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国内外半导体产业现状分析,我国这两大短板成“芯痛”原因

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发表于 2019-8-23 20:54:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
中国当前的半导体材料产品多用于中低端设备,如发光二极管照明设备、面板等,目前国内半导体下游需求90%以上来自于LED照明行业。我国在基础领域技术成熟,与国外差距不大,甚至某些技术赶超国外、领先全球。然而在高端芯片领域,国内外差距较大。从芯片设计、晶圆加工到封装测试,我国产业链的各个环节均有不足之处,这就导致了终端产品性能无法和国外制备的芯片相匹敌。
本文将从制备工艺和检测设备两个方面,对国内外半导体产业现状进行具体对比。

制备工艺差距导致最终产品无法实现小而精的要求
半导体行业具有较长的产业链,从上游的原料提纯到单晶硅的制备再到下游的光刻和封装,甚至到最后出厂前的测试,每一步都环环相扣,牵一发而动全身。这一套工艺流程必须保证每一步的产品具有高性能,才能保证最后的终端产品可用于高端电子装备。我国在整条半导体芯片产业链中,最上游的原材料纯度不够、中游的高精密制备技术欠缺,从而导致下游产品无法达到国际水平。本节内容将详细阐述晶圆制造产业中外延技术和光刻工艺两大关键环节中我国的劣势。
1.晶圆制造的外延设备有待提高
晶圆制造是指利用二氧化硅作为原材料制作单晶硅,需要熔炼炉、化学气相沉积设备、单晶炉和切片机等设备。晶圆制造的成品是单晶硅片或者单晶硅薄膜。
在单晶硅棒材的生产企业中,中芯国际、中环股份均是国内该领域的佼佼者。随着我国国产电子设备市场的快速扩张,半导体行业下游对上游材料的需求量将持续增大,国内必须尽快扩大棒材的生产直径。但是在生产设备方面,我国目前仍依赖进口,中环股份所用的单晶炉进口于德国,因为国外进口的熔炉可保证炉壁材料不会在单晶硅制备过程中释放其他元素而导致单晶硅不纯。
外延法是生长单晶硅薄膜的关键技术,也是晶圆制造的重要工艺之一。上游环节中单晶硅片的制备方面,国内外差距正在急剧缩小,而在外延技术方面,国内外半导体制备工艺却在逐步拉开差距。此部分将针对晶圆制造中的外延技术进行国内外对比。
▼外延设备差距大——国产CVD设备的国内市场占有率低
●国外生产设备垄断全球
爱思强是德国化学沉积设备领域的领先企业,拥有气相沉积晶体生长的先进技术,其产品是多种高端半导体产品的制备基础。相较下美国半导体设备公司的优势则在于物理气相沉积设备、检测设备、离子注入机等。就晶圆制备设备而言,排名第一的应用材料全球市占有率为19%左右,拥有12000项专利,每年的研发投入超过15亿美元,而国内半导体设备龙头企业北方华创的研发支出每年却不到1亿美元。
●北方华创是中国的AMAT,正发力于缩小PVD设备的差距
北方华创是我国生产半导体设备的主要企业,其主导产品有CVD、PVD、刻蚀机、氧化炉等,均是我国进口价值比较高、技术难度较大的装备。在薄膜制备方面,我国PVD设备是国产化率进展较快的一类设备,正在努力缩小与发达国家的差距。
●气相沉积设备技术壁垒主要集中在温度控制系统上
影响CVD工艺的参数较多,温度是其关键参数之一。随着圆片尺寸的增大以及对膜厚均匀性的要求越来越高,特别是新器件新工艺的发展,对控温精度要求越来越高,许多工艺要求温度上下浮动控制范围不超过0.5°C。CVD工艺中气流要求为层流,但有时会出现湍流或局部漩涡,从而引起局部温度波动。基板加热系统的设计也成为CVD设备研发的难题之一,样品托板的选择也要配合加热系统。设备真空度是另一影响产品性能的关键点,各种镀膜技术都需要一个特定的真空环境。
2. 我国光刻精度低影响集成电路的高效率
上游的晶圆片产品会运送到芯片制备企业进行晶圆加工。晶圆加工是指在晶圆上制作逻辑电路的过程,需要镀膜、光刻、显影、刻蚀、离子注入等工艺过程,需要CVD沉积设备、光刻机、刻蚀机、离子注入机、扩散炉等设备。其中光刻工艺的差距是导致我国半导体芯片性能不足的关键原因,我国在这方面的劣势可以归咎于光刻设备和掩膜版精度不够以及光刻胶的性能差。
▼核心设备光刻机技术落后
光刻机是半导体集成电路制造的核心设备,我国芯片发展受限的一个重要原因在于光刻机技术落后。放眼全球,能够制造出光刻机的国家屈指可数,包括荷兰、美国、日本、中国。其中荷兰的阿斯麦公司占据着无法撼动的龙头地位,垄断了全球80%的光刻机市场。我国无论从产品还是技术上都存在着滞后性,不得不从国外进口价格高昂的成品。
但我国技术也在不断突破。2016年11月长春光机所在光源和物镜系统方面取得历史性突破,“极紫外光刻关键技术研究”也顺利通过测试。这对于我国发展新一代集成电路制造装备是里程碑般的成果,代表国产22-32nm光刻设备指日可待。我国在追赶国外先进技术的同时将新技术产业化的道路仍任重而道远。
▼核心材料光刻胶自给不足
光刻胶是光刻环节所用到的核心材料。光刻胶的生产技术指标卡控十分严格,产品需确保解析度、显影时间、异物数量、附着力、阻抗等参数均达到指标,其成分多样、工艺技术复杂且技术难题众多。因此,国外企业在配方、生产工艺技术等方面一直强势垄断。光刻胶知名的生产厂家多为日美企业,其中日本合成橡胶、东京日化、罗门哈斯、信越化学、富士电子,这5家日本公司占据了全球87%的市场份额。
在光刻胶研发上,我国起步晚,生产能力主要集中在PCB光刻胶、TN/STN-LCD光刻胶等中低端产品。在高端产品上,往往面临由于技术壁垒高被垄断的困局。因此,中国光刻胶企业技术的发展也是半导体崛起的重要环节。
▼关键工具掩膜版精度不够
日本凸版印刷TOPPAN、大日本印刷、美国Photronics等几家国外企业,目前掩膜版水平可做到十几到几十纳米,但国内几家知名企业如华润微电子、无锡中微掩模、苏州制版等目前的制备水平普遍还处在0.13μm以上的级别。由此可见,国内水平还需进一步提高才可与国外企业比肩。
检测设备差距
集成电路的封装是IC生产线的最后环节,在封装过程及出厂前都要进行严格的测试和筛选。我国的封装水平较高,但是检测设备却依然依赖进口。目前半导体检测设备依然被海外巨头所垄断,前道检测市场中美商科磊占据了52%的市场份额;后道检测市场则主要由美国泰瑞达、爱德万、Xcerra所垄断。其中Xcerra是全球第三大后道测试设备的生产商,其ATE检测优势在模拟芯片的测试。
国产设备中,涉足前道检测设备的公司有上海睿励和精测电子,上海睿励主要以膜厚检测为主,精测电子则以面板检测为主;后道检测方面,长川科技是后道检测设备领军企业,并已实现了规模化的进口替代,但目前检测设备主要应用于低端器件——电源管理芯片,而针对存储芯片和模拟芯片领域的检测设备仍处于空白阶段。
本文封面图来源于图虫创意
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