| 設備修復乾坤大
引言半導體設備種類繁多，國產攻堅的任務繁重，但它們面臨的難題有其共性。本文以小見大，僅以芯片量檢測設備來討論半導體設備國產化攻堅的問題。芯片量檢測設備可細分為檢測（Inspection）和量測（Metrology）兩大環(huán)節(jié)。檢測指在晶圓表面上或電路結構中，檢測其是否出現(xiàn)異質情況，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構缺陷；量測指對被觀測的晶圓電路上的結構尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、關鍵尺寸、刻蝕深度、表面形貌等物理性參數的量測。與芯片封裝產線的測試設備不同，量檢測設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。量檢測設備占芯片產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50%左右的份額。在國內，其國產化率僅為3%。
供應卡脖子
量檢測設備在中國芯片制造產業(yè)擴產及工藝升級的過程中，扮演著必不可少的角色，但在供應層面困難重重。一、我國芯片產線所需設備大部分是設備原廠即將停產或者已經停產的設備，擴產、工藝升級面臨設備短缺的風險；以KLA為例，其客戶主要為先進產線，在大陸的客戶多為三星、海力士等外資芯片產線。根據KLA業(yè)績說明會披露信息，“成熟制程并不是業(yè)務的重要組成部分，KLA約80%的收入來自先進制程客戶”。根據KLA官網介紹，當前明星產品主要應用于先進制程，舉例如下：
大陸的內資芯片產線中，只有極少數工藝制程相對先進，大多數為成熟制程產線，所需設備大部分是設備原廠即將停產或者已經停產的設備，擴產和工藝升級面臨設備短缺的風險。二、國內制程相對先進的芯片產線嚴重依賴于國外原廠，所需的零部件及技術服務無法得到保障。2022年10月7日，美國商務部工業(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、先進芯片制造、半導體設備領域對中國大陸的制裁再次升級。本次限制途徑包括“物項”、“實體”、“用途”、“人員”四類。除非獲得許可證，否則“美國人”不得參與對于先進制程（16/14nm以下邏輯、28層及以上NAND、18nm及以下DRAM）相關的物項（設備、材料、軟件、技術）向中國的轉移行為以及相關協(xié)助和服務。政策出臺后，美國廠商立即停止了對相關大陸產線的設備、零配件支持，嚴重影響了國內先進制程產線及部分成熟制程產線的運營。因此，及時提供核心的零部件及服務、保障國內芯片產線正常運營迫在眉睫。
國產化難題
量檢測設備之所以國產化進程緩慢、國產化率低，主要是由于技術難度大以及產線試錯成本高，因此全面實現(xiàn)國產替代是一個長期且艱巨的過程。一、技術難度大。前道量檢測設備為高精密設備，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、光譜檢測技術、快速運算技術、高精度信號檢測技術等，技術壁壘極高。另外，下游客戶多為量產產線，其對于設備的精密度、穩(wěn)定性等技術要求遠遠高于實驗室。二、芯片產線具有重資產屬性，設備試錯的成本巨大。隨著技術的進步發(fā)展，集成電路前道制程的步驟越來越多，工藝也更加復雜。28nm 工藝節(jié)點的工藝步驟有數百道工序，由于采用多層套刻技術，14nm 及以下節(jié)點工藝步驟增加至近千道工序。根據YOLE的統(tǒng)計，工藝節(jié)點每縮減一代，工藝中產生的致命缺陷數量會增加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”。設備公司在良率管理及工藝管控方面提供綜合的設備、零部件及服務的技術支持，如果產線使用未經驗證的設備，良率會大幅下降，產線運營可能由于無法量產陷于停滯。根據公開信息，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，一味盲目的追求設備國產化，會讓具有重資產屬性的芯片產線面臨巨大的運營風險，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，必須結合全球芯片行業(yè)快速發(fā)展、國內芯片產業(yè)起步較晚的產業(yè)背景。中國芯片產業(yè)要一邊奔跑一邊補作業(yè)，如果等待設備全部國產化后才發(fā)展制造工藝，將不利于縮小與國際的產業(yè)差距。因此芯片制造工藝的追趕與芯片設備的國產化，是同時動態(tài)存在的兩大挑戰(zhàn)。芯片制造的前提是設備及技術服務的穩(wěn)定供應，芯片設備國產化的目標是逐步擺脫依賴最終實現(xiàn)自主可控，前者需要著眼當下的產業(yè)需求，后者則是立足長遠的發(fā)展思路，二者從不同角度出發(fā)，共同服務于發(fā)展國產芯片的總體目標，將伴隨中國芯片發(fā)展的整個進程。重視核心組件的解決方案，鼓勵修復設備+自研設備的產業(yè)協(xié)同，既能滿足下游芯片產線的現(xiàn)實需求，又能相對健康持續(xù)的探索國產化方案，對于中國芯片產業(yè)意義重大。一、通過第三方修復設備滿足芯片產線的現(xiàn)實需求。根據全球芯片產業(yè)的發(fā)展規(guī)律，在設備領域中有設備原廠也有第三方修復設備公司，二者相互補充，其中第三方修復設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成了下圖示例的芯片設備的流通鏈條。
1、終端市場的芯片需求具有多樣性，導致成熟產線跟先進產線同時存在。眾多的應用場景產生不同種類的芯片需求，需要不同工藝水平、先進程度的產線來制造對應的芯片，從而出現(xiàn)了成熟產線、先進產線長期并存同時各自迭代的現(xiàn)象。按照制程來劃分，可以劃分為先進制程產線以及成熟制程產線，目前業(yè)界將7nm及以下制程歸為先進制程。國內小于28nm的邏輯芯片制程工藝只有龍頭企業(yè)可以實現(xiàn)，由于工藝原因量產規(guī)模較小，大多數內資芯片產線為成熟制程產線。2、先進制程芯片產線工藝迭代速度“快”，工藝制程范圍“窄”，不斷的工藝升級產生了源源不斷的退役設備。廣為人知的摩爾定律其實是描述圖示中先進產線的工藝迭代速度，集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔18個月就翻一番。先進產線在不斷開發(fā)新工藝采購全新的原廠先進制程設備的同時，必然會淘汰出一些退役設備，這些退役設備流通進入到二手市場，天然形成對于成熟產線所需設備的供給。3、成熟制程工藝產線的制程范圍“廣”，迭代相對較“慢”，對修復設備具有長期持續(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。對于成熟產線而言，使用修復后的退役設備便可滿足其工藝要求，因此無需花費大量資金去采購遠超自身工藝需求的原廠新設備。綜上，第三方修復業(yè)務的產生和發(fā)展，既符合芯片產業(yè)運行的客觀規(guī)律，又滿足我國下游產線的設備需求，有效地避免了設備短缺局面的出現(xiàn)。二、通過鼓勵自主研發(fā)核心組件及交付修復設備苦練內功，探索健康可持續(xù)的國產化路徑。在量檢測設備與光刻機等最尖端芯片設備領域，實現(xiàn)全部國產化，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，形成修復設備+自研設備的產業(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、修復設備可以提供核心組件的研發(fā)試驗場景。從核心組件層面進行自主研發(fā)創(chuàng)新，通過分析研究修復設備的整機性能表現(xiàn)，持續(xù)優(yōu)化核心組件的開發(fā)設計，可以實現(xiàn)在交付修復設備的同時，積累越來越多的核心組件解決方案。產業(yè)以此形成良性循環(huán)，為國產設備整機提供組件層面的技術儲備。2、有助于避免出現(xiàn)設備國產化、零部件被卡脖子的窘境。芯片設備中大量的高精度零部件，都需要從國外進口，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，由內而外的助力設備整機的研發(fā)，可以適當避免設備國產化、零部件“卡脖子”的窘境。
結語
據悉，產業(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，在芯片量檢測領域致力于實現(xiàn)設備、零部件及技術服務的有效供給和國產化探索，客戶包括華虹半導體、士蘭微、華潤上華等國內主流芯片產線。
綜上，重視核心組件的解決方案，鼓勵形成修復設備+自研設備的產業(yè)協(xié)同，既有助于滿足芯片制造環(huán)節(jié)迫切的設備需求，也是健康可持續(xù)的國產化發(fā)展路徑。
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