台媒:联电2023产能已被抢光!科普:芯片制造的6个关键步骤!

滤波器 2022-03-19 18:02


以下内容转自:半导体行业观察


1. 台媒:联电2023产能已被抢光!


据台媒钜亨网报道,晶圆代工产业市场杂音纷扰,外界对产业景气展望看法分歧,但近期陆续传出晶圆代工厂再度涨价消息,且在Wi-Fi 芯片等应用仍供不应求下,28 纳米产能持续紧缺,传联电2023 年产能早已被客户订光,仅能满足客户一半的需求。

在半导体需求高涨下,过去2 年来晶圆代工产能供不应求,价量齐扬,迎来新一波产业荣景;而在产能吃紧情况未见缓解下,加上看好未来半导体需求持续成长,晶圆代工厂相继扩产,以因应庞大的客户需求。

从各家晶圆代工厂陆续释出资本支出与建厂规划来看,2023 年将起进入成熟制程产能开出的高峰期,尤其28 纳米制程是各家厂商扩产重点,未来竞争可能更激烈,也引发市场对产业可能供过于求的疑虑;而联电日前在法说会上一句「2023 年28 纳米制程产能可能供过于求」,更使市场态度转趋保守。

不过,业界人士指出,联电2023 年产能早已被客户预订一空,且仅能满足一半的需求,客户对28 纳米等制程需求持续强劲下,成为其决定去新加坡建厂的原因之一。

业界人士并说,在联电对外宣布建新厂的前3 个月,就已与客户洽谈订单,采取与南科扩厂同样的长约模式,客户需先支付一定比重的预付款,待达成长约确保期间的投片量,预付款才能拿回。

群联日前也说,虽然市场对晶圆代工产能供过于求杂音频传,但公司向两大晶圆代工厂争取更多产能,都说到明年仍无法满足需求,显见晶圆代工产能仍相当吃紧,特别是28/40 纳米;IC 设计厂敦泰也直言,28/40 纳米产能还是比较紧缺。

虽然在联电开出第一枪,认为2023 年28 纳米制程产能可能供过于求后,加剧市场对晶圆代工展望前景分岐看法,但联电当时也表明,28 纳米是许多应用的甜蜜点,需求将持续成长,供过于求情况相对轻微,而联电28 纳米长约覆盖率达80%,预期仍将维持高度成长。


IC insights:晶圆代工三年连续增长


据ICinsights报道,在 2019 年下降2% 之后,代工市场在 2020 年实现了 21% 的强劲反弹,这主要是因为5G 智能手机的应用处理器和其他电信设备的销售成为强劲的推动力。代工市场在2021 年继续增长,增长了 26%。如果 IC Insights 现在对2022 年代工市场增长 20% 的预测能够实现,那么 2020-2022 年期间将标志着整个代工市场自 2002-2004 年以来最强劲的三年增长跨度。


2019 年之前,代工市场上一次下滑是在 2009 年(-11%)。ICInsights 预计未来五年内纯代工市场不会再次下滑。有趣的是,在过去的18 年(2004-2021 年)中,纯代工市场在其中 9 年增长了9% 或更少,在其他 9 年以两位数的速度增长(2004 年为 40%,2006 年 20%,2010 年43%,2012 年 16%,2013年 14%,2014 年13%,2016 年 11%,2020年 21%,2021 年26%)。

2021 年排名前 12 的代工厂中有9 家位于亚太地区。如总部位于欧洲的专业代工厂X-Fab、总部位于以色列的 Tower(现在预计将被英特尔收购)和总部位于美国的 GlobalFoundries 是去年排名前 12 位的仅有的非亚太地区公司。

具体到中国大陆的晶圆代工厂方面。

2020 年,中芯国际的销售额增长 25%,但这不足以阻止中国代工在整个纯代工市场中的份额下降至 7.6%。


2021 年,中芯国际的销售额增长了 39%,而整个代工市场增长了 26%。根据他们昨晚发布的公告,截至 2022 年 2 月 28 日止两个月(“期间”)的未经审计之综合管理账目的初步评估,本集团营业总收入为 1,223 百万美元左右,较 2021 年同期同比增长了 59.1%;此 期间归属于本公司股东的淨利润为 309 百万美元左右,较 2021 年同期同比增长了 94.9%。展现了强劲的增长势头。

此外,华虹集团去年的销售额增长率是整个代工市场的两倍(华虹集团为52%,而整个代工市场为26%)。因此,中国公司在纯代工市场的份额在2021 年增加了 0.9 个百分点至 8.5%。
 
IC Insights 认为,到 2026 年,中国公司在纯代工市场的总份额将保持相对平稳。尽管中国代工厂计划利用将流入中国的大量政府和私人投资未来五年的半导体市场基础设施(随着中芯国际资本支出在2020 年的大幅增长而变得明显),但他们不太可能竞争领先的代工业务,尤其是考虑到中芯国际被列入实体清单。
 
IC Insights 预计到 2026 年,中国代工企业将占据纯代工市场8.8% 的份额,比 2006 年 11.4% 的峰值份额低2.6 个百分点。

几乎所有科技产品都需要芯片,随着电动车、物联网、AI发展,芯片需求有增无减。这1年来,严重的芯片短缺使车厂受创,让全球体会到芯片的重要,各国全力提振自身半导体晶圆产业,不断示警过度依赖台积电、三星的危害,甚至有人把台韩独占芯片制造,比做是掌握石油的OPEC。到底晶圆制造要赚钱有多困难?为什么只有中国台湾、南韩做得到?

全球半导体产业主要由美国企业掌控,且主导先进技术规格与标准制定。根据半导体产业协会(SIA)和市场研究机构国际数据公司(IDC)的数据,全球半导体产业规模高达4640亿美元。其中,总部位于美国的公司占据半壁江山,如英特尔、美光、高通、英伟达、博通、德仪、AMD等。但是,这些美企大多负责设计芯片,自身并不生产任何零组件,绝大多数的美国半导体公司选择将制造工作外包,而这类外包业务,往往是在海外完成。在距今数十年前,美国把芯片制造的地盘,让给了亚洲国家。全球约3/4的半导体产能集中在亚洲的4个地方:中国台湾、南韩、中国大陆和日本,美国仅占其中的13%。

芯片变得愈来愈普遍且重要,但半导体业本身正在精简化。除台积电之外,唯一有能力商业化生产现今最先进5纳米芯片的只剩下南韩三星。而且台积电还打算生产更高技术的3纳米。时代杂志(TIME)指出,这种最先进的3纳米制程节点,将使美国公司如英特尔和格芯,至少落后2代技术。

一开始,现代电脑产业的黎明期,先行者如英特尔等,大多是同时在自家工厂包办芯片设计和制造。在1980年代以前,半导体业界流行的是垂直整合制造(IDM)的生产模式。一间芯片公司除了设计之外,也常包下芯片制造,及芯片制造出来后的组装、测试、封装等后续工作。

不过,进入1980年代,美企开始面对到日本公司来势汹汹的竞争,为了保持原有的优势,开始把一些制造方面的业务外包给其他公司,目的是专注在更有利可图的设计业务。由于晶圆厂非常昂贵,而且毛利率很低,所以这种用这种方式抵销大量资本投资的风险,显得非常合理。正如哈佛大学商学学院教授史兆威向时代杂志所说的,「这是没人想做的工作」。

台积电正是眼光精准,搭上「无厂半导体公司(fabless)-晶圆代工模式」的热潮。且在其他众多突破之中,台积电也开创最初亏本定价的策略,期待提早进入市场抢得市占后,就能扩大规模、降低成本获利。随着晶圆制造技术不断进步,新的晶圆厂成本飙升,无力负担的晶圆厂只能选择外包,台积电的市占也不停扩张。

毕竟一间公司包办从设计、制造到销售的全部流程,也就是像英特尔的垂直整合制造,需要雄厚的营运资本;三星电子虽然有自己的晶圆厂,能制造自己设计的芯片,但因为建厂成本太高,也必须对外提供代工服务;原本为IDM的AMD(超微半导体),则在2009年转型为无厂半导体公司,将晶圆制造业务独立为格芯。

为何营运芯片厂,需要如此雄厚的资本?在半导体产业发展初期,一些小型公司因擅长芯片设计而起飞,但和其他制造业情况类似,半导体元件制造昂贵的成本、需要频繁更新的技术要求,成为了小型公司发展初期的主要障碍。例如,光是流程中的微影步骤的微影机就所费不赀。如果只制作自家产品,结果便是投入高额设备产能,却无法充分利用,将带来巨额亏损。

半导体产业的致胜关键,已从过去技术研发与管理制度,进展到资本、规模经济为主,惟有足够的资金投入,才能符合新制程要求的环境及设备。有些人认为,成本差异取决于政府资助,但事实上并非如此简单。当半导体业走向技术复杂和资本密集,一旦落后就很难再追上。这几年许多公司的惨痛经验也显示,光是有资本,技术不到位也很难打入芯片制造。

而在其他营运成本方面,美国和亚洲也有很大差距。美国在获得技术人才、保护智财权和接近买家等方面有利。不过,在美国新建芯片厂的成本比在中国大陆、中国台湾、南韩或新加坡高出约30%,比在中国高出多达50%。光是薪资方面,美国平均薪资已较5年前上涨24%。2021年12月,美国平均月薪为4346美元,超过台币12万,若以时薪来看,全美平均时薪为31.31美元,约台币868元,为中国台湾最低时薪168元的5倍以上。

根据华尔街日报,建造一家半导体工厂的成本可能高达200亿美元。先进制程方面,一套EUV微影设备价格约高达1.2亿美元。ICInsights近日报告也指出,其他国家将最少需要5年、每年至少花费300亿美元,才有可能赶上台积电和三星。

整体而言,依芯片制造的大趋势,短时间内要打造更多元的半导体供应链,恐怕很困难。削减成本、规避大量资本投入建厂的风险、远离高污染产业,本就是当初美国把晶圆制造外包给亚洲的主要原因。欧美若想改变现状,也必须承担更高的支出等相应风险,要在此基础上获利,当然不会如想像中容易。



2.  科普:芯片制造的6个关键步骤!


在智能手机等众多数码产品的更新迭代中,科技的改变悄然发生。苹果A15仿生芯片等尖端芯片正使得更多革新技术成为可能。这些芯片是如何被制造出来的,其中又有哪些关键步骤呢?


智能手机、个人电脑、游戏机这类现代数码产品的强大性能已无需赘言,而这些强大的性能大多源自于那些非常小却又足够复杂的科技产物——芯片。世界已被芯片所包围:2020年,全世界共生产了超过一万亿芯片,这相当于地球上每人拥有并使用130颗芯片。然而即使如此,近期的芯片短缺依然表现出,这个数字还未达到上限。

尽管芯片已经可以被如此大规模地生产出来,生产芯片却并非易事。制造芯片的过程十分复杂,今天我们将会介绍六个最为关键的步骤:沉积、光刻胶涂覆、光刻、刻蚀、离子注入和封装。

沉积


沉积步骤从晶圆开始,晶圆是从99.99%的纯硅圆柱体(也叫“硅锭”)上切下来的,并被打磨得极为光滑,然后再根据结构需求将导体、绝缘体或半导体材料薄膜沉积到晶圆上,以便能在上面印制第一层。这一重要步骤通常被称为 "沉积"。

随着芯片变得越来越小,在晶圆上印制图案变得更加复杂。沉积、刻蚀和光刻技术的进步是让芯片不断变小,从而推动摩尔定律不断延续的关键。这包括使用新的材料让沉积过程变得更为精准的创新技术。

光刻胶涂覆


晶圆随后会被涂覆光敏材料“光刻胶”(也叫“光阻”)。光刻胶也分为两种——“正性光刻胶”和“负性光刻胶”。

正性和负性光刻胶的主要区别在于材料的化学结构和光刻胶对光的反应方式。对于正性光刻胶,暴露在紫外线下的区域会改变结构,变得更容易溶解从而为刻蚀和沉积做好准备。负性光刻胶则正好相反,受光照射的区域会聚合,这会使其变得更难溶解。正性光刻胶在半导体制造中使用得最多,因其可以达到更高的分辨率,从而让它成为光刻阶段更好的选择。现在世界上有不少公司生产用于半导体制造的光刻胶。

光刻


光刻在芯片制造过程中至关重要,因为它决定了芯片上的晶体管可以做到多小。在这个阶段,晶圆会被放入光刻机中(没错,就是ASML生产的产品),被暴露在深紫外光(DUV)下。很多时候他们的精细程度比沙粒还要小几千倍。

光线会通过“掩模版”投射到晶圆上,光刻机的光学系统(DUV系统的透镜)将掩模版上设计好的电路图案缩小并聚焦到晶圆上的光刻胶。如之前介绍的那样,当光线照射到光刻胶上时,会产生化学变化,将掩模版上的图案印制到光刻胶涂层上。

使曝光的图案完全正确是一项棘手的任务,粒子干扰、折射和其他物理或化学缺陷都有可能在这一过程中发生。这就是为什么有时候我们需要通过特地修正掩模版上的图案来优化最终的曝光图案,让印制出来的图案成为我们所需要的样子。我们的系统通过“计算光刻”将算法模型与光刻机、测试晶圆的数据相结合,从而生成一个和最终曝光图案完全不同的掩模版设计,但这正是我们想要达到的,因为只有这样才能得到所需要的曝光图案。

刻蚀


下一步是去除退化的光刻胶,以显示出预期的图案。在"刻蚀"过程中,晶圆被烘烤和显影,一些光刻胶被洗掉,从而显示出一个开放通道的3D图案。刻蚀工艺必须在不影响芯片结构的整体完整性和稳定性的情况下,精准且一致地形成导电特征。先进的刻蚀技术使芯片制造商能够使用双倍、四倍和基于间隔的图案来创造出现代芯片设计的微小尺寸。


和光刻胶一样,刻蚀也分为“干式”和“湿式”两种。干式刻蚀使用气体来确定晶圆上的暴露图案。湿式刻蚀通过化学方法来清洗晶圆。

一个芯片有几十层,因此必须仔细控制刻蚀,以免损坏多层芯片结构的底层。如果蚀刻的目的是在结构中创建一个空腔,那就需要确保空腔的深度完全正确。一些高达175层的芯片设计,如3D NAND,刻蚀步骤就显得格外重要和困难。

离子注入


一旦图案被刻蚀在晶圆上,晶圆会受到正离子或负离子的轰击,以调整部分图案的导电特性。作为晶圆的材料,原料硅不是完美的绝缘体,也不是完美的导体。硅的导电性能介于两者之间。

将带电离子引导到硅晶体中,让电的流动可以被控制,从而创造出芯片基本构件的电子开关——晶体管,这就是 "离子化",也被称为 "离子注入"。在该层被离子化后,剩余的用于保护不被刻蚀区域的光刻胶将被移除。

封装


在一块晶圆上制造出芯片需要经过上千道工序,从设计到生产需要三个多月的时间。为了把芯片从晶圆上取出来,要用金刚石锯将其切成单个芯片。这些被称为“裸晶”的芯片是从12英寸的晶圆上分割出来的,12英寸晶圆是半导体制造中最常用的尺寸,由于芯片的尺寸各不相同,有的晶圆可以包含数千个芯片,而有的只包含几十个。


这些裸晶随后会被放置在“基板”上——这种基板使用金属箔将裸晶的输入和输出信号引导到系统的其他部分。然后我们会为它盖上具有“均热片”的盖子,均热片是一种小的扁平状金属保护容器,里面装有冷却液,确保芯片可以在运行中保持冷却。

一切才刚刚开始


现在,芯片已经成为你的智能手机、电视、平板电脑以及其他电子产品的一部分了。它可能只有拇指大小,但一个芯片可以包含数十亿个晶体管。例如,苹果的A15仿生芯片包含了150亿个晶体管,每秒可执行15.8万亿次操作。

当然,半导体制造涉及到的步骤远不止这些,芯片还要经过量测检验、电镀、测试等更多环节,每块芯片在成为电子设备的一部分之前都要经过数百次这样的过程。

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