新闻链接：
1、ChipChina：聚焦新基建、芯机遇
2、ChipChina：先进封装正挑起集成电路发展的重担
3、ChipChina：IC制造光刻机的发展趋势和技术挑战
4、ChipChina：集成电路应用技术创新发展

作者：MizyHe

半导体制程配套供应链的生态与生机

在上周举办的第四届CHIPChina晶芯在线研讨会上，来自磐允科技与欢芯鼓伍的创始人罗仕洲教授、上海广奕电子科技股份有限公司董事长王作义先生、上海哥瑞利软件股份有限公司的技术总监姬小兵先生、以及Onto Innovation（上海昂图）曝光事业部中国区销售经理董志学先生均发表了演讲。在会议最后的圆桌论坛环节，四位嘉宾分别就“产业配套、二手设备、产业人才、做大做强”发表了各自的看法，话题非常接地气，对于部分正在做设备研发、挣扎求生存与发展的中小型企业、以及相关半导体从业者来说有一定的借鉴作用。

半导体行业现状

全球半导体的规模整体往上走，无论是美国“卡脖子”还是疫情，中国半导体市场在扩充、生态在逐渐形成。站在技术的角度，10nm之前二维和三维撑起了工艺的一片天，之后Silicon Channel被其他材料取代，比方说III-V族材料开始崭露头角。当TSMC迈入5nm制程后，开始出现二维晶体材料，如基于铋的二维材料在TSMC、MIT及台湾大学共同开发的1nm工艺中取得新的进展。一项新工艺从萌芽状态走向量产化，前后需要6~7年的时间，因此，TSMC未来几年投入产线的1~2nm工艺早已在4~5年前就着手布局了。

2010年TSMC凭借CoWOS先进封装技术打败三星顺利拿下苹果A10订单，自此开始符合摩尔定律的技术路线呈现拐点，芯片封装开始从平面朝着垂直式方向发展，高端封测在国内的市场占有率将会大大提升。

后摩尔时代，线宽微缩不再是座独木桥，还有一条走特色工艺的道路，包括模拟/射频、被动元件、高压电源、传感元器件；像中芯绍兴、华润微、华虹集团等国内厂商都在做特色工艺，与之配套的下游封测厂将在bumping、TSV、FlipChip、3D封装和WLCSP等方向拥有广阔的发展空间。

以上趋势会给国内的设备及材料厂商带来什么利好呢？罗教授表示，目前有三个机会可供国内半导体制造商参考：1) 格芯与UMC放弃的7nm及以下工艺，而有些成熟型工艺却拥有很大的市场需求；2) 国内的芯片制造可考虑从后道往前道走；3) 尽管8吋的需求量很大，比如移动产品、无线产品、IoT以及汽车电子，然而产线仍需从8吋扩展至12吋。

展望国内半导体制造业，罗教授认为中美贸易战使得国人第一次正视国内半导体长期仰赖进口的困境，在今后很长时间内我国将会直面技术“卡脖子”问题。在此期间，我们将发展7nm技术（是否能到5nm则视中美博弈结果而论）和特色工艺、提升55nm、28nm等成熟制程的产能，将月产能提升至100万片12吋当量（目前TSMC月产能260万片8吋当量，而中国厂商总体有效产能仅100万片8吋当量），广纳海内外人才，这些将是中国半导体自主化的战略方向。罗教授说，“我们要做到软中带硬，将自主研发与国际合作并行，利用国产化来提升技术；只有技术领先了才拥有真正的话语权融入产业全球化。”

国产半导体设备

近十年来，中国大陆的半导体设备需求量一直往上攀高，2019年中国大陆在全球市场占比22.5%；国产设备的比例略有提升，然而目前国产半导体设备的自给率仅5%左右，在全球市场仅占1-2%（参考智研咨询数据）。

按照半导体设备的种类划分：去胶机以北京屹唐为代表，国产化占比90%以上；而清洗、刻蚀以及热处理设备各占比20%左右，其中量产化的刻蚀设备已突破5nm；PVD、CMP设备各占比10%左右。

据分析，国内干式去胶机与刻蚀机已步入国际序列，5nm制程设备已成功销往TSMC，3nm正在研发当中；而涂胶显影、清洗机、CVD、PVD、热处理机、CMP以及量测机台与国内最先进的产线齐头并进可满足14nm制程要求。光刻机已突破90nm工艺、正进行45nm研发，依旧落后于国内先进产线水平；而离子注入机至今未实现零的突破（图1）。因此，国内对上述11类半导体设备均有布局，每个领域活跃1~2家龙头公司。总而言之，国内自研装备品种覆盖率达40%，总体水平达28nm，少部分进入14/7nm，并已进入海外市场销售。

图1. 中国大陆半导体设备的技术节点。来源：磐允科技报告

新设备离不开试错及量产优化，如果说以前接纳国产设备是出于其他方面的考虑，在如今形势下，大厂的采购策略普遍为：首选国产品牌，国内生产的国外品牌次之，最后才选择国外进口。无论是设备厂商还是end user，都在不遗余力的跑数据跑工艺，在这种氛围下研发与生产更将紧密结合。再者，随着全国各地都在争相建厂，中国已成为全球最大的半导体设备需求地，因此国外企业在中国设厂将成为一种趋势。

湿电子化学与材料

近年来，中国大陆涌现了许多家中低端清洗设备制造商，他们来源不一而足，这给终端用户带来负面的讯息，以为半导体清洗设备的门槛很低、毫无技术含量。罗教授在题为《集成电路芯片制造中的高端光刻机：发展趋势和技术挑战》的报告中为此正名：半导体清洗机不是一台简单的洗衣机，它的理论基础包含化学及化工（热力学、流体力学、动力学）。这个领域技术含量很高。同时，罗教授还设立了一个考核标准，“凡是听说或者正在从事Super-critical-CO2（简称SCCO2）研发工作的，才算得上半导体清洗行业的资深从业人员。”目前只有TEL设备才涉足SCCO2技术，国内拔尖的设备厂商正在做研发工作。

在半导体领域，湿电子化学品主要用于集成电路制造过程中的清洗和腐蚀步骤，其纯度和洁净度影响着集成电路的性能及可靠性。2020年全球湿化学品的市场份额50.84亿美元，相比上年下降3.8%，其中硫酸的需求最大占35%，其次是双氧水占比32%，IPA的供应由于疫情医疗用量而略微捉襟见肘。2020年国内湿电子化学品市场规模突破15亿美元，国内产量约54.68万吨，与国内实际需求量存在约34%的缺口；高阶与高附加价值产品不断进入国内市场。然而，全球湿化学品的需求量会因为湿法工艺步骤的增多以及产能的释放会快速提升。

目前全球湿化学品市场主要分为三大块：欧美企业、日本企业、以及韩国、中国大陆和台湾地区企业，分别占全球市场份额的33%、27%、38%（后三者）。

在高端市场领域，韩企、台企在生产技术上与欧美及日本相比也不遑多让，而中国大陆相关企业距离世界先进水平较远，在个别领域已接近国际领先水平；其中，追求高纯度的基础化学品已陆续放量，而配方型化学药液仍在努力研发中，如光刻胶（193nm DUV）。

湿法工艺材料与设备在半导体市场中价值量占比约5%，较光刻、刻蚀等核心材料与设备更易率先实现全面国产化，故市场空间较大。随着中国大陆的新产线逐渐释放产能，半导体材料市场的规模在逐步扩大，供需差距也在拉大。据统计2019年中国IC应用材料的自给率约为10%（扣除出口额）。

半导体材料的种类繁多，大硅片、气体、光掩膜分别以32.9%、14.1%、12.6%位列前三，而抛光液、抛光垫、光刻胶、湿化学品、溅射靶材分别以7.2%、6.9%、6.1%、4%和3%居后。近年来国内半导体材料生产商加大了研发投入和生产，力争实现国产化替代。

罗教授认为，靶材有望在近年内达到7nm，抛光材料的研发正在努力配合国内14nm产线，光刻胶停留在90nm工艺，而大硅片、湿化学品、电子气体、光掩膜这4类重要材料还停留在22nm研发阶段，后三项工艺材料为了配合14nm产线也提前做了部署（图2）。

图2. 中国大陆半导体材料的技术节点。来源：磐允科技报告

半导体清洗设备

半导体器件集成度和芯片复杂度的提高，工艺对晶圆表面污染物的控制要求越来越高、使得芯片对杂质的敏感度大大提升。因此制程工艺每推进一代，为了降低杂质影响、提高良率，清洗步骤会增加15%左右。半导体清洗的终极目的是：无颗粒、无金属污染、无有机杂质、天然无氧化物、表面无微粗糙度、表面完全氢封端。

一般来说，光刻、刻蚀、沉积等重复性工序前后都需要清洗：1）晶圆端的抛光后清洗，以确保晶圆表面平整度和性能；2）在芯片端，清洗是为了去除晶圆沾染的化学杂质、减小缺陷率，包括扩散前、刻蚀后、离子注入后，去胶、成膜前/后清洗以及机械抛光后清洗；3）封装端包括TSV、UBM/RDL、键合清洗，等等。计算下来，清洗步骤数量约占所有芯片制造工序步骤的30%以上，也是所有芯片制造工艺步骤中占比最大的；例如，80~60nm制程约有100道清洗步骤，22nm制程的清洗步骤近220次。

清洗有化学清洗以及物理清洗之分，化学清洗成本较低产量较高，如RCA、等离子、紫外光、气相/液相、溶剂等，物理清洗有超声波、刷片机、SCCO2、气溶胶等，清洗效率高、会产生物理损伤但初始成本高。随着深宽比数值加大、材料损耗日趋减少，两种清洗方法在混合使用（图3）。

图3. 清洗工艺的未来趋势。来源：磐允科技报告

湿法清洗与干燥工艺是不分家的。当工艺上升到20nm技术节点之后，我们常用的旋转干燥（spin dry）方式不再适用，技术朝着两个方向发展：1) 将液面与容器的角度调整为90度，2) 寻找更低表面张力的新型材料和技术，从H2O（72mN/m）、IPA（21mN/m）到SCCO2（0mN/m）。其中，SCCO2技术只有TEL具备，被用于制造DRAM器件。

据统计，全球半导体清洗设备市场集中度较高，主要由迪恩士、东京电子和LAM、SEMES等日美韩企瓜分，占全球半导体清洗设备市场份额的95%；盛美作为国内唯一的厂商忝列前五。

国产化清洗设备已步入先进制程。国内每年清洗设备的市场规模在15-20亿美元，到2023年清洗机的国产化率可达40%-50%，换算为40-70亿元。未来用于12吋线的槽式和单片式清洗设备将成为主要的市场增量。

经过十多年的努力国产设备厂商已取得了一定的成果：盛美拥有全球首创的SAPS、TEBO兆声波清洗技术和Tahoe单片槽式组合清洗技术，产品适用于45nm以下节点；芯源微的光刻工艺拥有较完善的布局，其单片去胶清洗设备主要是配合核心业务涂胶显影机；北方华创通过收购美国Akrion布局槽式清洗机，旨在28nm以上节点；至纯科技近年来重点投入半导体清洗设备业务，通过日韩团队的帮助及不计成本的投入，在单片机与槽式机领域获得一定的竞争力。

二手设备余热不息

二手设备交易是我国半导体行业非常兴盛的行当，据广奕王董在题为《打造成熟的二手设备平台，助力中国半导体平稳过渡》报告中所述，二手设备占整体市场份额的90%左右，形势严峻。与新设备验证技术方案不同，二手设备的功夫花在前期购入上，包括从竞拍、无害化处理、包装、清关到仓储或move in。客户可以选择三种不同的服务方式：1) As Is+Service，裸机但不保证设备恢复状况，备件与服务另行收费；2) Turnkey则包工艺，为客户提供服务至Tier II）；3) As Is, Where Is，字面上的意思，就是设备状态不定、所在地不定，无质保期。由于二手设备与原厂无关，设备在过保质期后的技术支持和备件耗材会成为客户最为关注的问题。因此，对于专做二手设备业务的厂商而言，打造一个拥有稳定货源、技术改造及客服团队、本地仓储、备品备件库存丰富的平台是上佳之选。

近年来，很多二手设备厂商的业务得到拓展，如广奕利用自身优势将一条日本TI的6吋线搬迁至四川，现在该晶圆厂已实现月产能5~6万片，另一条线是8吋的硅材料厂也将实现量产；还有些联合国外品牌厂商在产业园内建厂代工parts；他们都是二手设备厂商试图融入中国市场、为设备及零部件国产化所做的一次次尝试。

据王董分析，虽说如今设备国产化已上升到国家战略层面，但二手设备还将持续很多年。原因有三：1) 美国对“卡脖子”技术实施封锁；2) 中国大范围建厂，设备需求量大；3) 国产设备仅覆盖小部分的应用；4) 国外淘汰的旧产线没有终止、二手设备的货源不断。

在迈向国产化的道路上，王董分享了他的经验：引进+消化吸收+创新，刚开始完全依赖国外团队，逐步转成中外团队合作，最后将技术交给国内团队来实施；这种方式可节省大量推新时间。

半导体设备专用软件

在题为《CTF设备软件平台应用与开发》的报道中，姬总详细地介绍了GlorySoft公司的五大产品平台，包括智慧数据引擎平台（iDEP）、智慧控制控制平台、生产运营平台、边缘物联平台、以及今日话题重点——智能装备平台中的设备软件平台（CTF）。

CTF是基于分布式结构的集束设备控制平台软件，每项服务可根据项目的实际需要分别部署的独立的工控系统，比方说list、报警、日志服务等等，CTF本身符合半导体设备行业标准的软件框架，包括界面布局和模块化设计。CTF支持windows操作系统（Win 7/8/10），基于国内去美化的需求，正在向Linux移植并支持跨平台，力求解决广大设备厂商的后顾之忧。CTF采用组件化、可视化开发方式，如通用的Robot单元；此外CTF支持高度可定制化，可根据不同用户、不同种类、甚至不同类型或不同型号的设备对于Robot、PM单元等需求的不同进行定制（图4）。

图4. CTF平台系统架构。来源：Glorysoft报告

CTF系统架构分三层。1）底端的驱动层直接与硬件打交道、辅助与外界通信，如PLC、robot，IO服务器读取预先定义好的配置文件，根据文件中定义加载对应的驱动库来实现与硬件的通信。IO服务器本身支持多节点级联，当IO服务器内IO点数量过多达到瓶颈时，可通过分节点部署的方式来缓解压力，IO服务器通过API接口以同步或异步或订阅的方式供上层访问。2）中间的服务层其核心是提供CTC服务，负责整个平台的PM以及wafer调度及其他辅助程序，包括配方、例子、日志服务以及用户管理等。3）顶端UI层有两个模块，包括人机交互UI模块以及用于远程监控的FA模块。

GUI开发是基本功能之一，平台为GUI开发提供可视化开发环境，所有的界面绘制过程都是在开发环境中采用拖拽的方式添加控件、修改配置属性来完成的（图5）。平台支持可定制与扩展。之后姬总对CTF平台如何进行加工调度、IO服务以及二次开发做功能性的介绍，可以这么说，支持二次开发是CTF平台最强大的功能，在此就不一一详述。

图5. 可定义与扩展的GUI开发环境。来源：Glorysoft报告

最后，这套CTF平台已成功在全自动单片湿法匀胶机、全自动单片湿法清洗机、等离子去胶机、MOCVD以及PCB热熔机上应用。

用于板级封装的曝光机

与IC Substrate封装工艺相比，大部分封装厂的光刻基本还在使用LDI设备，曝光速度慢，精度只能达到10µm或以上，若要求更高的分辨率，曝光速度则跟不上，基本不适合量产；ONTO公司看准板级封装市场，早两年推出了适合市场所需的高速光刻机以及光学检测设备。其中光刻机设备分辨率可达到3µm，可满足未来5~10年的市场需求。

在题为《板级封装市场对曝光机的需求演变》的专题报告中，董经理指出，逻辑电路和内存芯片业务在发展，内存正从引线键合封装过渡到先进封装，这对ONTO来说是个机会。Fan-Out扇出型以及IC基板封装无论在工艺规格、层数以及未来所应对挑战方面完全不同。当前量产型Substrate封装其分辨率在10µm以上，未来两年将发展为8/5/3µm，与之对应目前glass封装的分辨率为2~3µm；针对overlay应用，substrate封装现在能做到4~6µm，量产标准为8µm，但glass封装只做到3µm以下。5G应用对于层数的要求越高，一般substrate封装层数做到20，而glass封装的layer做到3~4层（图6）。

图6. ONTO的IC substrate技术路线图。来源：Onto Innovation报告

自整合Nanometrics（光学检测、表面分析）和Rudolph Technologies（缺陷、薄膜量测、光刻机软件）的优势之后，ONTO主推四大板块业务，而本次演讲也涵盖用于工艺控制的检测设备和用于成像的曝光设备。ONTO拥有覆盖晶圆、板级和基板的整条曝光技术产品线，分别对应为JetStep系列X300, X500以及X700，并在晶圆与FOPLP技术上具有市场领导者地位。其次，300mm铜柱和WLCSP技术提高了设备的良品率和拥有成本。

X500提供的最大尺寸是250 x 250mm，最小分辨率3µm±1µm的覆盖性能，最初专为高级基板应用而设，可扩展到RDL-First FOPLP应用。

生态、生机、生存、发展

本次圆桌论坛的主题是“在建厂大潮中寻求稳定发展，于未来应用中觅得创新生机”，从今年国内几大fab厂公开的设备招标结果我们可以看出，国产品牌如伸出触角的蜗牛，在接触和感受这个市场，还远远谈不上收获与享受。于是四位嘉宾从生态、人才、生存与发展四个角度分别对此做简单探讨。

对于设备厂商来说，无论是研发型还是生产型，对周围的半导体生态极为讲究的，目前在长江三角洲已然构建了半导体生态，零备件的采购非常便捷，这将促使具有国产化替代能力的厂商集群化。

关于人才，罗教授认为首要任务是优化人才的配置，无论是正规大学还是培训机构抑或是企业自身，都应培养各个层次的人才，如领军人才、技术型人才、一线生产人员等等。目前我国半导体人才仅72万，存在巨大缺口，因此要保障人才的供应数量。最后要提高人才的质量，注重产学研的投入与交流。Glorysoft的姬总认为，半导体软件行业的人才薄弱，大专院校的计算机专业面向互联网产业，不能直接“拿来主义”，主要靠企业自己培养，人才急缺。

关于中小型半导体企业的生存与发展，罗教授认为应该寻找大企业的支持，原因是这些头部企业已得到大基金或者民间资本、股市投行者的青睐，在大者恒大的前提下，中小型企业很难得到如此多的资源发展，但在细分领域可能会找到方向。广奕王总的观点与之不谋而合，他也认可“大者恒大”，半导体是一个重资产、高投入的长线型行当，中小型企业不要盲目去追求“做大做强”，唯有做精做细才是长存之道。

在迈向国产化的道路上，王董分享了他的经验：引进+消化吸收+创新，刚开始完全依赖国外团队，逐步转成中外团队合作，最后将技术交给国内团队来实施。

最后，无论是人才还是中小企业建立“朋友圈”，罗教授指出2013年组建的欢芯鼓伍（IC Happy Heart）平台都能提供适当的帮助。作为“企业升级加速器”，欢芯鼓伍利用整个团队的影响力，为半导体制造领域的市场、技术、人才、资金、政府打造一座沟通桥梁，通过“学习·分享·互助”帮助中小型以及细分领域的厂商有势可借，助其觅得“合作·创新·共赢”的商机。