中國粉體網訊 國際半導體產業協會（SEMI）發布的《全球半導體設備業發展回顧與展望》報告顯示，2021年全球半導體設備銷售總額首次突破1000億美元，創1030億美元新高，增長達44.7%。中國、韓國和中國臺灣是設備支出的前三大，但我國與國外先進水平相比仍有很大差距；特別是在中美貿易摩擦下，機遇與挑戰并存。
在全球半導體爭霸戰持續升溫的大背景下，中國半導體制造設備現狀如何，未來怎樣？在第二屆中國芯集成電路設備——青山湖論壇上，國內設備頭部企業大擺龍門陣，暢談了國產設備現狀與未來。
3D IC是我們未來的機會
北方華創是國內集成電路設備領域排名居首的企業，產品涵蓋刻蝕機、PVD、CVD、氧化/擴散爐、清洗機、氣體質量流量計等多種高端半導體工藝裝備及核心零部件。北方華創微電子裝備有限公司銷售總監張彥召認為：“3D IC是我們未來的一個機會，是我們實現更高性能芯片的一個方向。”
他表示，伴隨摩爾定律的發展，從2000年到現在，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定律。前幾年，真正玩家就剩了兩三家，從32nm到16nm，產品研發投入成倍增長。
后摩爾時代，尺寸很難再縮小，方向有些迷茫。現在拉動市場的是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先進封裝工藝。
斯坦福大學教授Subhasish Mitra的研究顯示，在神經網絡運算中，超過80%的能耗是在不斷讀取存儲器中的數據，因此臺積電也在研發各種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，在市場驅動下，關注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，根據具體應用，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用，包括GPU、CPU、APU、FPGA、內存、傳感器等，未來2.5D和3D封裝技術的應用會越來越廣。
北方華創很早就投入2.5D和3D IC研發，根據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。現有多品類裝備平臺涵蓋刻蝕、鋁填充、銅填充、PVD、熱處理、清洗等方面技術儲備，在前端到3D IC后道封裝都可以滿足市場及技術迭代需求。其TSV刻蝕機是根據TSV發展為2.5D和3D應用開發的，可以進行高深寬比刻蝕，保證刻蝕后側壁的光滑性。
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，開發難度僅次于光刻機，是國家集成電路產業自主安全供應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曾安生認為：“離子注入是集成電路制造中非常重要的設備，跟整個IC器件密切相關，國產突破難度非常高。”
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、所有正負電荷分布都是靠離子注入實現的。
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，研發和生產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學科，系統集成難度大，還要考慮下游應用端客戶的生產工藝路線和技術水平，技術要求和準入門檻較高。
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業化。其現有產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品，將在一定程度上解決國產替代問題。
不過，面對卡脖子問題，國產離子注入設備在產能和產品線覆蓋方面還存在技術短板。另外，企業的困局還在于既要考慮市場需要，又要考慮增長，在產業化方向還需努力。
濕法設備無損清洗是挑戰
半導體濕法設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，對濕法設備的要求也逐步提升。盛美半導體設備（上海）公司資深工藝總監張曉燕認為：“全球IC產業已開始慢慢往中國遷移，雖然我們的裝備產業與韓國和中國臺灣比技術水平差異不是很大，但與美國、日本、歐洲還有很大差距。”
她表示，全球清洗設備市場總值49億美元，中國是清洗設備最大的市場之一，中國臺灣、韓國平分秋色。
濕法工藝設備面臨的挑戰在于，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、結構微縮使無損傷清洗和無損傷干燥已成為當務之急的課題。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，實現高深寬比結構清洗和高產出。而對于DRAM，目前尺寸已經微縮到1a，也就是12nm、13nm，怎樣提高其電容性能，進行高深寬比結構清洗，保證無傾斜坍塌清洗和干燥，是清洗設備廠商要去努力攻克的難題。
目前，盛美半導體濕法產品線基本涵蓋80%以上的工藝，2022年將可以覆蓋90%以上工藝。公司的創新經驗是消化創新、集成創新和原始創新。原始創新是一些理論性創新、技術類創新；早期溫飽階段采用消化吸收創新，然后采用集成類創新，也會有些原始創新的東西出來。
關于產業思考，張曉燕表示，目前國內半導體產業蓬勃興旺，有巨大市場需求，也有資本大量涌入，這是環境優勢，而作為本土裝備廠商要體現以下的優勢：一是和客戶聯合開發降低裝備成本；二是服務滿意度，大廠不接的單也接，讓生產商、研發單位滿意；三是高效率，減少缺陷、故障，提升良率；四是強基礎，做好國產化率、本土產業鏈和人才梯隊培養。
IC檢測只做高端
半導體行業是一個倒三角型，幾百億美元的半導體設備產業支撐著幾十萬億美元的信息產業，所以設備是基石，而中美貿易戰最核心的就是半導體芯片和半導體設備。
上海精測半導體光學事業部總經理李仲禹表示，量測設備涵蓋從氧化、光刻、拋光等每道工藝過程，要求非常快速、準確、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，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、寬度和結晶度，以及圖形位置準確性、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%，因此每個工藝環節的良率控制非常關鍵，這也是先進節點IC制造中檢測所占比重越來越高的原因。
因為技術難度高，目前IC檢測國產化率非常低，也是卡脖子難題。2019年前，中芯國際等國內代工廠國產化檢測設備為零；2020年，包括晶測在內的國產設備才陸續進入一線代工廠。目前國內所有半導體代工線，特別是低端成熟工藝線和一些“三代半”線，國產IC檢測設備占比仍在3%。
2021年全球半導體設備市場已過千億美元，其中前道檢測設備占13.9%，中國設備市場大約176億人民幣，預計未來5年復合增長率是14%，市場非常大。
市場有，挑戰也有，李仲禹認為有三：一是尺寸微縮對檢測靈敏度的挑戰；二是結構創新對量測提出了更高要求，參數之間耦合性加劇，靈敏度會降低，因為尺度降低會造成納米晶格效應；三是新材料引入要求量測設備能力相應提升，如納米線等。
在尺寸微縮方面，目前國際量產已經到7nm，而當節點逼近3nm時，很多缺陷會小到一個原子大小，傳統光學檢查基本無法分辨，因此要求設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，而且在產線上要非常快速檢查所有缺陷，而一個小時吞吐量可能是十幾片，需要數據處理和高通量調整等。
復雜的3D結構帶來的最大挑戰是參數耦合，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雜；高深寬比結構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構對信號的影響，原子尺度、晶格結構也會對信號造成影響。
李仲禹認為，在線檢查主要以光學手段為主，針對納米節點的多束電鏡是技術發展趨勢。光學散射測量在半導體產業用得非常廣泛，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。超分辨率光學成像還會繼續發展，多種手段混合測量也會用得越來越多。另外，機器學習在IC測量和檢查中應用將越來越多，包括機器識別、機器分類。
他表示，IC檢測設備為國外幾家廠商壟斷，前三大占據70%市場，中國市場機會很大。精測只做國產替代，不做替代國產，主要做高端設備，基本上都是國內唯一或國內僅有，而且精度國內最高。其第一個客戶是長江存儲，已交付近20臺設備；目前共在現場裝機40多臺。“在半導體行業，設備出貨沒有多了不起，能拿到重復訂單，才是對設備的真正認可。”他說。
測試機走出去的故事
全球封測設備市場60億美元，差不多40億是測試機，約占63%。測試機又細分為數字、模擬、分立器件、射頻等。
北京華峰測控董事兼副總經理徐捷爽說，測試機的發展主線就兩個字——并購，從上世紀80年代初的百花齊放，現在基本上是兩家獨大，占了80%市場份額。在一些細分領域，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，作為國內最早進入半導體測試設備行業的企業之一，華峰測控在行業內深耕二十余年，聚焦模擬和混合信號測試設備，產品不僅在國內批量銷售，還外銷至中國臺灣、美國、歐洲、韓國、日本等境外半導體產業發達地區，在產品走出去方面積累了豐富經驗。
他分享道，華峰測控1993年成立，2005年開始量產，就兩個產品線，只是不同節點而已，上面一層做IC，稱為power IC，下面一層做power半導體，在細分市場領域獨具特色。目前，其總裝機量是4500臺，其中國內4200臺，幾乎每家封測廠、90%設計公司都是其客戶。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系。
第二是建立一支優秀團隊，“我現在近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。市場經驗和客戶人脈關系非常重要。
比較難的是售后服務，誰都不愿意做應用開發，所以讓代理商吃肉，苦活自己干。通過不斷完善服務團隊和營銷網絡，最后建立起一個國際化的事業群體。
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務發展，如長電、通富，他們接了很多海外業務，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。“我記得當時坐飛機去臺灣，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。”他說。
主動出擊的一個例子是氮化鎵。2016年開始進入氮化鎵領域，當時只是能測，后來能夠測得更好，現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，還發揮中國人的聰明才智，做好了就深挖溝，做成一個閉環，全球第一個做出氮化鎵專用測試頭，從軟件到硬件、機械結構申請了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，這家公司要發展新的業務，從手機進入了汽車領域。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產品的一半，同時實現了直流、交流等測試功能，特別是微秒級，還實現了6000安培短路保護。
有了產品，就可以往海外擴展。經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40%以上，差距還是有：進入前十大半導體公司還需要花時間。技術突破是必須的，是一個60分線，否則沒法跟人家對話。接下來是比售后服務、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。
未來發展是雙循環，目前一定是國內為主，海外為輔。建立國際營銷網絡，利用一些新機遇爭取首發出場很重要，作為替代就已經晚了，因為對手可以降價，可以用別的方式抓住客戶。當然，首發出場需要非常好的市場敏感度和一些研發投入。
（中國粉體網編輯整理/山川）
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