光刻机之外,芯片自主我们还有哪些短板

原创 文/林登万 时间:2021-12-22 14:32

尽管自主的道路还很漫长,但产业链上的“空白”已经不再。

对中文互联网上的许多国人而言,这个世界上只两个“国家”:

包含了世间所有美好的那个“外国”,以及囊括了大多数缺点与不足的祖国,也就是我们的中国。

万事都要求自己的国家都做到最好,哪怕排在世界第二都是一种过错。上面这句调侃,讽刺的是一种中文互联网上长期存在的普遍心态。

这种心态的是非对错,本文无意展开讨论。其逻辑固然存在问题,但若以中美大国竞争这个大背景为视角,那么上面这句话,却在无意中戳中了目前如火如荼的芯片自主战略的核心:

640.webp

建立完全自主的芯片产业的意义,其意义堪比科技领域的“开国大典”

当前亟需突围中国芯片制造产业,本质上就是一场中国VS世界几乎全部发达国家的终极竞赛。

在我们取得最终胜利之前,世界芯片产业的现实正如上面那一句——全世界所有的强者们,构筑起了一个华美的芯片制造产业,而我们只有一个羸弱破败的小圈子。

芯片制造产业链上的众多缺环

在芯片自主这个大的话题下,目前围绕着先进制程光刻机的国产化努力,民间舆论可谓轰轰烈烈。

数年来,由上海微电子装备(集团)股份有限公司(SMEE)牵头总抓,彻底摒弃美国技术的全国产28nm制程光刻设备的研发进度问题,一直牵动无数中国人的心。

然而要谈芯片国产化的问题,仅仅盯着光刻机是远远不够的。

作为现代科技和工业实力在微观领域的极致体现,任何一块先进制程芯片的背后,需要一整条足够强大的产业链,乃至于一个近乎“六边形战士”一般,无短板无死角的国家工业体系的支撑。

640.webp (1)

笔者真的希望,我国的工业体系能和马龙的球技那样,全方位无死角的强大

光刻机虽然至关重要,但在其他各个环节中,我们同样存在着众多的短板。

这里,先不考虑晶圆的制造,即硅片制造过程。仅仅解析硅晶片加工最为“技术密集”的前端部分,来分析目前国内产业目前存在的问题。

640.webp (2)

将晶圆加工为芯片的全流程中,图中的芯片制造部分一般被定义为“前端”,而芯片封测为“后端”

步骤一 硅晶片处理

这里需要对切割成薄片的硅晶进行彻底清洗后,进行表面光阻涂膜处理。

简单来说,就是洗干净晶圆,然后进行氧化处理,最后镀上一层膜。

这个步骤需要用到三套关键设备:芯片清洗机、氧化扩散机和薄膜沉积设备。

清洗机,顾名思义就是在加工过程中对晶圆进行清洗用的设备。其工作原理类似洗碗机,但考虑到两者在精密程度上的差别,相似的仅仅是工作原理而已。

在这一领域,独占鳌头的是日本企业。

根据2018年的公开数据,迪恩士(Dainippon Screen)与东京电子(Tokyo Electron,TEL)两家企业,占据了全部市场份额的70.4%。而三星电子旗下的子公司SEMES,和美国的泛林集团(LAM Research)也从中分到一杯羹,吃下了大约27.3%的份额。

640.webp (3)

图中的拉姆研究即为泛林集团的另一种译法

是的,在整个市场份额中,剩下那2.3%属于中国企业。

其中为首的便是盛美半导体公司。排在其之后的,还有北方华创、至纯科技和沈阳芯源微。

目前,日、美企业提供的设备,均可以满足5nm制程的需求。而盛美目前投放市场的清洗机,可满足14nm制程工艺的需要。不过,该公司的新一代设备,正在向着5/7nm的方向冲刺。

氧化扩散设备目前的市场冠军,同样是日本企业,而且其垄断能力比清洗机更胜一筹,达到了总份额的81%(2019年数据)。当然,这不代表美国企业缺乏相关技术。

泛林集团曾对外宣称,具备具有不亚于日本企业的技术。但因其目前并未参与到产业内,而只是保证在必要时可以做到技术自主,故市泛林集团的场份额几乎可以忽略。此外,总部位于硅谷的应用材料公司(Applied Materials),也曾推出过先进电化学沉积设备。

不过考虑到成本和技术路线方面的问题,现阶段就连美国本土的那些晶圆工厂,也均采用日本设备。有鉴于此,目前在该领域内,国内企业并无遭到美国制裁和打击直接风险。

640.webp (4)

当然,在全产业链自主的压力下,中国仍有企业愿意投入资金开展自研。北方华创科技集团股份有限公司便是这方面的领军企业。

截止2019年,北方华创的氧化扩散占据国内市场6%。

至于薄膜沉积设备,拥有最强技术的企业,同样来自美日——不但都能支持5nm制程所需,两国企业占据的市场份额合计也接近80%。

根据2019年的数据,国内存量的薄膜沉积设备中,来自进口的份额高达98%。之所以还有2%非进口设备,离不开北方华创和沈阳拓荆两家企业近年来的努力。

目前,这两家中国企业生产的薄膜沉积设备,已经能够满足28/14nm制程需要,更先进的7/5nm制程设备,目前也正在有序公关中。

近期可解燃眉之急,中远期有望完全自主。

步骤二 光刻

在对晶圆进行前期处理后,就进入到光刻步骤了。

首先是进行涂胶作业。待光刻胶干燥后,即使用光源设备照射表面,使需要保留的胶体产生性变,然后通过显影设备去除不必要的部分。

这其中,涉及到三项关键材料以及设备:光刻胶、光刻机和涂胶显影机。

光刻胶一般又被称光致抗蚀剂,是一种通过强紫外线、电子束、离子束、X射线等照射或辐射,溶解度能发生性状变化的耐蚀剂刻薄膜材料。

这是个小市场,截止2020年末,全球市场规模仅19亿美元。

目前,这个市场主要被日本企业日本合成橡胶(JSR)、东京应化(TOK)、信越化学、富士电子旗下的富士材料,以及美国的罗门哈斯所垄断。尤其是用于12寸晶圆产线的高端EUV、ArF光刻胶产品。

640.webp (5)

光刻胶工作原理

虽然光刻胶同样是一个美国政府通过现有体系无法“捏住”的环节,但考虑到与类似氧化扩散设备类似的问题,国内企业依然对此紧抓不放。

2020年中,南大光电通过苦心公关,突破了ArF光刻胶的生产技术,其产品目前已通过了验收,可以满足7nm制程需要。

而有了光刻胶,就需要有一种设备将其均匀涂抹到需要加工的晶圆上面,同时在光刻步骤完成后,也需要通过该设备去除非必要的胶体。

涂胶显影机一直以来都是被TEL垄断的。2019年,其在国内市场的占有率高达91%。如果算上迪恩仕设备占据的5%,则日企独占了该产业国内市场96%的份额。

640.webp (6)

芯源微研发的自主知识产权涂胶显影设备

不过,同样是2019年,芯源微的份额悄悄出现在了饼图中,占据了约4%左右。

尽管芯源微现阶段的产品,支持28nm制程工艺所需,但根据其官方说明,14nm制程设备目前已处于“即将研发成功”状态,而7/5nm设备也正处于攻坚状态。

640.webp (7)

但不同于光刻胶和涂胶显影机领域的曙光乍现,在先进制程光刻机的方向上,我们可能注定还需要等上一段较长的时间。

现阶段,国内完全实现技术自主的光刻机是上海微电子SSA600/20 ArF型,该设备单次曝光加工90nm制程芯片,通过多次曝光工艺,可实现28nm制程。

然而该公司近年来一直推进的28nm制程项目却并不顺利。目前成品虽然已经成品,但验收工作却并不顺利。据信将被延至2022年。

640.webp (8)

SSA600/20系列光刻机,单次曝光可直接制造90nm制程芯片

尽管尚未能够通过验收,但国产28nm光刻设备的出现,却也迫使瓦森纳协议各缔约方,对此前一直禁运的28nm光刻设备进行了一次大规模的“排除”。

目前,ASML已经对华放开了NXT 1980Di型、NXT 2050i型等最新型28nm光刻设备的业务。截止目前,仅大陆厂商掌握的NXT 1980Di型DUV光刻机的总数,就已经超过20台。

长夜依旧漫漫,尽管我坚信曙光正在地平线下孕育。

步骤三 蚀刻

完成了晶圆的光刻之后,接下来便是要利用光刻胶的保护,使用专用酸性物质,去除硅晶圆上不必要的部分,从而留下充当电路的刻线与沟槽。

如何做到这一点呢?通过纯度达到电子级氟化氢,以及对应的蚀刻机设备

如果说上面的光刻环节,让我们感受到了现实的沉重和无奈,那么在蚀刻材料以及设备领域,你是可以大大松上一口气的。

640.webp (9)

制裁韩国的直接原因,是韩国屡屡以慰安妇来“攻击”日本

2019年最大的科技新闻之一,莫过于日本对韩国发起的三类半导体基本原料制裁。在这3种卡韩国芯片产业脖子的材料中,电子级氟化氢正是其中之一。

日吹是中国互联网的特色现象之一,在当时,也有自媒体跟风鼓噪,故弄玄虚地吹嘘诸如“氟化氢纯度达到小数点后3个九(99.999%)的氟化氢技术只有日本掌握”之类的奇谈怪论。

这当然不是事实。因为三星当时的破解手段,就是分别向位于中国西安和美国德州的化学材料供应商下单,购买电子级氟化氢。

而通过这次被逼上绝路的供应商拓展,三星很快就发现,此前坚持使用日本产品其实是一种“路径依赖”式行为。

至于蚀刻机的局,国内企业破的还要更加早一些。

早在2015年2月4日,美国商务部就宣布解除了对华出口刻蚀机的禁令。其理由为: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。

导致美国禁令毫无意义的原因,来自于中微半导体(深圳)股份有限公司。早在2014年末,该公司就已经拿出了可以满足5nm制程需要的高性能蚀刻机。

640.webp (10)

当然,禁令的解除也并非美国政府的“大度”,反而这更像是一场出于经济利益考虑的阳谋。

因为随着禁令解除,泛林集团、应用材料公司,以及TEL生产的蚀刻机,开始在华铺货。

鉴于美、日企业提供的蚀刻机产品,无论用户数量还是企业口碑,都较国内后辈更加响亮,一时间中微半导体的蚀刻机产品虽然不断见诸报端和媒体,收获了无数社会口碑,但实际商业成果却是寥寥。

所幸通过官方的各种支持,截止去年末,中微半导体的5nm蚀刻机在国内企业中的存量,还是突破了50台规模。而由此积累起的资金,也使得该公司得以全力推进3nm制程的下一代设备的研发。

虽然筚路蓝缕,但毕竟是闯出了一小片天地。

步骤四 离子注入

其实用一句话,就能描述晶圆变成芯片的主要过程:

涂胶显影之后,使用刻蚀机在裸露出的硅上刻蚀出N阱和P阱,再注入离子,形成PN结(逻辑门)。

注意了,在光刻、蚀刻的环节之外,还有一个同样重要的步骤:离子注入,形成PN结。

也只有构筑了逻辑门电路,晶圆才能变成芯片。而完成这个关键步骤的设备,叫做离子注入机

离子注入机市场规模很小。

640.webp (11)

在整套芯片生产线里,如果刻蚀机的价值占比为20%,光刻机的价值占比同样为20%,那么离子注入机占比最多只能算到3%。

实际上在整个2020年,离子注入机的全球市场销售额,仅区区18亿美元而已,比光刻胶市场还小。

在2021年,在全球芯片如此短缺,以及海量芯片项目上马的情况下,这个市场预计也不过增至24~26亿规模。

然而,千万不要小看这个区区的3%。

毕竟,在累累巴巴折腾过了那么多的环节后,如果无法在“画了地图”般的硅晶圆上构筑PN结,那么此前的一切努力都是白费。

也正因为这个市场的小众,所以才更加之“卡脖子”——因为有高达89%的市场份额,为美国的亚舍立半导体公司(Axcelis Technologies)一家独掌。

640.webp (12)

凯世通半导体的低能大束流离子注入机

当然,目前国内半导体产业链上,已经不存在纯粹的“空白”了。

去年年中,北京烁科中科信电子装备有限公司与上海凯世通半导体,均已生产出可支持28nm制程的离子注入机,并已经积极投入到新一代14nm制程设备的研发中。

当然,目前我们只是解决了有还是没有的问题。

步骤五 抛光(CPM)

CMP是Chemical Mechanical Planarization的缩写,指通过化学和机械手段进行抛光。这也是晶圆在被加工成芯片过程中,要反反复复进行的工作之一。

根据国际半导体产业协会年度报告,2018年全球CMP设备的市场规模18.42亿美元,约占晶圆制造设备4%的市场份额,其中中国大陆的CMP设备市场规模,大约为4.59亿美元。

根据高德纳公司(Gartner Group)前两年的数据,该市场目前处于美国应用材料和日本荏原制作所双寡头垄断状态,两家合计占据了90%以上市场份额。

目前,应用材料与日本荏原分别已实现5nm制程和部分材质5nm制程的工艺的应用。而国内CMP市场,包括14nm以下的先进制程,均由上述两家企业的设备所统治。

640.webp (13)

华海清科生产的晶圆CMP设备

所幸在14nm以及以上部分的成熟领域,以清华大学实控的华海清科,以及中国电子科技集团有限公司已经取得了部分突破。自主知识产权的14nm晶圆CMP设备已经抢下了大约15%的市场。

目前,华海清科和中电科均在向着7/5nm方向突破中。

与光刻机这种超级机器相比,CMP设备是一个投入和产出基本正比的领域。

步骤六 检测

尽管这里写了“第六步骤”,但实际这只是为了便于表述。实际上,从“步骤一”中的清洗环节开始,所有这些工序,都始终贯穿于晶圆加工的过程中,根据各自工艺的不同而需要重复十数次乃至数十次。

当然,在这其中如果有哪个环节是最为频繁的,则检测堪称当之无愧。

检测设备根据检测手段的差异,主要分为光学检测和电子束检测两大类。但遗憾的是,这个市场又是被美国企业科磊半导体(KLA-Tencor)所垄断的。该公司不但占据最大的市场份额,还能拿出最先进的产品(理论检测最小值3nm)。

实际上一直到去年,这仍是我国半导体产业的一项关键空白领域,但好在今年7月,上海精测半导体科技有限公司拿出自主产品——首台12寸独立式光学线宽测量设备(OCD)与国内唯一的12寸全自动电子束晶圆缺陷复查设备(Review SEM)。

640.webp (14)

EPROFILE 300FD测量系统

根据上海精测半导体的官方介绍,OCD设备(产品型号为EPROFILE 300FD)主要用于45nm以下、特别是28nm平面CMOS工艺的量测,并可以延伸支持上述先进工艺节点的快速线宽测量。

尽管目前该设备尚未传出商业化运用的消息。

毕竟是实现了从零到一的突破…

中国vs世界

Cymer公司(原美国准分子激光源提供商,现已被ASML并购)的一位工程师,多年前曾在LinkedIn上吐槽称:我工作以来迄今为止的整整十年,都在为如何调整与优化为ASML提供的一个“小零件”奋斗。

而ASML的高管,不久前曾在私下里放出豪言:ASML就算公开图纸,也没人能独立造出光刻机!

640.webp (15)

ASML生产的NXE:3400C型极紫外光刻机

这并非欧美工程师或者企业主的傲慢,他们只是用其惯有的方式,说出了一个事实而已。

以ASML最先进的NXE:3400C型极紫外光刻机来光刻机来说,其供应商遍及欧洲和北美的十余个国家。其中包括蔡司光学等百年老牌巨头,也不乏在各细分行业内的“隐性冠军”。而所有这些供应商,为这套设备提供了超过10万个零部件:

不仅仅是极紫外激光器、高精度自动对准系统,还包括了至少4万个专用紧固件、3000根专用线缆、2公里长的短软管等等,专属但又必不可缺的“小零件”。

为其中一根专用螺栓、一条特质软管而耗费数年甚至十年职业生涯的工程师,其实大有人在。

所以我们可以毫不夸张地讲,先进制程光刻机,就是集合了全球多个科技强国的顶尖技术相互融合的科技结晶。

由此,中国试图完全自主掌握先进制程芯片制造全产业链的努力,本质上就是一次中国和全球所有发达国家之间的科技竞争。毕竟,构筑起当前全球芯片产业链的,是美国以及其全部盟友。

以一己之力与全世界所有发达国家角力,这场竞争看起来令人绝望,不是么?

实际上,更大的困难,并不止在先进制造设备的研发。毕竟,即便差距最大的光刻机,我们还是有希望能够在两三年内拿出可以凑合用的代用品的。

然而在软件的领域,特别是IC电路设计至关重要的EDA(Electronic Design Automation)软件方面,问题似乎是三、五年内,完全无解的。

在硅晶片诞生之初,芯片设计本质上和机械作图没有什么区别。然而随着最近30年来集成电路技术的突飞猛进,集成电路的晶体管数量从数百上千,迅速增至几万、几十万、数百万级别。

为了完成各种大规模集成电路的设计,计算机辅助设计技术(CAD)被引入进来,并逐渐发展为独立的EDA。

640.webp (16)

要人力来设计这样一块芯片,显然是天方夜谭。图为拥有570亿晶体管的苹果M1 Max

例如今年10月中,阿里巴巴旗下平头哥半导体公司,推出的倚天710服务器专用芯片。该芯片以128核与600亿晶体管规模,成为了迄今为止集成晶体管数量最多的量产芯片。

如此规模的晶体管数量,其芯片的电路设计,已经早就不是纯人力可以完成的了。

近20年来,几乎每一款超大规模集成电路的背后,都有着EDA的身影。作为一类自动化设计软件,其通常搭载有大量标准单元库的概念——不同单元库代表特定功能的电路。

在实际工作中,设计人员只需要调用不同的模块,即可有序搭建芯片的基本架构。

在EDA辅助下,设计人员已经不在需要(实际也不可能)去了解每个芯片的所有细节部分。其大多数时候,实际近似于依托一个标准数字模型在那边搞设计。

而EDA,又是一个几乎被美国企业完全垄断的市场。

640.webp (17)

在EDA那不算大的行业中,有着所谓的“三巨头”说法。即成立于1981~1988年间的三家美国企业:新思科技(Synopsys)、铿腾电子(Cadence)和明导国际(Mentor Graphics)。

这三家企业,目前占据了全球接近80%的EDA市场。而在中国国内,来自于这3家企业的软件服务,更是一口吞下了近90%的市场份额。

由于如此的市场占有率,所以对于中国企业而言,来自于EDA软件的威胁,可能远比之光刻机上的“卡脖子”要来的直接。因为无论华为旗下海思半导体,还是阿里旗下的平头哥,绝大部分号称自主知识产权的芯片,都离不开来自于国外公司的EDA工具。

所以,谈到这里,是不是感觉就陷入了一个死循环了?

首先,你必须掌握了先进的计算机软硬件,然后,才能设计出更强大的硬件和软件……

并不是说国内就没有专注于开发EDA软件的企业。然而,一款EDA工具的研发,通常有着极为漫长的周期。

以理想状态来说:软件本身的开发周期大约3年以上,然后还有2年多的磨合期。现实中,任何人想要交出一个可以使用的EDA工具软件,至少需要耗费6年时间。

而且,这还只是初步完成而已。没有大量实际项目的检验,产品覆盖也注定不会全。现实中,鲜有企业愿意冒着流片失败的风险,会去为新的EDA工具充当这个“小白鼠”的。

所以,三巨头在这方面的优势不但明显,而且近乎难以逾越。

以Synopsys为例,该公司提供的每套集成电路设计工具,都历经十余年的打磨和迭代,并且能够提供给IC公司的都是全套工具,因此具备绝对的竞争优势。

可以想象,在如此绝对的优势下,一旦美国对EDA软件实施禁运(甚至不需要用到臭名卓著的长臂管辖权),那么我们企业卡的脖子的问题又会多出设计这一环节。这一切,正如华为在去年5月份所领教的那样。

上世纪90年代,由于特别的政治环境,国内相关产业转为完全依赖美国供应,导致自主研发团队濒临解散。近年带来,随着外部环境的变化,引来了资本的瞩目,开始重新组织团队开发EDA软件,例如华大九天。

640.webp (18)

图片摘自华大九天招股说明书

但可以预计的是,想要突破这一层封锁,我们的企业还需要长期的投入以及漫长的磨合时间。

“你们为什么非要去和美国争?”

笔者有位留学英国的朋友,在美国对华为展开制裁后不久,与他的一位交好的英国籍同学,私下里进行过一次观点交换。而这位总体来说对中国抱有善意的英国年轻人,说出其一直以来的不解。

在现有的国际秩序与技术体系内,干好自己的工作,一起去赚那些“注定被收割的市场”的钱,不就是了吗?

640.webp (19)

朋友坦言,有那么一瞬间,他很想就中国的人口规模、世界市场状况以及全球资源等宏观层面,与这位英国朋友好好谈一谈这个问题。但他随即压下了这股冲动,避免了一次鸡同鸭讲话式的无效沟通的,而是用了一句颇有本文开篇那种风格的话来回答:We are Chinese.

这注定将是一场以年为单位的漫长竞逐,而且目标似乎高不可攀。

然而国人却大可不必就此灰心丧气。因为在这场竞逐中,我们不必以一时得失论成败,更不比因暂时的成败论英雄。对于正处于国家上升期的我们来说,只要做好每个人分内的事情,时间就注定是我们最大盟友。

640.webp (20)

这个世界已经不再需要灯塔,因为朝阳已经冉冉升起

毕竟,通过这次注定将被载于史册的伟大竞争,我们所能失去的只是枷锁,所获得的,将会是整个世界。

【注意:文章版权归属汽车公社,严禁未经授权私自转载,否则追究法律责任,需转载请联系官方微信号:汽车公社】
5
评论专区:
最新评论

汽车公社

一句话点评

C次元