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國(guó)產(chǎn)芯片設(shè)備的現(xiàn)狀、觀察與思考

發(fā)布人:旺材芯片 時(shí)間:2023-04-05 來(lái)源:工程師 發(fā)布文章

來(lái)源:芯聞路1號(hào)

據(jù)消息稱(chēng),1月27日美國(guó)已與荷蘭和日本達(dá)成協(xié)議,限制向中國(guó)出口一些先進(jìn)的芯片制造設(shè)備。該協(xié)議將把美國(guó) 10月份通過(guò)的一些出口管制擴(kuò)大到這兩個(gè)盟國(guó)的公司,包括ASML、尼康和東京電子。

目前,日荷尚未公布出口管制措施的詳細(xì)細(xì)節(jié),但中國(guó)半導(dǎo)體制造廠面臨關(guān)鍵設(shè)備即將“斷糧”,這無(wú)疑是對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)乃至整個(gè)信息數(shù)字行業(yè)的沉重警鐘。

數(shù)字時(shí)代的產(chǎn)業(yè)鏈呈“倒金字塔”結(jié)構(gòu),最上面是應(yīng)用層, 如軟件、網(wǎng)絡(luò)、電商、傳媒、AI、VR/AR等,做應(yīng)用的公司少說(shuō)也有大幾百萬(wàn)家;中間是硬件系統(tǒng),如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、手機(jī)、PC等,做電子系統(tǒng)的相對(duì)要少一些;再往下就是芯片,芯片廠商比上一層更少,只有幾百家;最下層的塔底,則是設(shè)備廠商,全世界制造設(shè)備的廠商總也就幾十家,設(shè)備廠的重要性由此凸顯。

接下來(lái),本文將從芯片設(shè)備環(huán)節(jié)、國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀以及一些思考展開(kāi),試圖一窺國(guó)內(nèi)芯片設(shè)備行業(yè)的全貌。?



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芯片設(shè)備

芯片的制作涉及50多個(gè)學(xué)科知識(shí)和技術(shù),幾百到上千個(gè)步驟。一般將芯片制造分為七大生產(chǎn)領(lǐng)域,分別是光刻(Photo- lithography)、刻蝕(Etch)、薄膜沉積(Dielectric Deposition)、離子注入(Ion Implant)、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)、擴(kuò)散(Thermal Process)、金屬化(Metalization)等七個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備分別為光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜設(shè)備、離子注入機(jī)、CMP設(shè)備、高溫爐、電化學(xué)沉積設(shè)備等。

一條先進(jìn)的芯片生產(chǎn)線,需要10大類(lèi),300多種細(xì)分設(shè)備,共需要3000多臺(tái)各種設(shè)備。這些設(shè)備一類(lèi)是生產(chǎn)設(shè)備,另一類(lèi)是檢測(cè)設(shè)備,本文主要介紹生產(chǎn)設(shè)備。

生產(chǎn)設(shè)備以光刻為中心,在集成電路制作的過(guò)程中,光刻占據(jù)40%-50%的時(shí)間,其余工序圍繞光刻進(jìn)行。在其余工序中,我們又可以分為“加材料設(shè)備”和“減材料設(shè)備”。

打個(gè)比方,我們將制作芯片比喻為“剪窗花”,加材料設(shè)備是窗花紙,光刻機(jī)要在窗花紙上刻一些“花紋”,減材料設(shè)備像剪刀,遵循光刻機(jī)的花紋將多余部分去除,“剪”出想要的形狀。一顆高制程芯片,需要在一片晶圓上,來(lái)來(lái)回回貼50至60層這樣的“窗花”,其精度之高可見(jiàn)一斑。

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圖注:數(shù)據(jù)內(nèi)容來(lái)源網(wǎng)絡(luò),芯查查制表

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圖注:數(shù)據(jù)來(lái)源網(wǎng)絡(luò),芯查查制表


半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域通常具有三個(gè)特點(diǎn)。其一,研發(fā)時(shí)間長(zhǎng),一臺(tái)新設(shè)備的研發(fā)少則五年,多則十幾年,且需要在產(chǎn)線生產(chǎn)中不斷改進(jìn)、優(yōu)化。其二,投資金額大,一條芯片產(chǎn)線70%的投資金額用在購(gòu)買(mǎi)設(shè)備上,如ASML在過(guò)去20年用在設(shè)備研發(fā)和優(yōu)化的金額就高達(dá)200億歐元。其三,高度壟斷,每個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的設(shè)備廠常常被2-3家壟斷,如ASML的光刻機(jī)可謂一騎絕塵,占據(jù)全球80%以上的市場(chǎng)份額,尤其是EUV光刻機(jī)獨(dú)此一家;ATAM在化學(xué)機(jī)械拋光和薄膜沉積設(shè)備方面處于領(lǐng)先地位;Lam則是全球刻蝕設(shè)備的龍頭企業(yè),與TEL一并占據(jù)全球80%的刻蝕設(shè)備市場(chǎng)份額。

 

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國(guó)內(nèi)芯片設(shè)備現(xiàn)狀

近年來(lái),國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備逐步打入國(guó)內(nèi)市場(chǎng),去膠設(shè)備、CMP設(shè)備、清洗設(shè)備、刻蝕設(shè)備、物理氣相沉積(PVD)設(shè)備都已實(shí)現(xiàn)從0到1的突破。中微半導(dǎo)體12英寸刻蝕機(jī)已成功用于臺(tái)積電5nm生產(chǎn);北方華創(chuàng)以實(shí)現(xiàn)28nmPVD產(chǎn)業(yè)化,其封裝PVD設(shè)備市占率接近70%;盛美的單片清洗機(jī)被國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線重復(fù)采購(gòu);中國(guó)電科中束流、高能、 特種應(yīng)用離子注入機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全譜系離子注入機(jī)國(guó)產(chǎn)化,200mm CMP設(shè)備國(guó)產(chǎn)市占率達(dá)70%;華海清科累計(jì)2021年CMP設(shè)備出貨量超100臺(tái)。

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圖注:數(shù)據(jù)來(lái)源網(wǎng)絡(luò),芯查查制表

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2021年,我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備銷(xiāo)售收入為385.7億元人民幣,在中國(guó)大陸市場(chǎng)占有率為19.6%,全球市場(chǎng)占有率不到5.65%;進(jìn)口金額為170.5億美元(約1150.2億人民幣)。其中,進(jìn)口最多的為等離子干法刻蝕機(jī)(1947臺(tái))和化學(xué)氣相沉積設(shè)備(CVD,1965臺(tái)),而美日荷禁令中頻頻提及的光刻機(jī)在2021年進(jìn)口數(shù)為406臺(tái)。


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圖注:中興國(guó)際(紹興)、長(zhǎng)江存儲(chǔ)、華虹宏力晶圓制造、量測(cè)、封測(cè)設(shè)備中標(biāo)詳情


從上表格可以看出國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備基本擺脫完全受制于人的局面,但國(guó)內(nèi)設(shè)備廠商目前仍然只是“點(diǎn)”的突破,尚未實(shí)現(xiàn)“面”的普及,缺乏成套設(shè)備的供應(yīng),設(shè)備的精度也不夠,只能滿足中低端芯片的生產(chǎn),難以打入高端芯片生產(chǎn)線。尤其是如光刻機(jī)等“卡脖子”等關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)尚未有明顯進(jìn)展,在實(shí)際產(chǎn)線應(yīng)用中的國(guó)產(chǎn)率基本為0。

針對(duì)芯片設(shè)備的工藝升級(jí),中微半導(dǎo)體創(chuàng)始人尹志堯曾說(shuō)道:“國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備廠商想要在全球市場(chǎng)占有一席之地,只能超越,不能追趕。”還是以設(shè)備龍頭ASML舉例,2021年上半年,ASML公司的研發(fā)投資為12.572億歐元,同比增長(zhǎng)13.2%。在EUV光刻機(jī)上,ASML繼續(xù)投資進(jìn)行光刻機(jī)定制化改造,完成NXE3600D機(jī)型研發(fā),進(jìn)一步優(yōu)化上一代光刻機(jī)的生產(chǎn)率和穩(wěn)定性;DUV光刻機(jī)方面,ASML已開(kāi)發(fā)出NTX2050i浸潤(rùn)式光刻機(jī)和最新XT860N干式光刻機(jī)。此外,ASML斥資持續(xù)投入單光束檢測(cè)、電子束計(jì)量和光學(xué)計(jì)量等設(shè)備,確保其光刻機(jī)多波束檢測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)。

除了工藝升級(jí),產(chǎn)線驗(yàn)證也是國(guó)產(chǎn)芯片設(shè)備廠商一大難題。產(chǎn)品驗(yàn)證得到的技術(shù)參數(shù)才能最終決定該設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。芯片設(shè)備必須經(jīng)過(guò)大量的工藝試驗(yàn)和驗(yàn)證才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、迭代升級(jí)。產(chǎn)線驗(yàn)證還能提供這批設(shè)備產(chǎn)能、 良品率、安全使用時(shí)間、維修、使用壽命等一手?jǐn)?shù)據(jù)。畢竟,研發(fā)一臺(tái)樣機(jī)和能在產(chǎn)線上重復(fù)、穩(wěn)定、安全使用的機(jī)器是不一樣的。除了樣機(jī)和工藝,還有該設(shè)備的售后、市場(chǎng)推廣、客戶評(píng)價(jià)等一系列需要解決的問(wèn)題。此外,設(shè)備出廠前要經(jīng)過(guò)馬拉松實(shí)驗(yàn)以檢測(cè)設(shè)備穩(wěn)定性,國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備大廠基本都有自己的設(shè)備驗(yàn)證線,而國(guó)內(nèi)設(shè)備廠基本沒(méi)有,這與多省政府在有關(guān)集成電路發(fā)展文件中提及“支持建設(shè)先導(dǎo)線、中試線等混合集成芯片創(chuàng)新平臺(tái)”的思路不謀而合。

芯片設(shè)備的設(shè)計(jì)、零件供應(yīng)也是我國(guó)急需攻克的難關(guān)。目前國(guó)內(nèi)大多半導(dǎo)體設(shè)備廠的創(chuàng)始人都有國(guó)際大廠的工作背景,專(zhuān)利問(wèn)題需要格外注意。零部件方面,相較于國(guó)外成熟的芯片設(shè)備零部件供應(yīng),我國(guó)零部件供應(yīng)鏈尚且在形成當(dāng)中,核心零部件替代大部分仍依賴(lài)進(jìn)口。核心零部件對(duì)于半導(dǎo)體設(shè)備穩(wěn)定性、產(chǎn)能、精度的影響非常大,ASML、ATAM、TEL大多通過(guò)自己的技術(shù)或者并購(gòu)相關(guān)廠商的方式將關(guān)鍵零部件核心掌握在自己手里。 

 

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一些思考

國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)鏈中,芯片設(shè)計(jì)公司最多,用“春秋戰(zhàn)國(guó)”來(lái)形容也不為過(guò),重復(fù)性勞動(dòng)、內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)比較嚴(yán)重。相反,芯片設(shè)備公司最少,泱泱大國(guó)也不過(guò)寥寥幾十家,我國(guó)在設(shè)備領(lǐng)域一直比較薄弱,雖然多年來(lái)產(chǎn)學(xué)研政都在通力合作,但遲遲無(wú)法追上國(guó)際大廠的腳步。美日荷此次再次對(duì)華禁芯片設(shè)備,就3-5年來(lái)說(shuō),對(duì)中國(guó)市場(chǎng)打擊是比較大的,同理,國(guó)內(nèi)設(shè)備領(lǐng)域短期內(nèi)突破先進(jìn)制程的可能性也不大。

在設(shè)備領(lǐng)域,我國(guó)和國(guó)外的行業(yè)規(guī)模是極其不對(duì)稱(chēng)的,尤其是國(guó)內(nèi)一些領(lǐng)先設(shè)備公司同樣還肩負(fù)上市企業(yè)的身份。公司盈利的多少會(huì)影響股價(jià),想要盈利規(guī)模大,就要減少研發(fā)費(fèi)用;增大研發(fā)費(fèi)用,相應(yīng)盈利額就會(huì)減少,是個(gè)兩難的問(wèn)題。而國(guó)外的芯片設(shè)備廠如上文所說(shuō),在各自市場(chǎng)領(lǐng)域基本處于壟斷狀態(tài),研發(fā)費(fèi)用投入極大,技術(shù)突破速度相對(duì)更快。

即使這些設(shè)備國(guó)內(nèi)夠用了,是否能打入國(guó)際市場(chǎng)也要畫(huà)個(gè)問(wèn)號(hào)。技術(shù)壁壘、政治壁壘、法律壁壘等是國(guó)內(nèi)設(shè)備廠想要打入國(guó)際市場(chǎng)需翻過(guò)的崇山峻嶺。所以,設(shè)備領(lǐng)域不能僅僅滿足于追趕,要超越,要有超越常人的優(yōu)勢(shì),質(zhì)量要有,價(jià)格也需實(shí)惠。當(dāng)然,此話還為時(shí)尚早,目前先要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵領(lǐng)域設(shè)備的突破,形成一條完整、穩(wěn)定的零部件產(chǎn)業(yè)鏈以應(yīng)對(duì)動(dòng)蕩的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。

即使不足的地方仍有許多,對(duì)于國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè),我們還是需抱有信心,政府和市場(chǎng)都已看到美方等國(guó)對(duì)我國(guó)芯片行業(yè)窮追猛打的態(tài)度,未來(lái)對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)利好政策只多不少,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)國(guó)產(chǎn)設(shè)備需求將進(jìn)一步擴(kuò)大,無(wú)論是產(chǎn)業(yè)還是民間,我們都已看到半導(dǎo)體對(duì)于國(guó)家發(fā)展的重要性,擰成一股繩,鉚足一股勁,我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域終會(huì)突破。

光有信心是不夠的,還需要持之以恒地堅(jiān)持和等待。堅(jiān)持,是政府、企業(yè)、學(xué)校要對(duì)該行業(yè)源源不斷地投入人力、物力、財(cái)力,要始終以關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控為最終目標(biāo),以市場(chǎng)為導(dǎo)向開(kāi)發(fā)、優(yōu)化產(chǎn)品。等待,是指對(duì)于這個(gè)行業(yè)要有耐心,技術(shù)研發(fā)周期長(zhǎng)、投資大,不能被資本牽著鼻子走,不能急于一時(shí)的成果和利益,芯片投資市場(chǎng)要“降溫”,要“擠泡泡”。

此外,還要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研方面的合作,雖是老生常談的話題,但也是急需解決的部分。要以國(guó)內(nèi)高校、科研機(jī)構(gòu)力量為基地,研究結(jié)果為“我”所用, 人才定向培養(yǎng)、定向輸送;建立校企合作,盡快搭建學(xué)生動(dòng)手能力、科研能力體系。加快與全球供應(yīng)鏈的合作,鼓勵(lì)留學(xué)生、華人學(xué)成歸國(guó)。

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ASML CEO彼得·溫寧克對(duì)美國(guó)近段時(shí)間的所作所為表示:“針對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展的各種限制措施,最終只有會(huì)帶來(lái)一個(gè)結(jié)果,也就是西方的封鎖將推動(dòng)中國(guó)在高端芯片領(lǐng)域的發(fā)展,成功研發(fā)出屬于自己的技術(shù)?!彼^“東方不亮西方亮,黑了南方有北方”,芯片設(shè)備限制出口固然有著極其不利的影響,但不代表到了沒(méi)有回旋余地的程度。抓緊一切機(jī)會(huì)和時(shí)間投入研發(fā),加快核心技術(shù)突破腳步,韜光養(yǎng)晦,而已經(jīng)領(lǐng)先的領(lǐng)域要繼續(xù)鞏固在國(guó)際芯片產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈地位,保證中國(guó)在國(guó)際供應(yīng)鏈體系中占據(jù)重要位置。

對(duì)于各種技術(shù)封鎖,毛澤東早在1949年發(fā)表的《別了,司徒雷登》中就給出了答案:“封鎖吧,封鎖十年八年,中國(guó)的一切問(wèn)題都解決了。中國(guó)人死都不怕,還怕困難嗎?”


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