关键时刻开花结果!一文详解中国半导体行业磨剑14载的“02专项”

芯片

2018年4月,美国商务部以中兴通讯行为违规为由,宣告制止美国公司向中兴通讯出口电讯零部件产品,拉开了美国从高科技范畴约束我国工业打开的前奏。

时任董事长殷一民紧接着就表态称中兴“或许进入休克”,让国人清楚知道到了我国在芯片这一顶级技能范畴遭到的约束有多大。

开始“告捷”之后,美国肆无忌惮,将方针对准了我国在民用高科技范畴的代表——华为。所以在接下来的2年间,国人看到美国对华为的约束步步收紧,总算到本年5月,不仅是美国企业,全球一切用到美国技能和产品的企业,都中止了向华为供给服务和产品。

众所周知,在芯片制作范畴要害的先进制程晶圆代工环节,我国根本彻底依靠于外国设备。一时间,消沉、压抑的气氛在职业界延伸。

不过就在这时候,市面上忽然连续传来了几条好音讯。

比方中微半导体现已能够量产全球最高水平的5nm刻蚀机,并在年头宣告成为台积电供货商;6月初,上海微电子宣告霸占28nm光刻机难关,最快2021年交给,将这个范畴的国内外距离缩小到了3-4年;6月末,中电科宣告,自主研制的高能离子注入机功能达世界干流先进水平,年末推出产品。

一系列好音讯着实让不少人提振了精力,但也引发了质疑:曩昔几十年一向落后的工业,怎样一被制裁,一夜之间就争气了起来?是不是又是有些标题党营销号炒作音讯,强行欢腾?

事实上,这些效果尽管“可巧”会集呈现在了这个要害节点上,但它们的诞生既不是营销号的炒作,也不是某些企业偶然的灵光一现,而是曩昔我国从上到下,整个职业十几年长时间、有方案投入的成果。其呈现能够一向溯源到14年前的“02专项”。

什么是02专项?

在21世纪头个十年期间,国家就知道到在顶级科技范畴把握自主技能的重要性。2003年,国务院启动了中长时间科技打开规划的拟定作业,经过3年的研讨和评论,于2006年发布了《国家中长时间科学和技能打开规划大纲(2006--2020年)》。

《大纲》在高科技范畴中划出了16个严峻专项,其时国家决议,这16个严峻专项便是我国接下来要经过中心技能打破和资源集成,在必定时限内完结的严峻战略产品、要害共性技能和严峻工程,是我国到2020年科技打开的重中之重。

而在许多专项之中,关于芯片制作的“极大规划集成电路制作技能及成套工艺”项目就排在第2位,因而职业界将之称为“02专项”。

此外,《大纲》内的01专项也和芯片有关。该专项是“核高基专项”,也便是“中心电子器材、高端通用芯片及根底软件”专项。

从内容上看,01专项着重于芯片的规划以及根底软件的开发等,咱们之前介绍过的EDA软件就归于这一专项的内容。02专项则倾向于半导体制作的硬件问题,光刻机、刻蚀机等归于这一范畴。在前者上,我国现已诞生了海思、紫光等一流的芯片规划企业,但在后者上,我国却长时间被卡住了咽喉。

那么,跟着《大纲》规划的节点2020年现已到来,被寄予厚望的02专项现在怎样样了?

有喜有忧

依据最初的规划,02专项的方针是“要点进行45-22纳米要害制作配备攻关,开发32-22纳米互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺、90-65纳米特征工艺,打开22-14纳米前瞻性研讨,构成65-45纳米配备、资料、工艺配套才干及集成电路制作工业链,进一步缩小与世界先进水平距离,配备和资料占国内商场的比例别离到达10%和20%,开辟世界商场”。

从现在的状况来看,这个规划是稍微保存的。现在的芯片职业现已快进入“5nm年代”,14nm技能研讨怎样也算不上“前瞻”。但在当时被美国封闭的状况下,最先进的制程并不是最大需求,专项中说到的“集成电路制作工业链”才是燃眉之急。

那么,咱们就从集成电路制作工业链的各个环节来看看,02专项开展怎么。

在集成电路制作方面,大致能够分红晶圆制作、封装、测验3个环节,此外还要加上半导体资料制作等配套工业。媒体日常报导的芯片制作工业,大多是指前3个环节。

在这个意义上,集成电路制作设备能够分红分散炉、薄膜堆积设备、光刻机、刻蚀机、离子注入机、化学机械抛光机、清洗机这7种晶圆制作设备,以及晶圆切开机、键合封装机、测验机、分选机、探针台等封测设备。

在此之中,晶圆制作设备的出资总额一般占整个晶圆厂出资总额的75%左右,是整个工业的重中之重,而刻蚀设备、光刻设备、薄膜堆积设备又是其间最重要的3类,别离占晶圆制作设备价值量约24%、23%和18%。

商场

整体而言,我国在整个工业链的一切环节中,均有企业涉猎,不存在技能空缺之处。但详细来看,不同环节相较世界水平仍有差异,可谓有喜有忧。

分散炉

分散炉是半导体出产线前工序的重要工艺设备之一,首要用途是让晶圆在高温条件下对半导体晶圆进行掺杂,改动和操控半导体内杂质的类型、浓度和散布,以便树立起不同的电特性区域。其效果大体和前瞻经济学人文章报导过的离子注入机相似。

关于分散炉的商场信息不多。依据数年前的一份陈述,在卧式分散炉上,国内外的技能距离很小,现已能够代替。但在适用于12英寸硅片的立式分散炉方面,国内厂商依然落后较多。

这个范畴的国外厂商首要是英国Thermco和德国Centrothem thermal solutions,国内厂商首要是北方华创、青岛福润德、中电科48所、青岛旭光、中电科45所。

薄膜堆积设备

薄膜堆积是指任安在硅片衬底上堆积一层膜的工艺,和刻蚀工艺合作,在硅片上制作出需求的元件。好像建房子,薄膜堆积便是在硅片上“建起”需求的东西,刻蚀便是“挖掉”不需求的当地。

薄膜堆积可分为化学气相堆积(CVD)、物理气相堆积(PVD)、其他堆积(3%)。依据Gartner 2018年计算的数据,三者在半导体制作设备比重别离为15%、4%、3%,化学气相堆积无疑是最重要的。

现在而言,国外厂商占有堆积设备绝大部分商场。依据Gartner 2018年的数据,美国运用资料、美国Lam和日本东京电子占有全球CVD设备商场74%的比例;PVD商场仅运用资料一家就占有了74%的比例;其他堆积设备商场,运用资料、Lam 和Aixtron 占有67%的比例。

国内设备厂商中占有必定比例的是北方华创(PVD商场占比1.4%)和中微公司(其他堆积设备商场占7%)。

值得注意的是,2家公司近年来气势杰出,2018年长江存储的2台PVD订单均来自北方华创,2019年的12台也有1台来自北方华创。一起其2019年17台等离子体CVDshebei 中有4台来自沈阳拓荆。

光刻机

关于光刻机及其用途,媒体长篇大论的报导现已有许多,这儿就不再赘述了。

在这个商场,荷兰的ASML(阿斯麦)是名副其实的霸主。2019年的数据显现,全球光刻机出货量99%会集在ASML和日本的尼康、佳能3家。其间ASML比例最高,达67.3%,且独占了高端EUV光刻机商场。

国内现在最先进的光刻机是前文上海微电子的28nm光刻机难关,这一水平缓ASML的距离在3年以上,并且要比及2021年才干交给,是现在我国集成电路制作范畴最大的绊脚石之一。

刻蚀机

刻蚀是用化学或物理办法有挑选地从硅片外表去除不需求的资料的进程,其根本方针是在涂胶的硅片上正确地仿制掩模图形。光刻机在硅片外表“画”出图画后,刻蚀机接着依照图画“挖掉”不需求的当地。

在这个范畴,国外玩家首要有美国Lam、运用资料、KLA-Tencor(2015年被Lam收买),日本东京电子、日立世界,英国的牛津仪器。其间Lam、东京电子和运用资料3家商场占比超越90%。拉姆研讨更是独占全球刻蚀设备半壁河山。

风趣的是,尽管在商场上落后,但这个范畴的我国企业在技能上现已有了反超之势。在去年末的临港新片区出资论坛上,中微半导体CEO尹志尧博士泄漏,他们现已研宣告全球第1台5nm蚀刻机,并取得台积电认可。

离子注入机

离子注入机是现代芯片制作中必不可少的设备,它的效果是将特定的杂质原子以离子加快的方法注入硅半导体晶体内,改动其导电特性,和前面的分散炉相似。详细的技能原理能够参照前瞻经济学人APP之前的文章《不只光刻机,我国在这个半导体中心范畴也摸到了西方“脚后跟”》。

从从前的数据看,这个职业存在较高竞赛壁垒,所以职业会集度较高,并且会集在美国厂商手中。运用资料、Axcelis、AIBT算计占有全球80%的商场。

可是如最初所说,中电科旗下电科配备自主研制的高能离子注入机在6月底完结了百万电子伏特高能离子加快,将在年末前推出首台高能离子注入机,并能够为全球芯片制作企业供给离子注入机成套解决方案。

化学机械抛光机

望文生义,化学机械抛光机便是在晶圆完结前面工序后磨平抛光,以取得既平整、又无划痕和杂质玷污的外表用的。

据Gartner 2017年的数据,全球化学机械抛光机设备商场的供货商首要独占在美国运用资料、日本荏原手中。其间,运用资料又占了全球化学机械抛光机设备商场71%的比例,荏原占27%,2家公司算计占了98%。与此一起,这个商场在曩昔20多年中一向呈继续会集的趋势。

国内化学机械抛光机设备的首要研制单位有天津华海清科和我国电子科技集团公司第四十五研讨所,其间华海清科的抛光机已在中芯世界出产线上试用,2018年1月,华海清科的设备进入上海华力。

不过,国内化学机械抛光机商场依然以进口为主,当年国内化学机械抛光机供应量为279台,华海清科和中电科45所量产的设备仅占25台,不到10%。

清洗机

晶圆制作工艺杂乱,具有许多工序,不同工序中运用了不同的化学资料,一般会在晶圆外表残留化学剂、颗粒、金属等杂质,假如不及时清洗洁净,会影响终究的制品质量。因而,清洗机也是集成电路制作的要害。

清洗设备在半导体设备商场中价值量占比约5-6%,相较光刻、刻蚀等中心设备价值量较低,一起技能门槛较低,比较简单首要完结全面国产化。有研讨称,到2023年清洗机的国产化率可达40-50%。

晶圆切开机

刻有电路硅片被送到封测厂后,首要要做的便是把一整块硅片切成一小块一小块的芯片,这个切开作业便是晶圆切开机来完结的。

关于晶圆切开机的商场数据不多,但整体而言,高精度的切开机长时间以来都依靠进口,特别是日本和德国品牌占有了很多的商场比例。

不过,这一境况或许很快将产生改动。本年5月,我国长城旗下郑州轨道交通信息技能研讨院联合河南通用智能配备有限公司,成功研宣告填补国内空白的半导体激光隐形晶圆切开机。经过西安交通大学、我国兵器工业第214研讨所的职业专家综合测验,确定其功能指标和整体水平为“国内抢先、世界先进”。

据其揭露声称,宣告音讯仅1个月,已接到职业客户意向订单60台,估计本年能发明经营收入2亿元以上。

键合封装机

晶圆片键合机是经过化学和物理效果将两块已镜面抛光的同质或异质的晶片严密地结合起来的机器。

现在先进键合机仍严峻依靠进口,国产键合机与世界技能距离依然较大,但也有长足的前进。暂时键合/解键合机和晶圆键合机的首要厂商为奥地利EVG和德国SUSS,国内则有深圳创异佳、姑苏美图和上海微电子配备。全自动键合机首要为K&S和ESEC 2家主导,ASM、SHIKAWA和KAIJO等公司紧随其后,其他品种键合机厂商首要有中电科、大族激光、北京创世杰、深圳开玖等。

值得一提的是,中电科的Octopus系列晶圆键合机现在已批量在国内龙头封装厂内运用。

测验机

望文生义,测验机便是测验现已做好的芯片的。

现在这个商场由世界厂商主导。日本Advantest、美国Teradyne、Xcerra和Cohu等2018年算计市占率达75%。各家厂商偏重不同,泰瑞达在 SoC 测验机范畴具有绝对优势,市占率 挨近50%;爱德万偏重存储器测验机,其存储器测验机市占率达60%,SoC测验机市占率达 35%;科利登和科休则布局测验机和分选机。

国内厂商在模仿/混合电路测验和分立器材测验范畴可完结进口代替。在SoC和存储器邻域,本乡企业尽管还没有构成老练的产品和商场打破,但已有技能堆集。华峰测控正方案进入SoC测验机商场。

探针台

探针台是和测验机合作运用的机器,用探针和晶圆上的晶粒触摸并逐一测验,将参数特性不符合要求的芯片记录下来,在进入后序工序前予以除掉。

现在,东京精细、东京电子2家公司占有全球约7成的商场比例。我国台湾企业,如台湾惠特、台湾旺矽等也占有较大的商场比例,特别是在LED探针台范畴具有优势。深圳矽电是国内规划最大的探针台出产企业,开展较快,近3年经营收入坚持年均20%以上的增速,国内长川科技、我国电子科技集团45所、西700厂等厂商也有布局。

分选机

分选机同样是和测验机调配运用的机器,首要是用来测验制品芯片,测验坏的芯片不发货。这个范畴的技能难度、进入门槛稍低,是国内封测企业首先进入的职业,现在现已能够和和世界厂商打开竞赛。

整体来说,02专项的施行极大促进了我国半导体工业的打开,尽管还不能说水到渠成,但也能够称之为遍地开花。

2017年,科技部严峻专项办公室介绍称,经过专项施行,我国集成电路职业已从之前“高端配备和资料根本处于空白状况,彻底依靠进口,工业链严峻缺失”,打开成“完结了从无到有的打破,树立起了完好的工业链,使我国集成电路制作技能系统和工业生态得以树立和完善”。




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