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(bào)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(dá)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(jìn)水平相比仍有很大差距,；特別是在中美貿(mào)易摩擦下,，機(jī)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(jī)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(jī),、PVD,、CVD,、氧化/擴(kuò)散爐,、清洗機(jī)、氣體質(zhì)量流量計(jì)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(gè)機(jī)會，是我們實(shí)現(xiàn)更高性能芯片的一個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)方向是投入大量資金和精力研發(fā)先進(jìn)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(yùn)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(jì)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(jì)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(jìn)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(jī)是根據(jù)TSV發(fā)展為2.5D和3D應(yīng)用開發(fā)的,，可以進(jìn)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(gè)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(jī)與光刻機(jī),、刻蝕機(jī)和鍍膜機(jī)并稱集成電路四大核心裝備,，開發(fā)難度僅次于光刻機(jī),，是國家集成電路產(chǎn)業(yè)自主安全供應(yīng)鏈需要重點(diǎn)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(gè)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?yàn)槠骷晕⒂幸稽c(diǎn)變化，都是離子注入引起的,。整個(gè)器件的開關(guān)、所有正負(fù)電荷分布都是靠離子注入實(shí)現(xiàn)的,。
之所以離子注入這么難,，是因?yàn)橐岩粋�(gè)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(gè)硼離子,，通過控制其能量和角度進(jìn)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(jī)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(jī)械,、電氣,、計(jì)算機(jī)控制、等離子體物理等多個(gè)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(jī)已有50多年歷史,，從5μm到3nm都需要使用。目前注入機(jī)有兩家很強(qiáng),，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(jī)已有四五十年歷史,，承擔(dān)了國家“十二五”02重大專項(xiàng)專項(xiàng),，同時(shí)將中束流和大束流離子注入機(jī)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(shí)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(jìn)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(yàn)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(qiáng)基礎(chǔ),，做好國產(chǎn)化率、本土產(chǎn)業(yè)鏈和人才梯隊(duì)培養(yǎng),。
IC檢測只做高端
半導(dǎo)體行業(yè)是一個(gè)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�,？焖�,、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(gè)百分點(diǎn),，最終良率就只有36.8%,，因此每個(gè)工藝環(huán)節(jié)的良率控制非常關(guān)鍵，這也是先進(jìn)節(jié)點(diǎn)IC制造中檢測所占比重越來越高的原因,。
因?yàn)榧夹g(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(jìn)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(jì)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?yàn)槌叨冉档蜁斐杉{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(diǎn)逼近3nm時(shí)，很多缺陷會小到一個(gè)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)線上要非常快速檢查所有缺陷,，而一個(gè)小時(shí)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(yuǎn)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(shí)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(diǎn)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(jī)器學(xué)習(xí)在IC測量和檢查中應(yīng)用將越來越多,，包括機(jī)器識別,、機(jī)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(jī)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(gè)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(jī)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(jī)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(jī)，約占63%,。測試機(jī)又細(xì)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(jī)的發(fā)展主線就兩個(gè)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(dú)大，占了80%市場份額,。在一些細(xì)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(jìn)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(dá)地區(qū)，在產(chǎn)品走出去方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn),。
他分享道,，華峰測控1993年成立，2005年開始量產(chǎn),，就兩個(gè)產(chǎn)品線,，只是不同節(jié)點(diǎn)而已，上面一層做IC,，稱為power IC,，下面一層做power半導(dǎo)體,，在細(xì)分市場領(lǐng)域獨(dú)具特色。目前,，其總裝機(jī)量是4500臺,，其中國內(nèi)4200臺，幾乎每家封測廠,、90%設(shè)計(jì)公司都是其客戶,。海外占公司年銷售額的12%-15%，很難賣進(jìn)去的日本有9臺機(jī)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?yàn)槊绹嘶驓W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(gè)音,。
公司團(tuán)隊(duì)有一部分曾做了12年代理，所以從代理做起,。首先建立一個(gè)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(tuán)隊(duì)，“我現(xiàn)在近50歲,，所有海外團(tuán)隊(duì)的銷售都比我大10歲,。我把前輩給雇了，不要怕代價(jià)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(yàn)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(tuán)隊(duì)和營銷網(wǎng)絡(luò),，最后建立起一個(gè)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(jì)公司，公司投入費(fèi)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(shí)坐飛機(jī)去臺灣,，有個(gè)客戶跟我說摩擦測試時(shí)間40秒鐘，我說絕對不可能,，他帶我去見這個(gè)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(gè)可以改變世界,。”他說,。
主動出擊的一個(gè)例子是氮化鎵,。2016年開始進(jìn)入氮化鎵領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)只是能測,，后來能夠測得更好,，現(xiàn)在把氮化鎵測試時(shí)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(gè)閉環(huán)，全球第一個(gè)做出氮化鎵專用測試頭,，從軟件到硬件,、機(jī)械結(jié)構(gòu)申請了10個(gè)專利,，沒人敢碰。
第三步是突破,，這也是因?yàn)槊绹怄i了中國公司,，突然間機(jī)遇來了，這家公司要發(fā)展新的業(yè)務(wù),，從手機(jī)進(jìn)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(gè)測試機(jī)，第一臺高速測試機(jī)測試時(shí)間是傳統(tǒng)產(chǎn)品的一半,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了直流,、交流等測試功能，特別是微秒級,，還實(shí)現(xiàn)了6000安培短路保護(hù),。
有了產(chǎn)品，就可以往海外擴(kuò)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(xì)分市場上占了20%，國內(nèi)40%以上,，差距還是有：進(jìn)入前十大半導(dǎo)體公司還需要花時(shí)間,。技術(shù)突破是必須的，是一個(gè)60分線,，否則沒法跟人家對話,。接下來是比售后服務(wù)、價(jià)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(gè)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(jī)遇爭取首發(fā)出場很重要，作為替代就已經(jīng)晚了,，因?yàn)閷κ挚梢越祪r(jià),，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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