半导体

差距很大!又斥巨资买光刻机,国产半导体设备困境如何解?

作者:顾鸿儒来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2018-05-31 18:41我要评论

近日,国内几家于2015~2016年投资建设的半导体制造厂开始进入密集的设备移入期。5月20日,上海华力二期建设的华虹六厂搬入了首台荷兰阿斯麦公司(ASML)生产的NXT 1980Di光刻机,用于其12英寸先进生产线建设项目;长江存储亦于5月19日接入了用于20nm~14nm工艺3D NAND闪存生产的阿斯麦公司的193nm浸润式光刻机。中芯国际也传出消息,于不久之前下单采购了阿斯麦公司的一台EUV光刻机。

密集的设备采购消息一方面显示出几家制造厂的建设项目进展顺利,但是与此同时也反映出,国产设备业的发展存在诸多不足,特别是在半导体关键设备之一光刻机方面,国产品牌的差距仍然很大。改变这种状况,缩小与国际先进水平间的差距还需要长期的努力。

光刻机是皇冠上的明珠

光刻机究竟有多重要,竟能让各大知名厂商争先恐后地引入?这要从集成电路的光刻工艺说起。传统的集成电路光刻工艺是通过曝光的方法,将掩膜上的电路图形转移到光刻胶上,然后通过显影、刻蚀等工艺将电路图形转移到硅片上。这一系列的光刻工艺过程在芯片生产过程中需要重复25次左右。与此同时,光刻在芯片成本中也就占据了相当大的比例。在上述的工艺流程中,硅片的涂胶、曝光、清洗等重要步骤都离不开光刻机的使用,而光刻机的分辨率、精度也成为其性能的评价指数,直接影响到芯片的制程水平以及性能水平。

在芯片的制造流程中,对光刻机的技术要求十分苛刻。光刻机将光线透过图形的掩膜板,打到硅片上,再通过曝光等流程,将需要挖掉的部分稀释掉,进一步利用掩膜板,确保需要的部分不被稀释,从而保留设计中的线路。上述的整个流程需要纳米级的加工精度,对于功率以及光源的要求也十分复杂。“光刻机是半导体制造皇冠上的明珠,没有光刻机,半导体制造是进行不下去的。”中国电科首席专家柳滨对《中国电子报》记者说。

作为集成电路芯片制造里最关键的设备,光刻机的制造和维护需要极为先进的工艺技术。而这些技术在全球半导体领域的厂商中,只被少数企业掌握。在14nm及以下的工艺制程中,只有荷兰阿斯麦公司的光刻机达到了相关的技术要求。在光刻机领域中,阿斯麦公司掌握了90%%左右的市场份额。该公司目前最先进的两代光刻技术分别是浸入式光刻机和极紫外线光刻机(EUV)。

集邦咨询半导体产业分析师郭高航告诉记者,此次上海华力以及长江存储引进的光刻机并不是ASML最为先进的EUV设备。两家企业引入的分别是NXT 1980Di光刻机和193nm浸润式光刻机。

市场需求与销售不成正比

中国也在进行光刻机设备的研制与开发,比如上海微电子在国家02专项的支持下就取得了一些成绩。根据柳滨的介绍,目前上海微电子的90nm光刻机虽然尚未完全产业化,但是已经达到了工程化的层次。“上海微电子是我国光刻机领域中的代表企业,在国家02专项的支持下,上海微电子积极布局光刻机制造,在完成90nm工程化的同时,也对45nm的集成电路光刻技术进行研究。除此之外,在后封装光刻机、LED光刻机领域,上海微电子也有所涉及。在投影光刻上,上海微电子是唯一一家国内企业。”柳滨说。

但是与国际水平相比,我国光刻机技术仍处于落后阶段。柳滨向记者表示,一方面,我国光刻机技术落后于国际2~3代。而造成这种情况的原因与产业生态有很大的关系。生产光刻机除了要达到一定工艺技术的要求之外,更重要的是需要完善的生态环境。ASML的成功离不开台积电、三星等下游厂商的调配数据,同样,我国光刻机的制造也需要下游厂商在修订和调配上给予支持,但是,我国半导体产业链的生态环境尚未成熟,这就为光刻机的制造增加了难度。

另一方面,人才的缺失则是自主研发的最大门槛。上海微电子有限公司总经理贺荣明就曾公开表示,发展光刻机需要高素质人才,而培养人才将会是制造光刻机中最重要的工作。

光刻机只是我国半导体设备业中的一个缩影。近年来为了扶持我国设备业发展,国家推出了众多政策支持和资金支持,虽然我国半导体设备的市场需求量非常大,但是国内设备企业的销售规模却一直难以拓展。“中国半导体设备企业的销售规模与市场需求极不相称。”郭高航对《中国电子报》记者说。

根据集邦咨询顾问统计的数据,2017年中国半导体设备市场需求规模达到82.25亿美元,占到全球市场15%%左右水平,虽然近两年设备厂商在光伏、LED、面板及封测设备领域有较强表现,但半导体设备厂商营收全球占比仍处于个位数级别。

“为进一步推进产业发展,政策与资金纷纷给予相应支持。截至2017年年底,大基金参与投资支持半导体设备厂商,例如中微半导体、北方华创、长川科技、拓荆科技、睿励科学仪器等,并在部分设备领域已取得一定突破。”郭高航说。

但是中国设备业的技术水平与国际之间的差距依旧不小。集成电路涉及的设备高达百余种,牵扯到的技术更是难以细数,即使再多的资金支持,没有技术积累依旧会造成“无产出”的局面,并且随着设备造价的逐渐提升,“小投入无产出,大投入高回报”将成为设备业发展的一种规律,资金、技术、人才依旧是我国设备业发展路上有待解决的问题。

上下游协同推动设备业发展

虽然我国设备业发展面临的问题很多,但是移动电子、通信、汽车电子、物联网等领域的高速发展为我国设备业提供了发展机遇。市场需求驱动产业发展,突破设备供给质量,提升设备性能以及工艺适用性、增强产业链上下协同作用成为目前需要解决的最大问题。

柳滨向记者表示,一方面,意识到发展设备业的重要性十分重要,设备是集成电路的基础,需要国家和产业的高度重视。另一方面,设备业的发展离不开零部件的支持,但是目前我国在设备零部件上处于被封锁状态,除了几项关键零部件在积极研发外,其他的零部件均为进口,我国自主生产零部件的市场占有率极低,需要有关方面高度重视。

在研发投入上,柳滨表示,设备业的发展需要持续的投入,并且要有“小投入无产出,大投入高回报”的准备。针对目前国内半导体设备产业链不完整、支撑能力弱、不能与半导体制造同步发展等现况,需要加大对设备产业发展的支持,打造国内设备产业发展的政策机遇。

作为半导体产业链的上游环节,半导体设备产业的发展,离不开国家的支持。由于设备业自身的产业现状,设备制造单位不可能与世界上已经成熟的设备供应商具备相同的实力。所以设备业的发展需要巨大研发经费投入、专业技术队伍建设以及与下游芯片制造商建立起长期的合作关系。“与下游芯片制造商建立长期合作关系最为重要,这已经成为我国半导体设备产业发展长期存在且还未最终解决的关键环节。”柳滨说。

国内半导体产业链上下游企业协同发展是国家战略顶层设计的措施之一,要实现这一战略要求,柳滨表示,首先设备制造商保证设备供给质量。其次下游企业要积极配合,国家除了首台套激励政策外,更多地站在市场角度和商业层面理顺这种需求和供给关系,比如先建立200mm国产设备示范应用线或引导线,补齐国产设备门类缺失的短板,提升国产设备应用信心。

郭高航建议,高阶晶圆制造设备可先安排在部分中试线或国内某些研发中心做测试,待国内的高阶产线趋于稳定后,再进一步考虑将本土设备切入量产产线进行全面验证。“在验证过程中,需要有魄力的设计公司参与进来,更需要政府针对各参与方在政策和资金方面给予全力支持。”郭高航说。

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责任编辑:赵强

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