來源：?TechSugar

半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)難、門檻高、進(jìn)步快；一代產(chǎn)品需要一代工藝，而一代工藝需要一代設(shè)備。作為大規(guī)模制造的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體工藝設(shè)備一直在摩爾定律指引下為半導(dǎo)體器件的集成化、微型化和越來越強(qiáng)大的功能鳴鑼開道。

國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（SEMI）發(fā)布的《全球半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)發(fā)展回顧與展望》報(bào)告顯示，2021年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售總額首次突破1000億美元，創(chuàng)1030億美元新高，增長達(dá)44.7%。中國、韓國和中國臺(tái)灣是設(shè)備支出的前三大，但我國與國外先進(jìn)水平相比仍有很大差距；特別是在中美貿(mào)易摩擦下，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

在全球半導(dǎo)體爭霸戰(zhàn)持續(xù)升溫的大背景下，中國半導(dǎo)體制造設(shè)備現(xiàn)狀如何，未來怎樣？在第二屆中國芯集成電路設(shè)備——青山湖論壇上，國內(nèi)設(shè)備頭部企業(yè)大擺龍門陣，暢談了國產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀與未來。

3D IC是我們未來的機(jī)會(huì)

北方華創(chuàng)是國內(nèi)集成電路設(shè)備領(lǐng)域排名居首的企業(yè)，產(chǎn)品涵蓋刻蝕機(jī)、PVD、CVD、氧化/擴(kuò)散爐、清洗機(jī)、氣體質(zhì)量流量計(jì)等多種高端半導(dǎo)體工藝裝備及核心零部件。北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司銷售總監(jiān)張彥召認(rèn)為：“3D IC是我們未來的一個(gè)機(jī)會(huì)，是我們實(shí)現(xiàn)更高性能芯片的一個(gè)方向。”

他表示，伴隨摩爾定律的發(fā)展，從2000年到現(xiàn)在，芯片尺寸、性能一直在不斷迭代，但摩爾定律并不是一個(gè)物理學(xué)定律。前幾年，真正玩家就剩了兩三家，從32nm到16nm，產(chǎn)品研發(fā)投入成倍增長。

后摩爾時(shí)代，尺寸很難再縮小，方向有些迷茫。現(xiàn)在拉動(dòng)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(xiàn)在，只有臺(tái)積電、三星、英特爾還在尺寸上追求3nm及以下工藝。另一個(gè)方向是投入大量資金和精力研發(fā)先進(jìn)封裝工藝。

斯坦福大學(xué)教授Subhasish Mitra的研究顯示，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算中，超過80%的能耗是在不斷讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，因此臺(tái)積電也在研發(fā)各種2.5D/3D封裝來整合高寬帶存儲(chǔ)（HBM）及邏輯芯片，以減少能耗。

2020年6月，英特爾發(fā)布Lakefield處理器，使用多塊10nm計(jì)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(jì)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(qū)動(dòng)下，關(guān)注2.5D和3D封裝的人越來越多，資金投入也越來越大。先進(jìn)封裝離不開TSV技術(shù)，根據(jù)具體應(yīng)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(yīng)用，包括GPU、CPU、APU、FPGA、內(nèi)存、傳感器等，未來2.5D和3D封裝技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來越廣。

北方華創(chuàng)很早就投入2.5D和3D IC研發(fā)，根據(jù)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(xiàn)有多品類裝備平臺(tái)涵蓋刻蝕、鋁填充、銅填充、PVD、熱處理、清洗等方面技術(shù)儲(chǔ)備，在前端到3D IC后道封裝都可以滿足市場及技術(shù)迭代需求。其TSV刻蝕機(jī)是根據(jù)TSV發(fā)展為2.5D和3D應(yīng)用開發(fā)的，可以進(jìn)行高深寬比刻蝕，保證刻蝕后側(cè)壁的光滑性。

他最后表示：“一個(gè)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(shù)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(jī)與***、刻蝕機(jī)和鍍膜機(jī)并稱集成電路四大核心裝備，開發(fā)難度僅次于***，是國家集成電路產(chǎn)業(yè)自主安全供應(yīng)鏈需要重點(diǎn)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(jiān)曾安生認(rèn)為：“離子注入是集成電路制造中非常重要的設(shè)備，跟整個(gè)IC器件密切相關(guān)，國產(chǎn)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(chǎn)品部門整得最慘的也是離子注入工程師，因?yàn)槠骷晕⒂幸稽c(diǎn)變化，都是離子注入引起的。整個(gè)器件的開關(guān)、所有正負(fù)電荷分布都是靠離子注入實(shí)現(xiàn)的。

之所以離子注入這么難，是因?yàn)橐岩粋€(gè)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(tài)電離得到等離子體，篩選和加速形成一個(gè)硼離子，通過控制其能量和角度進(jìn)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(diào)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(jī)屬于高壁壘行業(yè)，研發(fā)和生產(chǎn)過程中涉及高壓電子、機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)控制、等離子體物理等多個(gè)高技術(shù)學(xué)科，系統(tǒng)集成難度大，還要考慮下游應(yīng)用端客戶的生產(chǎn)工藝路線和技術(shù)水平，技術(shù)要求和準(zhǔn)入門檻較高。

曾安生說，離子注入機(jī)已有50多年歷史，從5μm到3nm都需要使用。目前注入機(jī)有兩家很強(qiáng)，應(yīng)用材料公司占7成，Axcelis接近2成，剩下的是日本和中國臺(tái)灣公司，國產(chǎn)占比很小。

他介紹說，爍科中科信的前身是48所，做注入機(jī)已有四五十年歷史，承擔(dān)了國家“十二五”02重大專項(xiàng)專項(xiàng)，同時(shí)將中束流和大束流離子注入機(jī)推向產(chǎn)業(yè)化。其現(xiàn)有產(chǎn)品包括中束流和低能大束流，2022年第二季度會(huì)推出高能大束流產(chǎn)品，將在一定程度上解決***問題。

不過，面對卡脖子問題，國產(chǎn)離子注入設(shè)備在產(chǎn)能和產(chǎn)品線覆蓋方面還存在技術(shù)短板。另外，企業(yè)的困局還在于既要考慮市場需要，又要考慮增長，在產(chǎn)業(yè)化方向還需努力。

濕法設(shè)備無損清洗是挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體濕法設(shè)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(shè)備的要求也逐步提升。盛美半導(dǎo)體設(shè)備（上海）公司資深工藝總監(jiān)張曉燕認(rèn)為：“全球IC產(chǎn)業(yè)已開始慢慢往中國遷移，雖然我們的裝備產(chǎn)業(yè)與韓國和中國臺(tái)灣比技術(shù)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(shè)備市場總值49億美元，中國是清洗設(shè)備最大的市場之一，中國臺(tái)灣、韓國平分秋色。

濕法工藝設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)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(jié)構(gòu)微縮使無損傷清洗和無損傷干燥已成為當(dāng)務(wù)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(huì)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(shí)現(xiàn)高深寬比結(jié)構(gòu)清洗和高產(chǎn)出。而對于DRAM，目前尺寸已經(jīng)微縮到1a，也就是12nm、13nm，怎樣提高其電容性能，進(jìn)行高深寬比結(jié)構(gòu)清洗，保證無傾斜坍塌清洗和干燥，是清洗設(shè)備廠商要去努力攻克的難題。

目前，盛美半導(dǎo)體濕法產(chǎn)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(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)是消化創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和原始創(chuàng)新。原始創(chuàng)新是一些理論性創(chuàng)新、技術(shù)類創(chuàng)新；早期溫飽階段采用消化吸收創(chuàng)新，然后采用集成類創(chuàng)新，也會(huì)有些原始創(chuàng)新的東西出來。

關(guān)于產(chǎn)業(yè)思考，張曉燕表示，目前國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)蓬勃興旺，有巨大市場需求，也有資本大量涌入，這是環(huán)境優(yōu)勢，而作為本土裝備廠商要體現(xiàn)以下的優(yōu)勢：一是和客戶聯(lián)合開發(fā)降低裝備成本；二是服務(wù)滿意度，大廠不接的單也接，讓生產(chǎn)商、研發(fā)單位滿意；三是高效率，減少缺陷、故障，提升良率；四是強(qiáng)基礎(chǔ)，做好國產(chǎn)化率、本土產(chǎn)業(yè)鏈和人才梯隊(duì)培養(yǎng)。

IC檢測只做高端

半導(dǎo)體行業(yè)是一個(gè)倒三角型，幾百億美元的半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)支撐著幾十萬億美元的信息產(chǎn)業(yè)，所以設(shè)備是基石，而中美貿(mào)易戰(zhàn)最核心的就是半導(dǎo)體芯片和半導(dǎo)體設(shè)備。

上海精測半導(dǎo)體光學(xué)事業(yè)部總經(jīng)理李仲禹表示，量測設(shè)備涵蓋從氧化、光刻、拋光等每道工藝過程，要求非常快速、準(zhǔn)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(yè)，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(jié)晶度，以及圖形位置準(zhǔn)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(gè)百分點(diǎn)，最終良率就只有36.8%，因此每個(gè)工藝環(huán)節(jié)的良率控制非常關(guān)鍵，這也是先進(jìn)節(jié)點(diǎn)IC制造中檢測所占比重越來越高的原因。

因?yàn)榧夹g(shù)難度高，目前IC檢測國產(chǎn)化率非常低，也是卡脖子難題。2019年前，中芯國際等國內(nèi)代工廠國產(chǎn)化檢測設(shè)備為零；2020年，包括晶測在內(nèi)的國產(chǎn)設(shè)備才陸續(xù)進(jìn)入一線代工廠。目前國內(nèi)所有半導(dǎo)體代工線，特別是低端成熟工藝線和一些“三代半”線，國產(chǎn)IC檢測設(shè)備占比仍在3%。

2021年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場已過千億美元，其中前道檢測設(shè)備占13.9%，中國設(shè)備市場大約176億人民幣，預(yù)計(jì)未來5年復(fù)合增長率是14%，市場非常大。

市場有，挑戰(zhàn)也有，李仲禹認(rèn)為有三：一是尺寸微縮對檢測靈敏度的挑戰(zhàn)；二是結(jié)構(gòu)創(chuàng)新對量測提出了更高要求，參數(shù)之間耦合性加劇，靈敏度會(huì)降低，因?yàn)槌叨冉档蜁?huì)造成納米晶格效應(yīng)；三是新材料引入要求量測設(shè)備能力相應(yīng)提升，如納米線等。

在尺寸微縮方面，目前國際量產(chǎn)已經(jīng)到7nm，而當(dāng)節(jié)點(diǎn)逼近3nm時(shí)，很多缺陷會(huì)小到一個(gè)原子大小，傳統(tǒng)光學(xué)檢查基本無法分辨，因此要求設(shè)備靈敏度有幾何級(jí)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(chǎn)線上要非常快速檢查所有缺陷，而一個(gè)小時(shí)吞吐量可能是十幾片，需要數(shù)據(jù)處理和高通量調(diào)整等。

復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)帶來的最大挑戰(zhàn)是參數(shù)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(fù)雜；高深寬比結(jié)構(gòu)量測難度也遠(yuǎn)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(shí)自身結(jié)構(gòu)對信號(hào)的影響，原子尺度、晶格結(jié)構(gòu)也會(huì)對信號(hào)造成影響。

李仲禹認(rèn)為，在線檢查主要以光學(xué)手段為主，針對納米節(jié)點(diǎn)的多束電鏡是技術(shù)發(fā)展趨勢。光學(xué)散射測量在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)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(xué)成像還會(huì)繼續(xù)發(fā)展，多種手段混合測量也會(huì)用得越來越多。另外，機(jī)器學(xué)習(xí)在IC測量和檢查中應(yīng)用將越來越多，包括機(jī)器識(shí)別、機(jī)器分類。

他表示，IC檢測設(shè)備為國外幾家廠商壟斷，前三大占據(jù)70%市場，中國市場機(jī)會(huì)很大。精測只做***，不做替代國產(chǎn)，主要做高端設(shè)備，基本上都是國內(nèi)唯一或國內(nèi)僅有，而且精度國內(nèi)最高。其第一個(gè)客戶是長江存儲(chǔ)，已交付近20臺(tái)設(shè)備；目前共在現(xiàn)場裝機(jī)40多臺(tái)。“在半導(dǎo)體行業(yè)，設(shè)備出貨沒有多了不起，能拿到重復(fù)訂單，才是對設(shè)備的真正認(rèn)可。”他說。

測試機(jī)走出去的故事

全球封測設(shè)備市場60億美元，差不多40億是測試機(jī)，約占63%。測試機(jī)又細(xì)分為數(shù)字、模擬、分立器件、射頻等。

北京華峰測控董事兼副總經(jīng)理徐捷爽說，測試機(jī)的發(fā)展主線就兩個(gè)字——并購，從上世紀(jì)80年代初的百花齊放，現(xiàn)在基本上是兩家獨(dú)大，占了80%市場份額。在一些細(xì)分領(lǐng)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(nèi)最早進(jìn)入半導(dǎo)體測試設(shè)備行業(yè)的企業(yè)之一，華峰測控在行業(yè)內(nèi)深耕二十余年，聚焦模擬和混合信號(hào)測試設(shè)備，產(chǎn)品不僅在國內(nèi)批量銷售，還外銷至中國臺(tái)灣、美國、歐洲、韓國、日本等境外半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，在產(chǎn)品走出去方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

他分享道，華峰測控1993年成立，2005年開始量產(chǎn)，就兩個(gè)產(chǎn)品線，只是不同節(jié)點(diǎn)而已，上面一層做IC，稱為power IC，下面一層做power半導(dǎo)體，在細(xì)分市場領(lǐng)域獨(dú)具特色。目前，其總裝機(jī)量是4500臺(tái)，其中國內(nèi)4200臺(tái)，幾乎每家封測廠、90%設(shè)計(jì)公司都是其客戶。海外占公司年銷售額的12%-15%，很難賣進(jìn)去的日本有9臺(tái)機(jī)器，美國有10臺(tái)。

回顧海外發(fā)展歷程，徐捷爽說，第一步是改名字，因?yàn)槊绹嘶驓W洲人對中文名很難發(fā)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(fā)這個(gè)音。

公司團(tuán)隊(duì)有一部分曾做了12年代理，所以從代理做起。首先建立一個(gè)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(dòng)和信任關(guān)系。

第二是建立一支優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)，“我現(xiàn)在近50歲，所有海外團(tuán)隊(duì)的銷售都比我大10歲。我把前輩給雇了，不要怕代價(jià)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(jīng)驗(yàn)和客戶人脈關(guān)系非常重要。

比較難的是售后服務(wù)，誰都不愿意做應(yīng)用開發(fā)，所以讓代理商吃肉，苦活自己干。通過不斷完善服務(wù)團(tuán)隊(duì)和營銷網(wǎng)絡(luò)，最后建立起一個(gè)國際化的事業(yè)群體。

海外歷程包括三大步，第一步是從被動(dòng)到主動(dòng)，2008年到2016年伴隨中國封測廠業(yè)務(wù)發(fā)展，如長電、通富，他們接了很多海外業(yè)務(wù)，一開始被動(dòng)接觸海外客戶，慢慢去主動(dòng)接觸。

第二步是從2012年到2019年，開始主動(dòng)出擊歐美設(shè)計(jì)公司，公司投入費(fèi)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(dāng)時(shí)坐飛機(jī)去臺(tái)灣，有個(gè)客戶跟我說摩擦測試時(shí)間40秒鐘，我說絕對不可能，他帶我去見這個(gè)客戶，結(jié)果到了臺(tái)積電。在臺(tái)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(gè)可以改變世界。”他說。

主動(dòng)出擊的一個(gè)例子是氮化鎵。2016年開始進(jìn)入氮化鎵領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)只是能測，后來能夠測得更好，現(xiàn)在把氮化鎵測試時(shí)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(fā)揮中國人的聰明才智，做好了就深挖溝，做成一個(gè)閉環(huán)，全球第一個(gè)做出氮化鎵專用測試頭，從軟件到硬件、機(jī)械結(jié)構(gòu)申請了10個(gè)專利，沒人敢碰。

第三步是突破，這也是因?yàn)槊绹怄i了中國公司，突然間機(jī)遇來了，這家公司要發(fā)展新的業(yè)務(wù)，從手機(jī)進(jìn)入了汽車領(lǐng)域。測汽車的工藝模塊就是用儀器儀表搭出一個(gè)測試機(jī)，第一臺(tái)高速測試機(jī)測試時(shí)間是傳統(tǒng)產(chǎn)品的一半，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了直流、交流等測試功能，特別是微秒級(jí)，還實(shí)現(xiàn)了6000安培短路保護(hù)。

有了產(chǎn)品，就可以往海外擴(kuò)展。經(jīng)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(xì)分市場上占了20%，國內(nèi)40%以上，差距還是有：進(jìn)入前十大半導(dǎo)體公司還需要花時(shí)間。技術(shù)突破是必須的，是一個(gè)60分線，否則沒法跟人家對話。接下來是比售后服務(wù)、價(jià)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(gè)很重要的挑戰(zhàn)。

未來發(fā)展是雙循環(huán)，目前一定是國內(nèi)為主，海外為輔。建立國際營銷網(wǎng)絡(luò)，利用一些新機(jī)遇爭取首發(fā)出場很重要，作為替代就已經(jīng)晚了，因?yàn)閷κ挚梢越祪r(jià)，可以用別的方式抓住客戶。當(dāng)然，首發(fā)出場需要非常好的市場敏感度和一些研發(fā)投入。

審核編輯：符乾江