臺積電全面領先7nm工藝 國產(chǎn)半導體設備面臨任何的困境？

記者消息，3日晚央視大型紀錄片《大國重器》第二季第六集《贏在互聯(lián)》重磅播出，中微半導體設備（上海）有限公司的7納米芯片刻蝕機榮幸被收錄其中。

現(xiàn)階段半導體產(chǎn)業(yè)能量產(chǎn)的最先進的工藝節(jié)點是7nm，臺積電全面領先。在7納米制程設備方面，囊括了5大設備商包括應用材料(Applied Materials)、科林研發(fā)(LAM) 、東京威力科創(chuàng)(TEL)、日立先端(Hitach)、中微半導體。中微是唯一打入臺積電7納米制程蝕刻設備的大陸本土設備商。

此番央視收錄的，就是中微，也是中國自主研發(fā)的第一批7納米芯片刻蝕機，它采用的是等離子體刻蝕技術。利用有化學活性的等離子體，在硅片上雕刻出微觀電路。

據(jù)介紹，在ICP芯片刻蝕中，關鍵尺寸的大小和芯片溫度有著一一對應的關系。如果我們要求刻蝕均勻性達到1納米，那么整個芯片的溫度差異就要控制在2度以內(nèi)。中微自主研發(fā)的溫控設計，可以讓刻蝕過程的溫控精度保持在0.75度以內(nèi)，優(yōu)于國際水平。

氣體噴淋盤是刻蝕機最重要的核心部件之一，也是7納米芯片刻蝕機中的一項關鍵技術點。它的材料選擇和設計對于刻蝕機性能指標的影響至關重要。中微和國內(nèi)廠家合作，研制和優(yōu)化了一整套采用等離子體增強的物理氣象沉積金屬陶瓷的方法，這種創(chuàng)新的方法極大地改善了材料的性能，其晶粒更為精細、致密，缺陷幾乎為零。相比國外當前采用的噴淋盤，中國的陶瓷鍍膜噴淋盤壽命可以延長一倍，造價卻不到五分之一。

中微董事長兼首席執(zhí)行官尹志堯博士表示：“我國正在成為集成電路芯片和微觀器件生產(chǎn)的大國，到2020年，在我國新的芯片生產(chǎn)線上的投資將會超過美國、日本和韓國等地區(qū)的投資，中國會變成一個最大的芯片生產(chǎn)基地。我們相信到2030年，我國的芯片和微觀器件的加工能力和規(guī)模一定能完全趕上并在不少方面超過國際先進水平。”

光刻技術仍落后，中國fab翹首期盼EUV供應

值得注意的是，中微在蝕刻機領域有了一席之地，但是在先進制程中最為關鍵的光刻機，尤其是極紫外光刻機領域，放眼全球僅有ASML能夠量產(chǎn)。

光刻機是芯片制造的核心設備之一，按照用途可以分為好幾種：有用于生產(chǎn)芯片的光刻機；有用于封裝的光刻機；還有用于LED制造領域的投影光刻機。用于生產(chǎn)芯片的光刻機是中國在半導體設備制造上最大的短板，國內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。

極紫外光刻是一種采用波長13.5nm極紫外光為工作波長的投影光刻技術，它代表了當前應用光學發(fā)展最高水平。而作為下一代光刻技術，被行業(yè)賦予了拯救摩爾定律的使命。

光刻機被業(yè)界譽為集成電路產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，研發(fā)的技術門檻和資金門檻非常高。也正是因此，能生產(chǎn)高端光刻機的廠商非常少，到最先進的14nm光刻機就只剩下ASML，日本佳能和尼康已經(jīng)基本放棄第六代EUV光刻機的研發(fā)。

相比之下，國內(nèi)晶圓廠所需的高端光刻機完全依賴進口。這不僅使國內(nèi)晶圓廠要耗費巨資購買設備，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展和自主技術的成長也帶來很大不利影響。

對于市場占據(jù)了八成份額的供應商ASML，據(jù)其2017第二季財報，在2017年第二季度新增8臺EUV系統(tǒng)訂單，讓EUV光刻系統(tǒng)的未出貨訂單累積到27臺，總值高達28億歐元。公司現(xiàn)在年產(chǎn)12臺，2018年將增加到24臺，2019年達到年產(chǎn)40臺的產(chǎn)能。

這個產(chǎn)能遠遠不能滿足全球晶圓廠的需求，因此，在回應“EUV設備對中國禁售”的傳聞時，ASML給出的解釋是，ASML對大陸晶圓廠與國際客戶一視同仁，只要客戶下單，EUV要進口到中國完全沒有任何問題。在交期方面，所有客戶也都完全一致，從下單到正式交貨，均為21個月。該公司透露目前已有大陸晶圓廠巨頭與ASML展開7納米工藝制程的EUV訂單洽談，2019年大陸首臺EUV可望落地。

不論是禁售還是排隊等候，可以肯定是，中國梯隊肯定不在優(yōu)先供應的范疇之內(nèi)，由設備短板對國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展造成的影響可見一斑。

EUV的誕生是舉全產(chǎn)業(yè)之功努力的成果

國內(nèi)半導體專業(yè)人士透露，AMSL之所以能歷史性的關鍵時刻，迅速抓住機會，并達成技術的跳躍發(fā)展，得益于該公司的“開放式創(chuàng)新架構(gòu)”，而成為該公司歷史性轉(zhuǎn)折點的浸潤式光刻機的誕生，也是眾多供應商和晶圓廠共同努力的結(jié)果。

例如，一名在領先晶圓廠工作的工藝研發(fā)人員表示，他在公司先進制程研發(fā)部給ASML提過幾十項改進意見，而各家晶圓廠給出的改善提案數(shù)以千計。

研發(fā)到量產(chǎn)過程充滿了坎坷的EUV更是如此。

眾所周知，隨著摩爾定律演進，越先進的工藝制程研發(fā)成本就越高，可以稱之為天價，能投入資金跟上腳步的半導體廠商已經(jīng)越來越少，EUV的高額研發(fā)費用甚至已經(jīng)不是一家公司能承擔得起的。

當時，因為EUV的技術難度、需要的投資金額太高，另外兩大光刻設備廠商──日本的Nikon和佳能，都已放棄開發(fā)。ASML儼然成為半導體業(yè)能否繼續(xù)沖刺下一代先進制程，開發(fā)出更省電、運算速度更快的晶體管的最后希望。

ASML公司也了解到無法獨自負擔這一的巨大設備開發(fā)成本，為此，該公司先后向英特爾、三星、臺積電等巨頭發(fā)出了注資的邀請。隨后該公司也成功將其原有客戶變成投資者了，英特爾、臺積電、三星等公司后來分別向ASML投資了41億美元、2.76億歐元、7.79億歐元，“資助”EUV的研發(fā)。

國產(chǎn)半導體設備的困境，星星之火等待燎原

據(jù)不完全統(tǒng)計，2018年—2020年中國大陸要建成5座12英寸晶圓生產(chǎn)廠，總投資將超過3000億元，2018年開始有望迎來“裝機大戰(zhàn)”，半導體設備需求大幅增加。據(jù)中國海關信息網(wǎng)統(tǒng)計，2017年中國大陸主要半導體設備進口總額達到54.83億美元，同比增長13.8%。預計2017年國產(chǎn)半導體設備銷售收入將達到76億人民幣以上，同比增長32%以上。

在巨大的需求面前，國內(nèi)面臨的卻是把半導體設備幾乎全部依賴進口的局面。中國電子專用設備工業(yè)協(xié)會秘書長金存忠此前指出，國產(chǎn)設備只占到全球半導體總量的2%。

在半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛的浪潮中，國家出臺了科技重大專項之“極大規(guī)模集成電路制造裝備與成套工藝專項”(02專項)，我國半導體設備業(yè)實現(xiàn)了從無到有的突破，據(jù)賽迪智庫的數(shù)據(jù)，中微半導體、沈陽拓荊、北京華創(chuàng)等多家公司產(chǎn)品皆通過了工藝考核與產(chǎn)線驗證。我國半導體制造業(yè)多年來腳踏實地，勇于創(chuàng)新，部分企業(yè)產(chǎn)品開始走入資本市場，部分機臺已具備進口替代能力，有望率先享受下游擴產(chǎn)紅利，迎接設備需求高峰。但是總體來說，我國設備業(yè)依舊面臨著許多挑戰(zhàn)。

業(yè)內(nèi)人士對記者指出，半導體既是一個市場化的行業(yè)，又是一個門檻很高的行業(yè)，這就必然導致后發(fā)者學習起來難度很大。以國產(chǎn)設備為例，很多生產(chǎn)線不愿意采購國產(chǎn)設備，不愿意給國產(chǎn)設備試用的機會，因為他們要考慮經(jīng)濟效益，選擇國外成熟設備是最安全的方式，而選擇國產(chǎn)設備有很多的風險。國產(chǎn)設備因為沒有試用的機會，沒有發(fā)現(xiàn)問題、改進問題的機會，所以很難快速進步。

對于制造復雜產(chǎn)品的企業(yè)來講，有逐步上升的試錯學習過程非常重要，然而，“一個不愿意用，因為覺得設備不好；一個因為沒人用，所以沒有機會改進。國產(chǎn)半導體設備產(chǎn)業(yè)就這樣陷入死循環(huán)?！?/p>

站在晶圓廠的角度，也有人指出：政府一直在推廣國產(chǎn)設備的應用，但不能代替生產(chǎn)線做決策，到時候良率上不去算誰的責任？

“很多情況不是國內(nèi)業(yè)者的想當然。最可笑的是很多人根本沒見過芯片，也去做半導體項目或者復制半導體領域，結(jié)果在一些關鍵問題上智能是發(fā)揮臆想?！币幻邪l(fā)人員對記者這樣吐槽。

雖然艱難，國產(chǎn)半導體設備還有機會嗎？有觀點表示，新興設備如果是解決新的問題，只要不是和巨頭的設備正面競爭的，是有機會的。國內(nèi)很多設備只是做國外成熟設備的替代，這是正面競爭，難度很大。

另一些觀點則表示，設備、光刻膠、slurry、靶材等隨時都有機會，只要認真對待，晶圓廠就是open的，怕的就是瞎忽悠。“江豐做靶材、中微做蝕刻機、漢微科做e-beam、LG做bare wafer，都是很好的例子。目前最大的缺項就是光刻機?！痹摌I(yè)內(nèi)人士表示，“國內(nèi)02專項，已經(jīng)孵化一批企業(yè)，這些企業(yè)就是火種，他們目前發(fā)展都還不夠大。但我相信他們會抓住一些產(chǎn)業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點，跟隨中國的fab一起成長起來的?！?/p>