從量檢測看國產(chǎn)芯片設(shè)備攻堅

半導(dǎo)體設(shè)備種類繁多，國產(chǎn)攻堅的任務(wù)繁重，但它們面臨的難題有其共性。本文以小見大，僅以芯片量檢測設(shè)備來討論半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化攻堅的問題。芯片量檢測設(shè)備可細(xì)分為檢測（Inspection）和量測（Metrology）兩大環(huán)節(jié)。檢測指在晶圓表面上或電路結(jié)構(gòu)中，檢測其是否出現(xiàn)異質(zhì)情況，如顆粒污染、表面劃傷、開短路等對芯片工藝性能具有不良影響的特征性結(jié)構(gòu)缺陷；量測指對被觀測的晶圓電路上的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、關(guān)鍵尺寸、刻蝕深度、表面形貌等物理性參數(shù)的量測。與芯片封裝產(chǎn)線的測試設(shè)備不同，量檢測設(shè)備貫穿芯片制造的工藝過程，以實現(xiàn)對重要環(huán)節(jié)的良率監(jiān)控。量檢測設(shè)備占芯片產(chǎn)線總投資額的比例為12%左右，全球市場幾乎被國外頭部公司壟斷，其中美國公司KLA一家占據(jù)50%左右的份額。在國內(nèi)，其國產(chǎn)化率僅為3%。

供應(yīng)卡脖子

量檢測設(shè)備在中國芯片制造產(chǎn)業(yè)擴(kuò)產(chǎn)及工藝升級的過程中，扮演著必不可少的角色，但在供應(yīng)層面困難重重。

一、我國芯片產(chǎn)線所需設(shè)備大部分是設(shè)備原廠即將停產(chǎn)或者已經(jīng)停產(chǎn)的設(shè)備，擴(kuò)產(chǎn)、工藝升級面臨設(shè)備短缺的風(fēng)險；

以KLA為例，其客戶主要為先進(jìn)產(chǎn)線，在大陸的客戶多為三星、海力士等外資芯片產(chǎn)線。根據(jù)KLA業(yè)績說明會披露信息，“成熟制程并不是業(yè)務(wù)的重要組成部分，KLA約80%的收入來自先進(jìn)制程客戶”。根據(jù)KLA官網(wǎng)介紹，當(dāng)前明星產(chǎn)品主要應(yīng)用于先進(jìn)制程，舉例如下：

大陸的內(nèi)資芯片產(chǎn)線中，只有極少數(shù)工藝制程相對先進(jìn)，大多數(shù)為成熟制程產(chǎn)線，所需設(shè)備大部分是設(shè)備原廠即將停產(chǎn)或者已經(jīng)停產(chǎn)的設(shè)備，擴(kuò)產(chǎn)和工藝升級面臨設(shè)備短缺的風(fēng)險。

二、國內(nèi)制程相對先進(jìn)的芯片產(chǎn)線嚴(yán)重依賴于國外原廠，所需的零部件及技術(shù)服務(wù)無法得到保障。

2022年10月7日，美國商務(wù)部工業(yè)與安全局（BIS）公布了對于中國出口管制新規(guī)（1007新規(guī)），針對高算力芯片、超級計算、先進(jìn)芯片制造、半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域?qū)χ袊箨懙闹撇迷俅紊墶１敬蜗拗仆緩桨ā拔镯棥?、“實體”、“用途”、“人員”四類。除非獲得許可證，否則“美國人”不得參與對于先進(jìn)制程（16/14nm以下邏輯、28層及以上NAND、18nm及以下DRAM）相關(guān)的物項（設(shè)備、材料、軟件、技術(shù)）向中國的轉(zhuǎn)移行為以及相關(guān)協(xié)助和服務(wù)。政策出臺后，美國廠商立即停止了對相關(guān)大陸產(chǎn)線的設(shè)備、零配件支持，嚴(yán)重影響了國內(nèi)先進(jìn)制程產(chǎn)線及部分成熟制程產(chǎn)線的運(yùn)營。因此，及時提供核心的零部件及服務(wù)、保障國內(nèi)芯片產(chǎn)線正常運(yùn)營迫在眉睫。

國產(chǎn)化難題

量檢測設(shè)備之所以國產(chǎn)化進(jìn)程緩慢、國產(chǎn)化率低，主要是由于技術(shù)難度大以及產(chǎn)線試錯成本高，因此全面實現(xiàn)國產(chǎn)替代是一個長期且艱巨的過程。

一、技術(shù)難度大。

前道量檢測設(shè)備為高精密設(shè)備，需完成納米級別的測量、檢測工作，主要由傳輸單元、光路處理單元、信號單元、量檢測單元等系統(tǒng)組成，包含成千上萬個具體模塊，涉及高真空腔傳輸技術(shù)、光譜檢測技術(shù)、快速運(yùn)算技術(shù)、高精度信號檢測技術(shù)等，技術(shù)壁壘極高。另外，下游客戶多為量產(chǎn)產(chǎn)線，其對于設(shè)備的精密度、穩(wěn)定性等技術(shù)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實驗室。

二、芯片產(chǎn)線具有重資產(chǎn)屬性，設(shè)備試錯的成本巨大。

隨著技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，集成電路前道制程的步驟越來越多，工藝也更加復(fù)雜。28nm 工藝節(jié)點的工藝步驟有數(shù)百道工序，由于采用多層套刻技術(shù)，14nm 及以下節(jié)點工藝步驟增加至近千道工序。根據(jù)YOLE的統(tǒng)計，工藝節(jié)點每縮減一代，工藝中產(chǎn)生的致命缺陷數(shù)量會增加50%，因此每一道工序的良品率都要保持在非常高的水平才能保證最終的良品率。當(dāng)工序超過500 道時，只有保證每一道工序的良品率都超過99.99%，最終的良品率方可超過95%；當(dāng)單道工序的良品率下降至 99.98%時，最終的總良品率會下降至約90%，因此，制造過程中對工藝窗口的挑戰(zhàn)要求幾乎“零缺陷”。設(shè)備公司在良率管理及工藝管控方面提供綜合的設(shè)備、零部件及服務(wù)的技術(shù)支持，如果產(chǎn)線使用未經(jīng)驗證的設(shè)備，良率會大幅下降，產(chǎn)線運(yùn)營可能由于無法量產(chǎn)陷于停滯。根據(jù)公開信息，對于尖端的邏輯晶圓廠而言，1%的良率提升意味著1.5億美元的凈利潤。因此，一味盲目的追求設(shè)備國產(chǎn)化，會讓具有重資產(chǎn)屬性的芯片產(chǎn)線面臨巨大的運(yùn)營風(fēng)險，反而舍本逐末，不利于芯片制造環(huán)節(jié)的發(fā)展。

破局

解決上述難題，必須結(jié)合全球芯片行業(yè)快速發(fā)展、國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)起步較晚的產(chǎn)業(yè)背景。中國芯片產(chǎn)業(yè)要一邊奔跑一邊補(bǔ)作業(yè)，如果等待設(shè)備全部國產(chǎn)化后才發(fā)展制造工藝，將不利于縮小與國際的產(chǎn)業(yè)差距。因此芯片制造工藝的追趕與芯片設(shè)備的國產(chǎn)化，是同時動態(tài)存在的兩大挑戰(zhàn)。芯片制造的前提是設(shè)備及技術(shù)服務(wù)的穩(wěn)定供應(yīng)，芯片設(shè)備國產(chǎn)化的目標(biāo)是逐步擺脫依賴最終實現(xiàn)自主可控，前者需要著眼當(dāng)下的產(chǎn)業(yè)需求，后者則是立足長遠(yuǎn)的發(fā)展思路，二者從不同角度出發(fā)，共同服務(wù)于發(fā)展國產(chǎn)芯片的總體目標(biāo)，將伴隨中國芯片發(fā)展的整個進(jìn)程。重視核心組件的解決方案，鼓勵修復(fù)設(shè)備+自研設(shè)備的產(chǎn)業(yè)協(xié)同，既能滿足下游芯片產(chǎn)線的現(xiàn)實需求，又能相對健康持續(xù)的探索國產(chǎn)化方案，對于中國芯片產(chǎn)業(yè)意義重大。

一、通過第三方修復(fù)設(shè)備滿足芯片產(chǎn)線的現(xiàn)實需求。

根據(jù)全球芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律，在設(shè)備領(lǐng)域中有設(shè)備原廠也有第三方修復(fù)設(shè)備公司，二者相互補(bǔ)充，其中第三方修復(fù)設(shè)備是制造成熟制程芯片的主力軍。在芯片行業(yè)出現(xiàn)這種現(xiàn)象絕非偶然，其主要原因是以下三個其他行業(yè)不具備的特殊性，這三個特殊性共同構(gòu)成了下圖示例的芯片設(shè)備的流通鏈條。

1、終端市場的芯片需求具有多樣性，導(dǎo)致成熟產(chǎn)線跟先進(jìn)產(chǎn)線同時存在。

眾多的應(yīng)用場景產(chǎn)生不同種類的芯片需求，需要不同工藝水平、先進(jìn)程度的產(chǎn)線來制造對應(yīng)的芯片，從而出現(xiàn)了成熟產(chǎn)線、先進(jìn)產(chǎn)線長期并存同時各自迭代的現(xiàn)象。按照制程來劃分，可以劃分為先進(jìn)制程產(chǎn)線以及成熟制程產(chǎn)線，目前業(yè)界將7nm及以下制程歸為先進(jìn)制程。國內(nèi)小于28nm的邏輯芯片制程工藝只有龍頭企業(yè)可以實現(xiàn)，由于工藝原因量產(chǎn)規(guī)模較小，大多數(shù)內(nèi)資芯片產(chǎn)線為成熟制程產(chǎn)線。

2、先進(jìn)制程芯片產(chǎn)線工藝迭代速度“快”，工藝制程范圍“窄”，不斷的工藝升級產(chǎn)生了源源不斷的退役設(shè)備。

廣為人知的摩爾定律其實是描述圖示中先進(jìn)產(chǎn)線的工藝迭代速度，集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番。先進(jìn)產(chǎn)線在不斷開發(fā)新工藝采購全新的原廠先進(jìn)制程設(shè)備的同時，必然會淘汰出一些退役設(shè)備，這些退役設(shè)備流通進(jìn)入到二手市場，天然形成對于成熟產(chǎn)線所需設(shè)備的供給。

3、成熟制程工藝產(chǎn)線的制程范圍“廣”，迭代相對較“慢”，對修復(fù)設(shè)備具有長期持續(xù)需求。

相對于摩爾定律描述的集中于小范圍的最先進(jìn)制程工藝，成熟制程工藝覆蓋的制程范圍更廣，整體迭代速度較慢。對于成熟產(chǎn)線而言，使用修復(fù)后的退役設(shè)備便可滿足其工藝要求，因此無需花費(fèi)大量資金去采購遠(yuǎn)超自身工藝需求的原廠新設(shè)備。綜上，第三方修復(fù)業(yè)務(wù)的產(chǎn)生和發(fā)展，既符合芯片產(chǎn)業(yè)運(yùn)行的客觀規(guī)律，又滿足我國下游產(chǎn)線的設(shè)備需求，有效地避免了設(shè)備短缺局面的出現(xiàn)。

二、通過鼓勵自主研發(fā)核心組件及交付修復(fù)設(shè)備苦練內(nèi)功，探索健康可持續(xù)的國產(chǎn)化路徑。

在量檢測設(shè)備與光刻機(jī)等最尖端芯片設(shè)備領(lǐng)域，實現(xiàn)全部國產(chǎn)化，徹底擺脫對國外的依賴，是一個長期的過程。在這個過程中，產(chǎn)業(yè)需要嘗試不同的路徑，同時也要確保路徑健康可持續(xù)。鼓勵以自研核心組件為支撐，形成修復(fù)設(shè)備+自研設(shè)備的產(chǎn)業(yè)協(xié)同，在核心組件層面從根本上減少對國外的依賴從而實現(xiàn)自主可控，更為厚積薄發(fā)，也更值得嘗試。該發(fā)展路徑優(yōu)勢具體表現(xiàn)在以下兩個方面：

1、修復(fù)設(shè)備可以提供核心組件的研發(fā)試驗場景。

從核心組件層面進(jìn)行自主研發(fā)創(chuàng)新，通過分析研究修復(fù)設(shè)備的整機(jī)性能表現(xiàn)，持續(xù)優(yōu)化核心組件的開發(fā)設(shè)計，可以實現(xiàn)在交付修復(fù)設(shè)備的同時，積累越來越多的核心組件解決方案。產(chǎn)業(yè)以此形成良性循環(huán)，為國產(chǎn)設(shè)備整機(jī)提供組件層面的技術(shù)儲備。

2、有助于避免出現(xiàn)設(shè)備國產(chǎn)化、零部件被卡脖子的窘境。

芯片設(shè)備中大量的高精度零部件，都需要從國外進(jìn)口，不僅交期長，長期來看也有被斷供的可能。不斷從底層出發(fā)積累核心組件的解決方案，由內(nèi)而外的助力設(shè)備整機(jī)的研發(fā)，可以適當(dāng)避免設(shè)備國產(chǎn)化、零部件“卡脖子”的窘境。

結(jié)語

據(jù)悉，產(chǎn)業(yè)中的踐行者也得到了資本的大力支持，近日中芯聚源、東方富海完成參股投資的卓海科技，在芯片量檢測領(lǐng)域致力于實現(xiàn)設(shè)備、零部件及技術(shù)服務(wù)的有效供給和國產(chǎn)化探索，客戶包括華虹半導(dǎo)體、士蘭微、華潤上華等國內(nèi)主流芯片產(chǎn)線。

綜上，重視核心組件的解決方案，鼓勵形成修復(fù)設(shè)備+自研設(shè)備的產(chǎn)業(yè)協(xié)同，既有助于滿足芯片制造環(huán)節(jié)迫切的設(shè)備需求，也是健康可持續(xù)的國產(chǎn)化發(fā)展路徑。