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半导体行业的生死时速,IC设备到底有多重要?

供稿:中国工控网 2018/6/26 11:55:35
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在浦东张江中芯国际的工厂里,无时无刻不在上演着代表人类最高制造水平的“接力赛”。直径30厘米的圆形硅晶薄片穿梭在各种极端精密的加工设备之间,由它们在硅片表面制作出只有发丝直径千分之一的沟槽或电路。热处理、光刻、刻蚀、清洗、沉积……每块晶圆要昼夜无休地被连续加工两个月,经过成百上千道工序,最终集成了海量的微小电子器件,经切割、封装,成为信息社会的基石——芯片。

半导体生产设备和材料,是半导体产品的最上游。据国际半导体产业协会(SEMI)公布的数据显示,2017年全球半导体设备商出货金额达到560亿美元,比起上一年大幅增长接近40%,创下历史新高。相比2016年全球半导体市场3389亿美元的销售额来说,规模其实并不大。

但在中国国家科技重大专项02专项技术总师、中科院微电子所所长叶甜春看来,与其他产业不同,半导体生产设备和材料并不是IC的配套产业,相反,而是IC产业发展的决定性因素。从上世纪80年代末期开始,半导体设备企业开始把工艺能力整合在设备中,让用户买到设备就能保证使用,并且达到工艺要求,因此有“一代器件,一代设备”之说。“这个领域的特点是技术和资金门槛极高,要经过漫长的投入期才能看到回报,也可以起到控制他国集成电路发展速度的作用。”

集成电路(以下简称IC)产业制高点的竞争,归根结底,还是装备制造业的竞争。

“IC装备制造是我国芯片产业链中最薄弱的环节,经过20余年的追赶,中国芯片制造领域与世界还有两代差距。”叶甜春斩钉截铁地说,“IC制造业最核心的竞争力还是IC装备制造。中国IC产业要想掌握发展主导权,IC装备是必须要解决的问题。”

这是一场生死竞速。

瓜分殆尽的蛋糕

从随处可见的沙子变成手机、电脑里不断运算的芯片,魔术般变化的背后,是复杂且耗时的IC制造过程:上千道工艺,近两个月的打磨。

据上海集成电路行业协会原副秘书长、高级顾问王龙兴介绍,集成电路设备通常可分为前道工艺设备(晶圆制造)、后道工艺设备(封装与检测)等。因生产工艺复杂,工序繁多,所以生产过程所需要的设备种类多样。其中,在晶圆制造中,共有七大生产区域,分别是扩散(Thermal Process)、光刻(Photo- lithography)、刻蚀(Etch)、离子注入(Ion Implant)、薄膜生长(Dielectric Deposition)、抛光(CMP)、金属化(Metalization),所对应的七大类生产设备分别为扩散炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备、化学机械抛光机和清洗机,其中金属化是把集成电路里的各个元件用金属导体连接起来,用到的设备也是薄膜生长设备。

虽然只有7个区域,但很多工艺需要反复进行,比如几乎每个区域都会用到清洗机,因为生产工艺越来越复杂,几乎每一两步就要对硅片清洗一次。

设备的技术难度、价值和市场份额是成正比的。从销售额来看,79%的市场为前端的晶圆处理设备,封装和测试设备分别占7%和9%。在晶圆制造中,由于光刻、刻蚀、沉积等流程在芯片生产过程中不断循环往复,是芯片前端加工过程的三大核心技术,其设备价值也最高,其中镀膜设备、刻蚀设备、光刻机大约分别占半导体晶圆厂设备总投资的15%、15%、20-25%。

美国、日本、荷兰是世界半导体装备制造的三大强国,分别占据了全球市场份额的37%、20.6%和13.55%,留给其他国家的“蛋糕”不到30%。2016全球前十大半导体设备生产商中,只有美日荷三个国家的企业入围。美国应用材料(Applied Materials)、美国科林(Lam Research)、荷兰阿斯麦尔(ASML)、日本东京电子、美国科磊(KLA Tencor)位列前五,占据半导体装备市场份额的66%。

从各个装备领域来看,这些企业也占据着绝对的主导地位。荷兰的阿斯麦尔(ASML)占据了超过70%的高端光刻机市场,营收50.91亿美元;在离子注入机上,美国应用材料公司占据了70%市场份额,营收77.37亿美元;在涂胶显影机方面,东京电子占据90%的市场份额,营收46.81亿美元。

相比之下,国内IC装备产业规模要小得多。2016年中国半导体设备前十强单位占全球的市场份额仅约为2%,销售收入总计57.33亿元,远低于美国应用材料一家企业的销售收入,而且主营业务其实还是光伏部分。国内体量最大的中电科电子装备和中微半导体,2017年销售收入均仅为11亿元,远小于国际知名厂商。

和市场份额不相匹配的,是国内日益火热的IC市场。从2014年开始,全球IC制造产业已经开始向中国大陆转移。中国大陆作为未来全球新增产线的重点区域,将迎来千亿量级的设备采购。未来一至三年,中国大陆将至少有7条12英寸产线采购设备,采购金额将达到2000多亿元。SEMI预计2018年我国大陆地区设备投资额将达到86亿美元,超过中国台湾地区,成为第二大半导体装备市场。

尽管中国大陆半导体投资大增,但中国大陆设备厂商的供应能力却严重不足,特别是缺乏成套设备的供应,“在这个领域,我们处于受制于人的局面。一旦国外停止向我国出口这些装备产品,中国大陆的集成电路生产线都要停工。”王龙兴急切地说。面对巨大的市场需求和历史性的发展机遇,中国大陆设备厂商亟需突破。

一面是巨大的市场蓝海,一面是巨头的虎视眈眈,对国内IC装备产业而言,既是机遇也是挑战。

“一台光刻机相当于一架波音737”

随着IC行业纳米的加工已接近物理化学的极限,加工的精度接近单个原子的水平,IC装备产业也面临着前所未有的挑战。

光刻机,就像一台精密复杂的特殊照相机,是芯片制造中“定义图形”中最为重要的一种机器。一闪之间,母版上复杂的电路设计图形转化为硅片上细微繁密的沟壑纹理。光刻机的主要难点聚焦在准分子光源、光学系统和超精密运动高速工作台。一台光刻机有上万个零部件,在电脑程序的控制下进行复杂协调的联动,其运动精准程度的误差不得超过一根头发丝的千分之一,这无异于在头发上“绣花”!

高端光刻机集精密光学、机械、控制、材料等先进科技和工程技术于一体,是集成电路装备中技术难度最高、价格最昂贵的关键设备,被称为人类技术发展的制高点和制造工业“皇冠上的明珠”。相应的,其价值也高到难以想象的地步。王龙兴感慨地说,在光刻机市场,荷兰的阿斯麦尔公司一家独大,掌握着28纳米以下的高端光刻机技术,处于绝对的垄断地位。一台40纳米的光刻机售价高达3000万美元,相当于一架波音737飞机,而最先进的极紫外光刻机(EUV)售价高达1.1亿美元。

到了20纳米工艺制程以下,已经没有能满足直接生成20纳米线宽的光刻机产品,需要用刻蚀机通过多道工艺去除多余的部分。一台刻蚀机每年要刻百万万亿个又细又深的接触孔或者线条,孔底的直径要准确到几个纳米。一个高端芯片生产出来通常需要经过近千道工序,刻蚀机的准确度要达到99.99%才能满足整个硅片的良品率要求,如果设备的准确度只能达到99%,那么近千道工序过后,良品率几乎为零。不到1%的差距,结果却是天壤之别。

在IC产业的百米竞赛中,装备产业不仅要跑赢自己,还要跑在制造工艺的前面。一般来说,一代设备的开发总要超前当代芯片的研发两到三年,而超前当代芯片大量生产的三到五年。比如中微半导体开发的28纳米到20纳米的ADRIE介质刻蚀机,要核准的就是10纳米的刻蚀要求。

而对于起步晚了几十年的国内IC装备产业来说,这一难度被拉大了无数倍。2008年,“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”国家科技重大专项(02专项)开始启动实施,跨出了从0到1的第一步。

但第二步也绝不轻松。一台设备从研发、样机开始,必须经过大量硅片的工艺试验,才能发现问题,并进行改型。另外,出厂前还要经过马拉松试验,测算平均无故障时间等参数。

产品验证环节,决定了设备最终的市场竞争力。一位下游企业的老总曾向王龙兴坦言,即使国产设备性能可以做到和国际巨头一样,但他们还是不会轻易使用。“因为买设备看重的不只是性能,还有设备的运行成本。简单来说,就是生产一个芯片的成本。”王龙兴介绍说,运行成本和多种因素有关,包括产能、良品率、安全使用时间、维修及使用寿命,这些往往是需要产线验证和技术积累的。

事实上,国际巨头大多有自己的设备验证生产线。如美国应用材料公司,产线验证工厂整整占了一个街区。此外,它还兼并了16个其他领域的设备企业,产品线覆盖光刻机之外几乎所有的半导体装备,为其产品验证提供了极大的便利和条件。

“集成电路是高度国际化的产业,一定要进入国际市场。”国际排名第4的中芯国际,2017年的市场份额仅仅只有6%。王龙兴表示,如果一个设备公司没有进入三星、英特尔和台积电的大生产线,没有用在大量芯片生产上,是没有生存和发展可能的。但是国际领先的芯片制造公司的门槛极高,且牢牢掌握在顶尖的设备生产企业手里,想要“虎口夺食”,难度极大。

“像是一场战争。”回想起中国IC装备产业的艰难发展史,02专项技术副总师、上海微系统所所长王曦院士感慨地说。

审核编辑(袁键灏)
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