巨大。
据智研咨询数据，我国本土光刻胶产量从2011年的2.25万吨增长到2018年的4.88万吨，光刻胶需求量从2011年的3.51万吨增长到2018年的8.44万吨，近几年我国本土光刻胶产量保持高速增长，国产化率不断提升，2018年国产化率达到58%。具体世界市场分布如下：
图五 全球光刻胶市场分布图注：图片来源于申港证券研究所
（三）行业壁垒光刻是整个集成电路制造过程中耗时最长、难度最大的工艺，耗时占IC制造50%左右，成本约占IC生产成本的1/3。光刻胶是光刻过程最重要的耗材，光刻胶的质量对光刻工艺有着重要影响。具体流程如下：
图五 光刻流程图注：图片来源于“如何解决卡脖子难题”
壁垒一，光刻胶产品种类多、专用性强，是典型的技术密集型行业。不同用途的光刻胶曝光光源、反应机理、制造工艺、成膜特性、加工图形线路的精度等性能要求不同，导致对于材料的溶解性、耐蚀刻性、感光性能、耐热性等要求不同。因此每一类光刻胶使用的原料在化学结构、性能上都比较特殊，要求使用不同品质等级的光刻胶专用化学品。壁垒二，光刻胶一般由4种成分组成:树脂型聚合物、光活性物质、溶剂和添加剂。树脂是光刻胶中占比最大的组分，构成光刻胶的基本骨架，主要决定曝光后光刻胶的基本性能，包括硬度、柔韧性、附着力、耐腐蚀性、热稳定性等。光活性物质是光刻胶的关键组分，对光刻胶的感光度、分辨率等其决定性作用。
四、耗材四抛光材料
（一）基础介绍 芯片的生产，会因为对不同衬底的工艺制程和技术节点的要求不同，经历多道化学机械抛光工艺步骤。作为工艺中主要的关键耗材，抛光垫和抛光液是半导体制造的刚性需求。抛光垫是输送和容纳抛光液的关键部件，是工艺技术核心；抛光液具有良好的去油污、防锈、清洗和增光性能，是抛光技术中成本最高的部分。其中，最常用的方法就是CMP抛光。高精度晶圆制造对于抛光液的成分与抛光性能要求日趋精密，其产品的品质直接影响到成品晶片的抛光效果，因此对于晶片制造至关重要。抛光材料的上游产业链主要包括抛光垫原材料的供应以及抛光液成分的配比制造，下游则是晶圆制造。
其中，值得介绍的是新型材料碳化硅的抛光工艺，抛光作为SiC晶圆生产链的最后一环，其加工后的晶圆表面质量会直接影响所生产的半导体器件的性能。因此，抛光加工是碳化硅晶圆应用于芯片制造的非常关键的工艺步骤。然而碳化硅具有的极高硬度和很强的化学稳定性给碳化硅的无损高质量抛光带来了极大的挑战。而对于其他的抛光工艺要求，控制磨料硬度、粒径、形状、各成分质量浓度等要素都是需要综合考虑的。
（二）世界市场分布
根据yole数据，全球抛光液市场预计2019-2025年复合增长7%，2025年中国抛光液市场将占世界整体市场的24.4%。全球抛光液的市场将围绕高端氧化层抛光、化合物半导体抛光和外延等产品领域展开，抛光液的产品分类以及占比如下：
图五 抛光液的产品分类以及占比注：图片来源于“如何解决卡脖子难题”
（三）行业壁垒壁垒一，人才壁垒抛光液行业需要专业的技术人才，但目前我国抛光液行业的人才培养体系还不完善，行业内大多数企业还没有建立专门的人才培养机制，缺乏技术性人才特别是能够持续致力于新产品、新工艺开发的技术人才。
壁垒二，行业品牌壁垒分析。知名品牌的树立是企业长期经营积累的结果，建立具有一定知名度、美誉度和忠诚度的品牌需要企业投入大量的人力、物力和财力。在抛光液行业，消费者可选择的品牌众多，知名品牌均已拥有了相对稳定的目标客户群体。对于新进入者而言，培育品牌知名度和维持品牌运营的竞争压力较大，要突破市场已有品牌形成的壁垒，需要有更大的投入。
壁垒三，行业渠道壁垒。建立完善的终端营销网络为抛光液行业最主要的销售方式，而营销网络的铺设需要耗费巨大的资金成本和时间成本。此外，优质门店资源为各企业争夺之重点，往往比较稀缺。现有品牌相比新品牌知名度高，更易获得优质门店资源，在销售渠道合作中拥有更大的议价能力，这造成了新进入者的渠道壁垒。
五、耗材五湿电子化学品
（一）基础介绍 湿电子化学品又称超净高纯试剂，主要以硫酸、盐酸、氢氟酸、氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、丙酮、乙醇、异丙醇等为原料，经过预处理、过滤、提纯等工艺得到高纯度产品。在半导体领域主要应用于电子元器件微加工的清洗、光刻、显影、蚀刻、掺杂等工艺环节，其纯度和洁净度对芯片成品率、电性能及可靠性有十分重要的影响。
在半导体生产过程中，大规模集成电路工艺存在几十道工序，工艺制造过程中的空气、水、化学试剂、工作环境、电磁环境噪声以及微振动、操作人员、使用的器具等各种因素都可能给晶圆带来污染，这些污染物可能会是微粒杂质、无机离子、有机物质、微生物以及气体杂质等，都需要相关的湿电子化学品去除。当污染物数量超过一定限度时，就会使集成电路产品发生表面擦伤、图形断线、短路、针孔、剥离等现象，从而导致漏电、电特性异常等情况，轻者影响电路使用寿命，严重时可导致电路报废。因此，湿电子化学品的发展对于提高芯片的质量非常重要。
（二）世界市场分布总体来看，半导体湿电子化学品领域整体国产化率约23%，技术水平要落后于国际先进水平，但国内江化微、晶瑞股份、安集科技、巨化股份等少数部分技术领先的企业已具有技术突破的经验和能力。随着国内电子产业的快速增长，本土化配套已成为重要趋势，国内湿电子化学品企业生产技术不断提高，未来国内将会出现具有国际竞争力的湿电子化学品生产企业。全球市场分布如下：
图六 湿电子化学品全球市场分布注：图片来源于“如何解决卡脖子难题”
（三）行业壁垒
壁垒一，湿电子化学品的关键生产技术包括混配技术、分离技术、纯化技术以及与其生产相配套的分析检验技术、环境处理与监测技术等。这些都需要企业具备一定研发能力和技术应用能力。
壁垒二，下游电子器件的生产工艺不同，会需要一些功能性专用的湿电子化学品，这需要相关企业有较强的配套能力，能够掌握核心的配方工艺以满足下游电子信息产业的功能性需求。以上生产技术、生产工艺，配方技术和配套能力都构成了企业进入湿电子化学品生产经营领域的进入壁垒。
六、耗材六溅射靶材
（一）基础介绍溅射靶材的要求较传统材料行业高，一般要求如，尺寸、平整度、纯度、各项杂质含量、密度、N/O/C/S、晶粒尺寸与缺陷控制；较高要求或特殊要求包含：表面粗糙度、电阻值、晶粒尺寸均匀性、成份与组织均匀性、异物（氧化物）含量与尺寸、导磁率、超高密度与超细晶粒等等。溅射靶材也是芯片制造的核心材料之一，在晶圆制造及芯片封装两大环节均需用到溅射靶材。在晶圆制造环节，溅射靶材主要用于制作晶圆导电层、阻挡层以及金属栅极，通常要求靶材纯度在5N（99.999%）以上，主要使用铜靶、铝靶、钛靶、钽靶等；在芯片封装环节，溅射靶材主要用于贴片焊线的镀膜，多使用铜靶、铝靶、钛靶等靶材。靶材设计主要面临金属纯化、微粒飞溅、结晶取向控制、利用率低等问题，解决该类问题是靶材行业的核心技术壁垒。靶材制造环节首先需要根据下游应用领域的性能、需求进行特有的工艺设计，然后再进行反复的塑性变形、热处理等，过程中需要精确地控制晶粒、晶向等关键指标，再进行焊接、机械加工、清洗干燥、真空包装等工序。溅射靶材制造所涉及的工序精细且繁多，工序流程管理及制造工艺水平将直接影响到溅射靶材的质量和良品率。
芯片制造业使用的靶材，要求纯度高、尺寸大、集成度高、结晶取向控制准确。溅射靶材产业链主要包括金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用等环节，其中，靶材制造和溅射镀膜环节是整个溅射靶材产业链中的关键环节。溅射靶材生产工艺较为复杂，高纯度乃至超高纯度的金属材料是生产高纯溅射靶材的基础。若溅射靶材杂质含量过高，则形成的薄膜无法达到使用所要求的电性能，并且在溅射过程中易在晶圆上形成微粒，导致电路短路或损坏，严重影响薄膜的性能。通常情况下，高纯金属提纯分为化学提纯和物理提纯，为了获得更高纯度的金属材料，最大限度地去除杂质，需要将化学提纯和物理提纯结合使用。在将金属提纯到相当高的纯度后，往往还需配比其他金属元素才能投入使用。在这个过程中，需要经过熔炼、合金化和铸造等步骤：通过精炼高纯金属，去除氧气、氮气等多余气体；再加入少量合金元素，使其与高纯金属充分结合并均匀分布；最后将其铸造成没有缺陷的锭材，满足生产加工过程中对金属成分、尺寸大小的要求。
（二）世界市场分布靶材行业在全球范围内呈现明显的区域集聚特征，美国和日本公司占据靶材全球市场主要份额，行业集中度高。日矿金属、霍尼韦尔、东曹、林德-普莱克斯四家企业占据了全球靶材市场近80%的市场份额，其他的主要生产商还包括住友化学、爱发科等行业巨头。全球靶材巨头产业链也较为完整，业务布局金属提纯、靶材制造、溅射镀膜和终端应用的各环节。
目前国内溅射靶材企业尚处于开拓初期，进口依存度仍然高于90%。目前国内布局溅射靶材的企业主要有江丰电子、有研亿金（有研新材子公司）、福建阿石创、隆华科技等。受到技术、资金和人才的限制，国内专业从事高纯溅射靶材的生产厂商数量仍然偏少，但是依靠产业政策导向、产品价格等优势，少数国内企业逐渐开始占据一些市场份额。其分布图如下：
图七 靶材市场世界企业分布图注：图片来源于“如何解决卡脖子难题”
（三）行业壁垒壁垒一，工艺精湛。高纯溅射靶材（以下简称“靶材”或“溅射靶材”）主要应用于超大规模集成电路芯片、液晶面板、薄膜太阳能电池制造的物理气相沉积工艺，用于制备电子薄膜材料，包括铝靶、钛靶、钽靶、钨钛靶等。芯片制造对靶材金属纯度的要求最高，通常要达到99.9995%以上。
壁垒二，客户固定，认证资格难。靶材市场最大的下游应用是包括半导体、液晶面板等在内的电子行业。能够掌握核心的配方工艺以满足下游电子信息产业的功能性需求。满足生产技术、生产工艺，配方技术和配套能力，其都构成了企业进入靶材市场生产经营领域的进入壁垒。
综上所述，芯片制造是一个影响因素众多、层次结构多元、波及环节复杂的一个系统问题。芯片制造的各大耗材无论是从目前的世界市场份额对比来看，亦或是从进入行业的壁垒来看，芯片各大耗材的“卡脖子”的现状很难短时间内改变。面对如此复杂系统问题，我们要更好的运用系统、科学的方法去理解、把握，这样我们才能更好的处理系统问题。对于几大耗材的介绍，作者摘借了诸多学者的观点，也存在诸多的漏洞，对于文章一些资料的来源，文章均已注明来源，部分资料作者也作出了自己的基本处理，望悉知！
