文︱立厷
图︱现场拍摄
半导体行业技术难、门槛高、进步快；一代产品需要一代工艺，而一代工艺需要一代设备。作为大规模制造的基础，半导体工艺设备一直在摩尔定律指引下为半导体器件的集成化、微型化和越来越强大的功能鸣锣开道。
国际半导体产业协会（SEMI）发布的《全球半导体设备业发展回顾与展望》报告显示，2021年全球半导体设备销售总额首次突破1000亿美元，创1030亿美元新高，增长达44.7%。中国、韩国和中国台湾是设备支出的前三大，但我国与国外先进水平相比仍有很大差距；特别是在中美贸易摩擦下，机遇与挑战并存。
在全球半导体争霸战持续升温的大背景下，中国半导体制造设备现状如何，未来怎样？在第二届中国芯集成电路设备——青山湖论坛上，国内设备头部企业大摆龙门阵，畅谈了国产设备现状与未来。
3D IC是我们未来的机会
北方华创是国内集成电路设备领域排名居首的企业，产品涵盖刻蚀机、PVD、CVD、氧化/扩散炉、清洗机、气体质量流量计等多种高端半导体工艺装备及核心零部件。北方华创微电子装备有限公司销售总监张彦召认为：“3D IC是我们未来的一个机会，是我们实现更高性能芯片的一个方向。”
北方华创微电子装备有限公司销售总监张彦召
他表示，伴随摩尔定律的发展，从2000年到现在，芯片尺寸、性能一直在不断迭代，但摩尔定律并不是一个物理学定律。前几年，真正玩家就剩了两三家，从32nm到16nm，产品研发投入成倍增长。
后摩尔时代，尺寸很难再缩小，方向有些迷茫。现在拉动市场的是5G和AI，对芯片的要求是降低尺寸和功耗，提升性能。如何满足市场需求呢？现在，只有台积电、三星、英特尔还在尺寸上追求3nm及以下工艺。另一个方向是投入大量资金和精力研发先进封装工艺。
斯坦福大学教授Subhasish Mitra的研究显示，在神经网络运算中，超过80%的能耗是在不断读取存储器中的数据，因此台积电也在研发各种2.5D/3D封装来整合高宽带存储（HBM）及逻辑芯片，以减少能耗。
2020年6月，英特尔发布Lakefield处理器，使用多块10nm计算芯片（compute die）堆叠在用22nm基底芯片（base die）上，之间使用TSV通孔电气互连，而计算芯片之间的通信则通过基底芯片中的互连来完成。
张彦召说，过去几年，2.5D和3D封装有50%以上的增长，在市场驱动下，关注2.5D和3D封装的人越来越多，资金投入也越来越大。先进封装离不开TSV技术，根据具体应用，TSV有多种集成方案，除了TSV制造本身，还涉及上下面配套互连层及电路层加工方案及加工次序。目前，TSV 2.5D封装已在常见主流器件上应用，包括GPU、CPU、APU、FPGA、内存、传感器等，未来2.5D和3D封装技术的应用会越来越广。
北方华创很早就投入2.5D和3D IC研发，根据TSV不同，采用Via First（先通孔）在基板上开孔，然后做器件，最后封装。现有多品类装备平台涵盖刻蚀、铝填充、铜填充、PVD、热处理、清洗等方面技术储备，在前端到3D IC后道封装都可以满足市场及技术迭代需求。其TSV刻蚀机是根据TSV发展为2.5D和3D应用开发的，可以进行高深宽比刻蚀，保证刻蚀后侧壁的光滑性。
他最后表示：“一个芯片就像一座城市、一幢大厦，芯片制造从前道到后道形成器件需要无数连接，只有更加紧密的连接，才能把芯片这座城市建好。”
离子注入突破难度非常高
离子注入机与光刻机、刻蚀机和镀膜机并称集成电路四大核心装备，开发难度仅次于光刻机，是国家集成电路产业自主安全供应链需要重点突破的装备之一。北京烁科中科信电子装备公司市场与工艺总监曾安生认为：“离子注入是集成电路制造中非常重要的设备，跟整个IC器件密切相关，国产突破难度非常高。”
北京烁科中科信电子装备公司市场与工艺总监曾安生
他介绍说，离子注入属于集成电路制造前道工艺前段，被产品部门整得最惨的也是离子注入工程师，因为器件稍微有一点变化，都是离子注入引起的。整个器件的开关、所有正负电荷分布都是靠离子注入实现的。
之所以离子注入这么难，是因为要把一个离子注入晶圆的特定深度，例如把硼离子，注入要有气体源（如三氟化硼），通过气态电离得到等离子体，筛选和加速形成一个硼离子，通过控制其能量和角度进行注入。不管是6英寸、8英寸到12英寸，从平面工艺到立体工艺，过程基本相同。最重要的是调控精度，如果角度偏差0.1度，器件可能就死掉了，注入离子剂量也一样。
离子注入机属于高壁垒行业，研发和生产过程中涉及高压电子、机械、电气、计算机控制、等离子体物理等多个高技术学科，系统集成难度大，还要考虑下游应用端客户的生产工艺路线和技术水平，技术要求和准入门槛较高。
曾安生说，离子注入机已有50多年历史，从5μm到3nm都需要使用。目前注入机有两家很强，应用材料公司占7成，Axcelis接近2成，剩下的是日本和中国台湾公司，国产占比很小。
他介绍说，烁科中科信的前身是48所，做注入机已有四五十年历史，承担了国家“十二五”02重大专项专项，同时将中束流和大束流离子注入机推向产业化。其现有产品包括中束流和低能大束流，2022年第二季度会推出高能大束流产品，将在一定程度上解决国产替代问题。
不过，面对卡脖子问题，国产离子注入设备在产能和产品线覆盖方面还存在技术短板。另外，企业的困局还在于既要考虑市场需要，又要考虑增长，在产业化方向还需努力。
湿法设备无损清洗是挑战
半导体湿法设备贯穿集成电路制造全流程，随着工艺难度增加，清洗步骤也随之大增，对湿法设备的要求也逐步提升。盛美半导体设备（上海）公司资深工艺总监张晓燕认为：“全球IC产业已开始慢慢往中国迁移，虽然我们的装备产业与韩国和中国台湾比技术水平差异不是很大，但与美国、日本、欧洲还有很大差距。”
盛美半导体设备（上海）公司资深工艺总监张晓燕
她表示，全球清洗设备市场总值49亿美元，中国是清洗设备最大的市场之一，中国台湾、韩国平分秋色。
湿法工艺设备面临的挑战在于，随着工艺尺寸微缩，光刻物理极限最难突破，而新材料的引入、结构微缩使无损伤清洗和无损伤干燥已成为当务之急的课题。另外，尺寸非常小，要求颗粒更小，颗粒的影响程度会更大。对于3D-NAND来说，颗粒小还不够，还要采用高选择比工艺，实现高深宽比结构清洗和高产出。而对于DRAM，目前尺寸已经微缩到1a，也就是12nm、13nm，怎样提高其电容性能，进行高深宽比结构清洗，保证无倾斜坍塌清洗和干燥，是清洗设备厂商要去努力攻克的难题。
目前，盛美半导体湿法产品线基本涵盖80%以上的工艺，2022年将可以覆盖90%以上工艺。公司的创新经验是消化创新、集成创新和原始创新。原始创新是一些理论性创新、技术类创新；早期温饱阶段采用消化吸收创新，然后采用集成类创新，也会有些原始创新的东西出来。
关于产业思考，张晓燕表示，目前国内半导体产业蓬勃兴旺，有巨大市场需求，也有资本大量涌入，这是环境优势，而作为本土装备厂商要体现以下的优势：一是和客户联合开发降低装备成本；二是服务满意度，大厂不接的单也接，让生产商、研发单位满意；三是高效率，减少缺陷、故障，提升良率；四是强基础，做好国产化率、本土产业链和人才梯队培养。
IC检测只做高端
半导体行业是一个倒三角型，几百亿美元的半导体设备产业支撑着几十万亿美元的信息产业，所以设备是基石，而中美贸易战最核心的就是半导体芯片和半导体设备。
上海精测半导体光学事业部总经理李仲禹表示，量测设备涵盖从氧化、光刻、抛光等每道工艺过程，要求非常快速、准确、非破坏性将潜在缺陷找出来，重在工艺控制和能力管理。
上海精测半导体光学事业部总经理李仲禹
在IC制造行业，检测覆盖从硅锭到拉晶的基材制造，再到硅片切割、研磨的厚度、平整度、粗糙度、电子率量测等。在光刻工艺中，还要检测层厚度、宽度和结晶度，以及图形位置准确性、图形缺陷、清洁度等。注入工艺中，要做浓度、氧化层、CVD检测。
他指出，前道芯片制造有上千道工艺，每道工艺良率损失0.1个百分点，最终良率就只有36.8%，因此每个工艺环节的良率控制非常关键，这也是先进节点IC制造中检测所占比重越来越高的原因。
因为技术难度高，目前IC检测国产化率非常低，也是卡脖子难题。2019年前，中芯国际等国内代工厂国产化检测设备为零；2020年，包括晶测在内的国产设备才陆续进入一线代工厂。目前国内所有半导体代工线，特别是低端成熟工艺线和一些“三代半”线，国产IC检测设备占比仍在3%。
2021年全球半导体设备市场已过千亿美元，其中前道检测设备占13.9%，中国设备市场大约176亿人民币，预计未来5年复合增长率是14%，市场非常大。
市场有，挑战也有，李仲禹认为有三：一是尺寸微缩对检测灵敏度的挑战；二是结构创新对量测提出了更高要求，参数之间耦合性加剧，灵敏度会降低，因为尺度降低会造成纳米晶格效应；三是新材料引入要求量测设备能力相应提升，如纳米线等。
在尺寸微缩方面，目前国际量产已经到7nm，而当节点逼近3nm时，很多缺陷会小到一个原子大小，传统光学检查基本无法分辨，因此要求设备灵敏度有几何级提升。例如300毫米硅片上的10nm缺陷，要放大到地球大小才能找到，而且在产线上要非常快速检查所有缺陷，而一个小时吞吐量可能是十几片，需要数据处理和高通量调整等。
复杂的3D结构带来的最大挑战是参数耦合，不仅测量量更大，量之间的耦合度也更高，比如多次曝光后要做多层之间的Overlay（套叠），控制偏差变得更加复杂；高深宽比结构量测难度也远高于以前的工艺。
在新材料、新工艺方面，如二硫化钼和二溴化汞、碳纳米管、纳米线等，除了原来散射测量时自身结构对信号的影响，原子尺度、晶格结构也会对信号造成影响。
李仲禹认为，在线检查主要以光学手段为主，针对纳米节点的多束电镜是技术发展趋势。光学散射测量在半导体产业用得非常广泛，检查尺度越来越小，波长越来越短，并向UV射线延伸，以提高灵敏度。超分辨率光学成像还会继续发展，多种手段混合测量也会用得越来越多。另外，机器学习在IC测量和检查中应用将越来越多，包括机器识别、机器分类。
他表示，IC检测设备为国外几家厂商垄断，前三大占据70%市场，中国市场机会很大。精测只做国产替代，不做替代国产，主要做高端设备，基本上都是国内唯一或国内仅有，而且精度国内最高。其第一个客户是长江存储，已交付近20台设备；目前共在现场装机40多台。“在半导体行业，设备出货没有多了不起，能拿到重复订单，才是对设备的真正认可。”他说。
测试机走出去的故事
全球封测设备市场60亿美元，差不多40亿是测试机，约占63%。测试机又细分为数字、模拟、分立器件、射频等。
北京华峰测控董事兼副总经理徐捷爽说，测试机的发展主线就两个字——并购，从上世纪80年代初的百花齐放，现在基本上是两家独大，占了80%市场份额。在一些细分领域，比如华峰测控做的模拟和电源管理，虽占20%市场份额，但放到全球市场中也就2%。
北京华峰测控董事兼副总经理徐捷爽
他介绍说，作为国内最早进入半导体测试设备行业的企业之一，华峰测控在行业内深耕二十余年，聚焦模拟和混合信号测试设备，产品不仅在国内批量销售，还外销至中国台湾、美国、欧洲、韩国、日本等境外半导体产业发达地区，在产品走出去方面积累了丰富经验。
他分享道，华峰测控1993年成立，2005年开始量产，就两个产品线，只是不同节点而已，上面一层做IC，称为power IC，下面一层做power半导体，在细分市场领域独具特色。目前，其总装机量是4500台，其中国内4200台，几乎每家封测厂、90%设计公司都是其客户。海外占公司年销售额的12%-15%，很难卖进去的日本有9台机器，美国有10台。
回顾海外发展历程，徐捷爽说，第一步是改名字，因为美国人或欧洲人对中文名很难发音。2008年，看到一辆车挺漂亮，是本田雅阁，就用了AccoTEST，全世界任何地方的人都能发这个音。
公司团队有一部分曾做了12年代理，所以从代理做起。首先建立一个公平大气的原则，有些订单的确是人家找上门的，仍然给代理商钱，建立了很好的互动和信任关系。
第二是建立一支优秀团队，“我现在近50岁，所有海外团队的销售都比我大10岁。我把前辈给雇了，不要怕代价高，但是他们是sell from top（自上而下销售），所以一定要用一些所谓的江湖老油子跟客户沟通，”他说。市场经验和客户人脉关系非常重要。
比较难的是售后服务，谁都不愿意做应用开发，所以让代理商吃肉，苦活自己干。通过不断完善服务团队和营销网络，最后建立起一个国际化的事业群体。
海外历程包括三大步，第一步是从被动到主动，2008年到2016年伴随中国封测厂业务发展，如长电、通富，他们接了很多海外业务，一开始被动接触海外客户，慢慢去主动接触。
第二步是从2012年到2019年，开始主动出击欧美设计公司，公司投入费用，拿到客户第一手信息，如最早知道谁在做氮化镓。“我记得当时坐飞机去台湾，有个客户跟我说摩擦测试时间40秒钟，我说绝对不可能，他带我去见这个客户，结果到了台积电。在台积电工厂，一堆博士坐在那里，跟我们谈了半天，我都没听懂，就最后一句话我听懂了：这个可以改变世界。”他说。
主动出击的一个例子是氮化镓。2016年开始进入氮化镓领域，当时只是能测，后来能够测得更好，现在把氮化镓测试时间从40秒钟变成了4秒钟，而且4秒钟测4颗，测试成本是原来的1/4。
在氮化镓测试中，还发挥中国人的聪明才智，做好了就深挖沟，做成一个闭环，全球第一个做出氮化镓专用测试头，从软件到硬件、机械结构申请了10个专利，没人敢碰。
第三步是突破，这也是因为美国封锁了中国公司，突然间机遇来了，这家公司要发展新的业务，从手机进入了汽车领域。测汽车的工艺模块就是用仪器仪表搭出一个测试机，第一台高速测试机测试时间是传统产品的一半，同时实现了直流、交流等测试功能，特别是微秒级，还实现了6000安培短路保护。
有了产品，就可以往海外扩展。经典案例既包括观察一年之久才下手的很麻烦的日本客户，也包括最忌讳假冒、拷贝的法国和意大利客户。
徐捷爽最后表示，即使已在细分市场上占了20%，国内40%以上，差距还是有：进入前十大半导体公司还需要花时间。技术突破是必须的，是一个60分线，否则没法跟人家对话。接下来是比售后服务、价格、文档等等。壁垒有两种，一种是物理量，看得见，一种是看不见的心理量壁垒，是一个很重要的挑战。
未来发展是双循环，目前一定是国内为主，海外为辅。建立国际营销网络，利用一些新机遇争取首发出场很重要，作为替代就已经晚了，因为对手可以降价，可以用别的方式抓住客户。当然，首发出场需要非常好的市场敏感度和一些研发投入。
