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即便有了光刻机 为什么也救不了中国半导体

来源:文/星海情报局

2021年对中国半导体产业来说,或许是一个“时来运转”的年份。

一月份,铁了心要封锁中国科技的特朗普竞选失败,灰溜溜地离开了白宫。以至于继任者会不会“萧规曹随”延续特朗普的政策之类的问题都没什么讨论的必要了,毕竟,不论谁在白宫当总统,情况都要比特朗普好太多。

3月3日,又有一个好消息传来——中芯国际刚刚获得了14nm光刻机的供货许可,今年将计划斥资12亿美元来购买荷兰ASML(阿斯麦)公司的光刻机。经过了去年那个充满了动荡和制裁的夏天,中国半导体产业似乎又回到正常的发展轨道上了。

但问题是:光刻机,救不了中国半导体。

或许是光刻机太过于特殊,以至于我们已经把它看做了半导体行业“救命稻草”的代名词。但实际上,光刻机只不过是漫长芯片生产线上的一个部件而已。一条生产线上少说也有几十上百种设备,单纯地进口一个光刻机,显然并不能从根本上解决问题。

当公众将关注的重点全部都放在了光刻机这一种设备身上的时候,我们不自觉地就“失焦”了——我们渐渐地忽略了那些和光刻机一样重要,却没它那么出名的半导体装备。

俗话说得好,“工欲善其事,必先利其器”,半导体行业里更是信奉“一代装备,一代芯片”,半导体装备的水平决定了芯片的水平。

当人们都还在操心“中国芯片”的时候,老司机们的关注重点早就全都放在了诸如北方华创、上海微电子这样的企业上了。套用那句名言就是——“不要问芯片怎么样,要问设备怎么样!”

半导体设备体系有多复杂?

半导体装备是一个极其复杂的系统。

常规来看,诸如台积电、中芯国际这样的大型晶圆厂往往会划分七个独立的区域来完成芯片制造的不同工序,不同的区域中之中,安装相应的设备和准备的材料也不尽相同。

这七个区域分别是:扩散(Thermal Process),光刻(Photo-lithography)、刻蚀(Etch)、离子注入(Ion implant)、薄膜生长(Dielectric deposition)、抛光(CMP)、金属化(Metalization)。

具体来看,每个区域又需要如下设备来完成相应的工艺:

粗略来看,半导体装备至少也有20几种,光刻机不过只是其中一个而已。“一代设备,一代芯片”,除了光刻机之外,其他的设备也都需要达到足够先进的水平才能满足高级制程工艺芯片生产的需要

以中芯国际位于天津的T3 12寸集成电路生产线项目为例:

在一个成熟的、月产1万片12寸晶圆的生产线上,

扩散设备需要22台,CVD设备需要42台,

涂胶去胶设备需要15台,光刻机需要8台,

刻蚀设备需要25台,离子注入设备需要13台,

PVD设备需要24台,研磨抛光设备需要12台,

清洗设备需要17台,检测设备需要50台,

测试设备需要33台,其他各种设备需要17台。

所以,半导体行业是不折不扣的重资产行业——钱基本上都用在买设备上了。而上述的这些晶圆处理设备又是设备中最为重要的组成部分,占了设备投资总额的80%。

如果只是设备种类多,倒也没什么稀奇的。但随着如今芯片的制程工艺越来越走向物理极限,随着台积电、三星这样的大厂开始试制5nm制程的芯片,芯片加工工艺的复杂度也越来越高,所需要的工序也越来越多。

尤其是当制造工艺达到了22nm以下的时候,传统的沉浸式光刻技术已然无能为力,必须使用多重曝光技术。因此,整个芯片的工艺步骤直接突破了1000步的大关。

工序变多了,工艺变复杂了,生产时间也就拉长了——为了保证产能,工厂必须要在生产线上安装更多的设备。因此,在同样的产能下,先进工艺生产线所需要的设备数量远远高于非先进工艺的生产线。

目前,中国国产晶圆厂绝大多数产品的工艺制程仍然相对落后。即便是对于中芯国际这样的头部晶圆厂,14nm/28nm制程的产品也仅仅占比14.6%,占绝大多数份额的仍然是45nm以上制程的产品。

由此我们也可以推断:国内晶圆厂确实缺乏高端、先进的生产设备,整体水平相较于台积电和三星这样的同行较为落后。

在外部封锁越来越严苛的当下,如果国内半导体装备产业一日不能提供足够先进的设备,那么国内的晶圆厂就一日没办法生产更先进的芯片。

国产半导体装备发展情况

综合上图的信息,我们大概可以得到这样的两个结论:

第一,中国半导体装备的产业链很完整。扩散、光刻、刻蚀、薄膜生长。。。。。。半导体产业中的各种核心设备,我们都能生产。

第二,中国半导体整体落后外国1-2代,部分产品落后3代以上。国际领先水平已经达到了7nm,而我们的整体水平还停留在28nm。少数产品达到了国际先进水准(中微半导体刻蚀机),而另外的少数产品落后外国3代(国产光刻机)。

说实话,最后分析出了这个结果,我是很欣慰的——落后不要紧,偏科才要命。虽我们目前的水准不如美国、日本这样的老牌半导体强国,但我们产业的完整程度和他们比起来并不弱

如今,集成电路的工艺制程已经越来越逼近物理的极限,每往前走一步都要付出巨大的努力,国外厂商的研究速度已经放缓。客观来看,中国的半导体产业获得了一个非常短暂又宝贵的窗口期。

只要我们能继续坚持下去,迟早有一天能够追上。

美国的制裁就像一根弹簧——你强它就弱,你弱它就强。一件先进的装备,如果我们没有,那么制裁和封锁的大棒就会砸在头上。而如果我们有了,对方瞬间就会知趣地解除限制。

2015年2月4日,美国商务部下属的产业安全局签署了一份命令,解除了针对中国的“刻蚀机禁令”,其理由便是“中国已经从事实上获取了来自中国企业的、和美国产品数量、品质相当的刻蚀设备,继续实施国家安全出口管制措施已然毫无意义。”

我们有信心追赶世界先进水平,我们也知道只要自己能做出来,禁令就会解除。那么,摆在中国半导体装备企业面前的问题就只剩下一个——如何尽快地追赶先进水平。

尾声:如何追赶

中国半导体装备产业的发展速度和研发实力是很强的,实际上,我们并不用担心中国科研人员的水平和国家政策方面的支持。

中国半导体装备企业最缺的东西,其实是机会。

根据北方华创董事长赵晋荣的观点,中国半导体装备产业的强项在于研发速度和服务质量,弱势则在于起步较晚、缺少产业内的口碑和影响力。

半导体行业是绝对的重资产行业,晶圆厂采购设备必然慎之又慎,一旦出现问题,带来的损失将不可估量。另外,晶圆厂对于技术升级的需求极高,必然坚持选择能力范围内最尖端的技术。

在这样的因素作用下,晶圆厂更多考虑的是设备的可靠性和先进程度,关键在于快速、稳定地实现先进工艺的量产。因此,晶圆厂对于设备质量有严格的要求,往往倾向于购买早已成熟的外国设备。

国产设备由于起步较晚,一方面普遍落后世界先进水平,另一方面也缺少业内的口碑,也就很难进入大型晶圆厂的采购名单。

台积电、三星之类的大厂不买国产设备,国内的晶圆厂看了之后,自然也“求稳”,转身选择购买进口设备。因此,国产半导体设备的市场占有率即使是在中国市场上也不太好看。

这种现象带来的负面影非常严重——芯片的生产不是设备到位就能立刻开始进行的,不同的芯片,加工的工艺也不尽相同。生产线上的几十上百种设备,按照什么顺序、什么时候用什么设备,怎么使用这些设备都需要复杂、严格的论证和试生产。国产装备不被采购,连试生产的机会都没有,自然也就没有在实践中快速改进的机会。

在半导体产业中,装备生产商和晶圆厂之间是密切合作的关系——装备生产商需要根据晶圆厂反馈的一线生产信息来改进设计,晶圆厂也会投资装备生产商来研发领先对手的装备。荷兰光刻机巨人ASML先后就接受了英特尔、台积电和三星总计超39亿欧元的投资,恰恰就是这种关系的体现。

从客观上来说,美国的封锁反而给中国的半导体厂商提供了绝好的机会——受到禁令影响的中国晶圆厂由于很难再采购国外设备,只能选择和国产装备商合作,整个产业链也都在积极进行“国产替代”——在正常情况下需要付出大量成本才能做成的事情,在禁令作用下却迅速推进了。

中芯国际作为中国最大的晶圆厂,由于受到了美国的制裁,如今只能采购国内的半导体设备。借助中芯国际,国产装备也就提高了在产业内的认可度,各大厂商也会更加愿意选择国产设备。现在,已经有很多国内晶圆厂主动向北方华创、中微半导体这样的企业寻求合作了。

现在,国产设备企业的产品已经开始呈现“0-1-n”的迭代特点,实现了核心技术“从零到一”的突破后,剩下的“从1到n”的改良式进步就会快很多。

正如前文我们所说,中国半导体装备产业链很完整,各个领域也都取得了一定的突破,和外国的整体差距正在逐渐缩小。国内的设备厂商目前处于“从零到一”和“从1到n”之间的区域,假以时日,就能够进入国际先进水平。

中国的半导体产业,即将进入属于它自己的良性循环。

现在,中芯国际又能够正常购买ASML的14nm制程光刻机了。这不是因为美国人大发慈悲,而是因为中芯国际已经可以成熟量产14nm制程芯片了。

荷兰进口的光刻机,是结果而不是原因。

光刻机救不了中国半导体,但中国人的智慧与汗水可以。

本文经星海情报局(微信号:junwu2333)授权转载。我们关注“中国制造”的星辰大海之路,转载请联系(ID:junwu2333)授权。

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