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        國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備如何攻堅,未來將如何發(fā)展


        來源:TechSugar

        [導(dǎo)讀]  在全球半導(dǎo)體爭霸戰(zhàn)持續(xù)升溫的大背景下,中國半導(dǎo)體制造設(shè)備現(xiàn)狀如何,未來怎樣?

        中國粉體網(wǎng)訊  國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)發(fā)布的《全球半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)發(fā)展回顧與展望》報告顯示,2021年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售總額首次突破1000億美元,創(chuàng)1030億美元新高,增長達44.7%。中國、韓國和中國臺灣是設(shè)備支出的前三大,但我國與國外先進水平相比仍有很大差距;特別是在中美貿(mào)易摩擦下,機遇與挑戰(zhàn)并存。


        在全球半導(dǎo)體爭霸戰(zhàn)持續(xù)升溫的大背景下,中國半導(dǎo)體制造設(shè)備現(xiàn)狀如何,未來怎樣?在第二屆中國芯集成電路設(shè)備——青山湖論壇上,國內(nèi)設(shè)備頭部企業(yè)大擺龍門陣,暢談了國產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀與未來。


        3D IC是我們未來的機會


        北方華創(chuàng)是國內(nèi)集成電路設(shè)備領(lǐng)域排名居首的企業(yè),產(chǎn)品涵蓋刻蝕機、PVD、CVD、氧化/擴散爐、清洗機、氣體質(zhì)量流量計等多種高端半導(dǎo)體工藝裝備及核心零部件。北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司銷售總監(jiān)張彥召認(rèn)為:“3D IC是我們未來的一個機會,是我們實現(xiàn)更高性能芯片的一個方向。”


        他表示,伴隨摩爾定律的發(fā)展,從2000年到現(xiàn)在,芯片尺寸、性能一直在不斷迭代,但摩爾定律并不是一個物理學(xué)定律。前幾年,真正玩家就剩了兩三家,從32nm到16nm,產(chǎn)品研發(fā)投入成倍增長。


        后摩爾時代,尺寸很難再縮小,方向有些迷!,F(xiàn)在拉動市場的是5G和AI,對芯片的要求是降低尺寸和功耗,提升性能。如何滿足市場需求呢?現(xiàn)在,只有臺積電、三星、英特爾還在尺寸上追求3nm及以下工藝。另一個方向是投入大量資金和精力研發(fā)先進封裝工藝。


        斯坦福大學(xué)教授Subhasish Mitra的研究顯示,在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算中,超過80%的能耗是在不斷讀取存儲器中的數(shù)據(jù),因此臺積電也在研發(fā)各種2.5D/3D封裝來整合高寬帶存儲(HBM)及邏輯芯片,以減少能耗。


        2020年6月,英特爾發(fā)布Lakefield處理器,使用多塊10nm計算芯片(compute die)堆疊在用22nm基底芯片(base die)上,之間使用TSV通孔電氣互連,而計算芯片之間的通信則通過基底芯片中的互連來完成。


        張彥召說,過去幾年,2.5D和3D封裝有50%以上的增長,在市場驅(qū)動下,關(guān)注2.5D和3D封裝的人越來越多,資金投入也越來越大。先進封裝離不開TSV技術(shù),根據(jù)具體應(yīng)用,TSV有多種集成方案,除了TSV制造本身,還涉及上下面配套互連層及電路層加工方案及加工次序。目前,TSV 2.5D封裝已在常見主流器件上應(yīng)用,包括GPU、CPU、APU、FPGA、內(nèi)存、傳感器等,未來2.5D和3D封裝技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣。


        北方華創(chuàng)很早就投入2.5D和3D IC研發(fā),根據(jù)TSV不同,采用Via First(先通孔)在基板上開孔,然后做器件,最后封裝,F(xiàn)有多品類裝備平臺涵蓋刻蝕、鋁填充、銅填充、PVD、熱處理、清洗等方面技術(shù)儲備,在前端到3D IC后道封裝都可以滿足市場及技術(shù)迭代需求。其TSV刻蝕機是根據(jù)TSV發(fā)展為2.5D和3D應(yīng)用開發(fā)的,可以進行高深寬比刻蝕,保證刻蝕后側(cè)壁的光滑性。


        他最后表示:“一個芯片就像一座城市、一幢大廈,芯片制造從前道到后道形成器件需要無數(shù)連接,只有更加緊密的連接,才能把芯片這座城市建好。”


        離子注入突破難度非常高


        離子注入機與光刻機、刻蝕機和鍍膜機并稱集成電路四大核心裝備,開發(fā)難度僅次于光刻機,是國家集成電路產(chǎn)業(yè)自主安全供應(yīng)鏈需要重點突破的裝備之一。北京爍科中科信電子裝備公司市場與工藝總監(jiān)曾安生認(rèn)為:“離子注入是集成電路制造中非常重要的設(shè)備,跟整個IC器件密切相關(guān),國產(chǎn)突破難度非常高!


        他介紹說,離子注入屬于集成電路制造前道工藝前段,被產(chǎn)品部門整得最慘的也是離子注入工程師,因為器件稍微有一點變化,都是離子注入引起的。整個器件的開關(guān)、所有正負電荷分布都是靠離子注入實現(xiàn)的。


        之所以離子注入這么難,是因為要把一個離子注入晶圓的特定深度,例如把硼離子,注入要有氣體源(如三氟化硼),通過氣態(tài)電離得到等離子體,篩選和加速形成一個硼離子,通過控制其能量和角度進行注入。不管是6英寸、8英寸到12英寸,從平面工藝到立體工藝,過程基本相同。最重要的是調(diào)控精度,如果角度偏差0.1度,器件可能就死掉了,注入離子劑量也一樣。


        離子注入機屬于高壁壘行業(yè),研發(fā)和生產(chǎn)過程中涉及高壓電子、機械、電氣、計算機控制、等離子體物理等多個高技術(shù)學(xué)科,系統(tǒng)集成難度大,還要考慮下游應(yīng)用端客戶的生產(chǎn)工藝路線和技術(shù)水平,技術(shù)要求和準(zhǔn)入門檻較高。


        曾安生說,離子注入機已有50多年歷史,從5μm到3nm都需要使用。目前注入機有兩家很強,應(yīng)用材料公司占7成,Axcelis接近2成,剩下的是日本和中國臺灣公司,國產(chǎn)占比很小。


        他介紹說,爍科中科信的前身是48所,做注入機已有四五十年歷史,承擔(dān)了國家“十二五”02重大專項專項,同時將中束流和大束流離子注入機推向產(chǎn)業(yè)化。其現(xiàn)有產(chǎn)品包括中束流和低能大束流,2022年第二季度會推出高能大束流產(chǎn)品,將在一定程度上解決國產(chǎn)替代問題。


        不過,面對卡脖子問題,國產(chǎn)離子注入設(shè)備在產(chǎn)能和產(chǎn)品線覆蓋方面還存在技術(shù)短板。另外,企業(yè)的困局還在于既要考慮市場需要,又要考慮增長,在產(chǎn)業(yè)化方向還需努力。


        濕法設(shè)備無損清洗是挑戰(zhàn)


        半導(dǎo)體濕法設(shè)備貫穿集成電路制造全流程,隨著工藝難度增加,清洗步驟也隨之大增,對濕法設(shè)備的要求也逐步提升。盛美半導(dǎo)體設(shè)備(上海)公司資深工藝總監(jiān)張曉燕認(rèn)為:“全球IC產(chǎn)業(yè)已開始慢慢往中國遷移,雖然我們的裝備產(chǎn)業(yè)與韓國和中國臺灣比技術(shù)水平差異不是很大,但與美國、日本、歐洲還有很大差距!


        她表示,全球清洗設(shè)備市場總值49億美元,中國是清洗設(shè)備最大的市場之一,中國臺灣、韓國平分秋色。


        濕法工藝設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)在于,隨著工藝尺寸微縮,光刻物理極限最難突破,而新材料的引入、結(jié)構(gòu)微縮使無損傷清洗和無損傷干燥已成為當(dāng)務(wù)之急的課題。另外,尺寸非常小,要求顆粒更小,顆粒的影響程度會更大。對于3D-NAND來說,顆粒小還不夠,還要采用高選擇比工藝,實現(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu)清洗和高產(chǎn)出。而對于DRAM,目前尺寸已經(jīng)微縮到1a,也就是12nm、13nm,怎樣提高其電容性能,進行高深寬比結(jié)構(gòu)清洗,保證無傾斜坍塌清洗和干燥,是清洗設(shè)備廠商要去努力攻克的難題。


        目前,盛美半導(dǎo)體濕法產(chǎn)品線基本涵蓋80%以上的工藝,2022年將可以覆蓋90%以上工藝。公司的創(chuàng)新經(jīng)驗是消化創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和原始創(chuàng)新。原始創(chuàng)新是一些理論性創(chuàng)新、技術(shù)類創(chuàng)新;早期溫飽階段采用消化吸收創(chuàng)新,然后采用集成類創(chuàng)新,也會有些原始創(chuàng)新的東西出來。


        關(guān)于產(chǎn)業(yè)思考,張曉燕表示,目前國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)蓬勃興旺,有巨大市場需求,也有資本大量涌入,這是環(huán)境優(yōu)勢,而作為本土裝備廠商要體現(xiàn)以下的優(yōu)勢:一是和客戶聯(lián)合開發(fā)降低裝備成本;二是服務(wù)滿意度,大廠不接的單也接,讓生產(chǎn)商、研發(fā)單位滿意;三是高效率,減少缺陷、故障,提升良率;四是強基礎(chǔ),做好國產(chǎn)化率、本土產(chǎn)業(yè)鏈和人才梯隊培養(yǎng)。


        IC檢測只做高端


        半導(dǎo)體行業(yè)是一個倒三角型,幾百億美元的半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)支撐著幾十萬億美元的信息產(chǎn)業(yè),所以設(shè)備是基石,而中美貿(mào)易戰(zhàn)最核心的就是半導(dǎo)體芯片和半導(dǎo)體設(shè)備。


        上海精測半導(dǎo)體光學(xué)事業(yè)部總經(jīng)理李仲禹表示,量測設(shè)備涵蓋從氧化、光刻、拋光等每道工藝過程,要求非常快速、準(zhǔn)確、非破壞性將潛在缺陷找出來,重在工藝控制和能力管理。


        在IC制造行業(yè),檢測覆蓋從硅錠到拉晶的基材制造,再到硅片切割、研磨的厚度、平整度、粗糙度、電子率量測等。在光刻工藝中,還要檢測層厚度、寬度和結(jié)晶度,以及圖形位置準(zhǔn)確性、圖形缺陷、清潔度等。注入工藝中,要做濃度、氧化層、CVD檢測。


        他指出,前道芯片制造有上千道工藝,每道工藝良率損失0.1個百分點,最終良率就只有36.8%,因此每個工藝環(huán)節(jié)的良率控制非常關(guān)鍵,這也是先進節(jié)點IC制造中檢測所占比重越來越高的原因。


        因為技術(shù)難度高,目前IC檢測國產(chǎn)化率非常低,也是卡脖子難題。2019年前,中芯國際等國內(nèi)代工廠國產(chǎn)化檢測設(shè)備為零;2020年,包括晶測在內(nèi)的國產(chǎn)設(shè)備才陸續(xù)進入一線代工廠。目前國內(nèi)所有半導(dǎo)體代工線,特別是低端成熟工藝線和一些“三代半”線,國產(chǎn)IC檢測設(shè)備占比仍在3%。


        2021年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場已過千億美元,其中前道檢測設(shè)備占13.9%,中國設(shè)備市場大約176億人民幣,預(yù)計未來5年復(fù)合增長率是14%,市場非常大。


        市場有,挑戰(zhàn)也有,李仲禹認(rèn)為有三:一是尺寸微縮對檢測靈敏度的挑戰(zhàn);二是結(jié)構(gòu)創(chuàng)新對量測提出了更高要求,參數(shù)之間耦合性加劇,靈敏度會降低,因為尺度降低會造成納米晶格效應(yīng);三是新材料引入要求量測設(shè)備能力相應(yīng)提升,如納米線等。


        在尺寸微縮方面,目前國際量產(chǎn)已經(jīng)到7nm,而當(dāng)節(jié)點逼近3nm時,很多缺陷會小到一個原子大小,傳統(tǒng)光學(xué)檢查基本無法分辨,因此要求設(shè)備靈敏度有幾何級提升。例如300毫米硅片上的10nm缺陷,要放大到地球大小才能找到,而且在產(chǎn)線上要非?焖贆z查所有缺陷,而一個小時吞吐量可能是十幾片,需要數(shù)據(jù)處理和高通量調(diào)整等。


        復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)帶來的最大挑戰(zhàn)是參數(shù)耦合,不僅測量量更大,量之間的耦合度也更高,比如多次曝光后要做多層之間的Overlay(套疊),控制偏差變得更加復(fù)雜;高深寬比結(jié)構(gòu)量測難度也遠高于以前的工藝。


        在新材料、新工藝方面,如二硫化鉬和二溴化汞、碳納米管、納米線等,除了原來散射測量時自身結(jié)構(gòu)對信號的影響,原子尺度、晶格結(jié)構(gòu)也會對信號造成影響。


        李仲禹認(rèn)為,在線檢查主要以光學(xué)手段為主,針對納米節(jié)點的多束電鏡是技術(shù)發(fā)展趨勢。光學(xué)散射測量在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)用得非常廣泛,檢查尺度越來越小,波長越來越短,并向UV射線延伸,以提高靈敏度。超分辨率光學(xué)成像還會繼續(xù)發(fā)展,多種手段混合測量也會用得越來越多。另外,機器學(xué)習(xí)在IC測量和檢查中應(yīng)用將越來越多,包括機器識別、機器分類。


        他表示,IC檢測設(shè)備為國外幾家廠商壟斷,前三大占據(jù)70%市場,中國市場機會很大。精測只做國產(chǎn)替代,不做替代國產(chǎn),主要做高端設(shè)備,基本上都是國內(nèi)唯一或國內(nèi)僅有,而且精度國內(nèi)最高。其第一個客戶是長江存儲,已交付近20臺設(shè)備;目前共在現(xiàn)場裝機40多臺!霸诎雽(dǎo)體行業(yè),設(shè)備出貨沒有多了不起,能拿到重復(fù)訂單,才是對設(shè)備的真正認(rèn)可。”他說。


        測試機走出去的故事


        全球封測設(shè)備市場60億美元,差不多40億是測試機,約占63%。測試機又細分為數(shù)字、模擬、分立器件、射頻等。


        北京華峰測控董事兼副總經(jīng)理徐捷爽說,測試機的發(fā)展主線就兩個字——并購,從上世紀(jì)80年代初的百花齊放,現(xiàn)在基本上是兩家獨大,占了80%市場份額。在一些細分領(lǐng)域,比如華峰測控做的模擬和電源管理,雖占20%市場份額,但放到全球市場中也就2%。


        他介紹說,作為國內(nèi)最早進入半導(dǎo)體測試設(shè)備行業(yè)的企業(yè)之一,華峰測控在行業(yè)內(nèi)深耕二十余年,聚焦模擬和混合信號測試設(shè)備,產(chǎn)品不僅在國內(nèi)批量銷售,還外銷至中國臺灣、美國、歐洲、韓國、日本等境外半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達地區(qū),在產(chǎn)品走出去方面積累了豐富經(jīng)驗。


        他分享道,華峰測控1993年成立,2005年開始量產(chǎn),就兩個產(chǎn)品線,只是不同節(jié)點而已,上面一層做IC,稱為power IC,下面一層做power半導(dǎo)體,在細分市場領(lǐng)域獨具特色。目前,其總裝機量是4500臺,其中國內(nèi)4200臺,幾乎每家封測廠、90%設(shè)計公司都是其客戶。海外占公司年銷售額的12%-15%,很難賣進去的日本有9臺機器,美國有10臺。


        回顧海外發(fā)展歷程,徐捷爽說,第一步是改名字,因為美國人或歐洲人對中文名很難發(fā)音。2008年,看到一輛車挺漂亮,是本田雅閣,就用了AccoTEST,全世界任何地方的人都能發(fā)這個音。


        公司團隊有一部分曾做了12年代理,所以從代理做起。首先建立一個公平大氣的原則,有些訂單的確是人家找上門的,仍然給代理商錢,建立了很好的互動和信任關(guān)系。


        第二是建立一支優(yōu)秀團隊,“我現(xiàn)在近50歲,所有海外團隊的銷售都比我大10歲。我把前輩給雇了,不要怕代價高,但是他們是sell from top(自上而下銷售),所以一定要用一些所謂的江湖老油子跟客戶溝通,”他說。市場經(jīng)驗和客戶人脈關(guān)系非常重要。


        比較難的是售后服務(wù),誰都不愿意做應(yīng)用開發(fā),所以讓代理商吃肉,苦活自己干。通過不斷完善服務(wù)團隊和營銷網(wǎng)絡(luò),最后建立起一個國際化的事業(yè)群體。


        海外歷程包括三大步,第一步是從被動到主動,2008年到2016年伴隨中國封測廠業(yè)務(wù)發(fā)展,如長電、通富,他們接了很多海外業(yè)務(wù),一開始被動接觸海外客戶,慢慢去主動接觸。


        第二步是從2012年到2019年,開始主動出擊歐美設(shè)計公司,公司投入費用,拿到客戶第一手信息,如最早知道誰在做氮化鎵!拔矣浀卯(dāng)時坐飛機去臺灣,有個客戶跟我說摩擦測試時間40秒鐘,我說絕對不可能,他帶我去見這個客戶,結(jié)果到了臺積電。在臺積電工廠,一堆博士坐在那里,跟我們談了半天,我都沒聽懂,就最后一句話我聽懂了:這個可以改變世界!彼f。


        主動出擊的一個例子是氮化鎵。2016年開始進入氮化鎵領(lǐng)域,當(dāng)時只是能測,后來能夠測得更好,現(xiàn)在把氮化鎵測試時間從40秒鐘變成了4秒鐘,而且4秒鐘測4顆,測試成本是原來的1/4。


        在氮化鎵測試中,還發(fā)揮中國人的聰明才智,做好了就深挖溝,做成一個閉環(huán),全球第一個做出氮化鎵專用測試頭,從軟件到硬件、機械結(jié)構(gòu)申請了10個專利,沒人敢碰。


        第三步是突破,這也是因為美國封鎖了中國公司,突然間機遇來了,這家公司要發(fā)展新的業(yè)務(wù),從手機進入了汽車領(lǐng)域。測汽車的工藝模塊就是用儀器儀表搭出一個測試機,第一臺高速測試機測試時間是傳統(tǒng)產(chǎn)品的一半,同時實現(xiàn)了直流、交流等測試功能,特別是微秒級,還實現(xiàn)了6000安培短路保護。


        有了產(chǎn)品,就可以往海外擴展。經(jīng)典案例既包括觀察一年之久才下手的很麻煩的日本客戶,也包括最忌諱假冒、拷貝的法國和意大利客戶。


        徐捷爽最后表示,即使已在細分市場上占了20%,國內(nèi)40%以上,差距還是有:進入前十大半導(dǎo)體公司還需要花時間。技術(shù)突破是必須的,是一個60分線,否則沒法跟人家對話。接下來是比售后服務(wù)、價格、文檔等等。壁壘有兩種,一種是物理量,看得見,一種是看不見的心理量壁壘,是一個很重要的挑戰(zhàn)。


        未來發(fā)展是雙循環(huán),目前一定是國內(nèi)為主,海外為輔。建立國際營銷網(wǎng)絡(luò),利用一些新機遇爭取首發(fā)出場很重要,作為替代就已經(jīng)晚了,因為對手可以降價,可以用別的方式抓住客戶。當(dāng)然,首發(fā)出場需要非常好的市場敏感度和一些研發(fā)投入。


        (中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

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