今天小編分享的科技經驗：從量檢測看國產芯片設備攻堅，歡迎閱讀。
| 設備修復乾坤大
引言
半導體設備種類繁多，國產攻堅的任務繁重，但它們面臨的難題有其共性。本文以小見大，僅以芯片量檢測設備來讨論半導體設備國產化攻堅的問題。
芯片量檢測設備可細分為檢測（Inspection）和量測（Metrology）兩大環節。檢測指在晶圓表面上或電路結構中，檢測其是否出現異質情況，如顆粒污染、表面劃傷、開短路等對芯片工藝性能具有不良影響的特征性結構缺陷；量測指對被觀測的晶圓電路上的結構尺寸和材料特性做出的量化描述，如薄膜厚度、關鍵尺寸、刻蝕深度、表面形貌等物理性參數的量測。與芯片封裝產線的測試設備不同，量檢測設備貫穿芯片制造的工藝過程，以實現對重要環節的良率監控。
量檢測設備占芯片產線總投資額的比例為 12% 左右，全球市場幾乎被國外頭部公司壟斷，其中美國公司 KLA 一家占據 50% 左右的份額。在國内，其國產化率僅為 3%。
供應卡脖子
量檢測設備在中國芯片制造產業擴產及工藝更新的過程中，扮演着必不可少的角色，但在供應層面困難重重。
一、我國芯片產線所需設備大部分是設備原廠即将停產或者已經停產的設備，擴產、工藝更新面臨設備短缺的風險；
以 KLA 為例，其客戶主要為先進產線，在大陸的客戶多為三星、海力士等外資芯片產線。根據 KLA 業績說明會披露信息，" 成熟制程并不是業務的重要組成部分，KLA 約 80% 的收入來自先進制程客戶 "。
根據 KLA 官網介紹，當前明星產品主要應用于先進制程，舉例如下：
大陸的内資芯片產線中，只有極少數工藝制程相對先進，大多數為成熟制程產線，所需設備大部分是設備原廠即将停產或者已經停產的設備，擴產和工藝更新面臨設備短缺的風險。
二、國内制程相對先進的芯片產線嚴重依賴于國外原廠，所需的零部件及技術服務無法得到保障。
2022 年 10 月 7 日，美國商務部工業與安全局（BIS）公布了對于中國出口管制新規（1007 新規），針對高算力芯片、超級計算、先進芯片制造、半導體設備領網域對中國大陸的制裁再次更新。本次限制途徑包括 " 物項 "、" 實體 "、" 用途 "、" 人員 " 四類。除非獲得許可證，否則 " 美國人 " 不得參與對于先進制程（16/14nm 以下邏輯、28 層及以上 NAND、18nm 及以下 DRAM）相關的物項（設備、材料、軟體、技術）向中國的轉移行為以及相關協助和服務。
政策出台後，美國廠商立即停止了對相關大陸產線的設備、零配件支持，嚴重影響了國内先進制程產線及部抽成熟制程產線的運營。因此，及時提供核心的零部件及服務、保障國内芯片產線正常運營迫在眉睫。
國產化難題
量檢測設備之所以國產化進程緩慢、國產化率低，主要是由于技術難度大以及產線試錯成本高，因此全面實現國產替代是一個長期且艱巨的過程。
一、技術難度大。
前道量檢測設備為高精密設備，需完成納米級别的測量、檢測工作，主要由傳輸單元、光路處理單元、信号單元、量檢測單元等系統組成，包含成千上萬個具體模塊，涉及高真空腔傳輸技術、光譜檢測技術、快速運算技術、高精度信号檢測技術等，技術壁壘極高。
另外，下遊客戶多為量產產線，其對于設備的精密度、穩定性等技術要求遠遠高于實驗室。
二、芯片產線具有重資產屬性，設備試錯的成本巨大。
随着技術的進步發展，集成電路前道制程的步驟越來越多，工藝也更加復雜。28nm 工藝節點的工藝步驟有數百道工序，由于采用多層套刻技術，14nm 及以下節點工藝步驟增加至近千道工序。
根據 YOLE 的統計，工藝節點每縮減一代，工藝中產生的致命缺陷數量會增加 50%，因此每一道工序的良品率都要保持在非常高的水平才能保證最終的良品率。當工序超過 500 道時，只有保證每一道工序的良品率都超過 99.99%，最終的良品率方可超過 95%；當單道工序的良品率下降至 99.98% 時，最終的總良品率會下降至約 90%，因此，制造過程中對工藝視窗的挑戰要求幾乎 " 零缺陷 "。
設備公司在良率管理及工藝管控方面提供綜合的設備、零部件及服務的技術支持，如果產線使用未經驗證的設備，良率會大幅下降，產線運營可能由于無法量產陷于停滞。根據公開信息，對于尖端的邏輯晶圓廠而言，1% 的良率提升意味着 1.5 億美元的淨利潤。
因此，一味盲目的追求設備國產化，會讓具有重資產屬性的芯片產線面臨巨大的運營風險，反而舍本逐末，不利于芯片制造環節的發展。
破局
解決上述難題，必須結合全球芯片行業快速發展、國内芯片產業起步較晚的產業背景。中國芯片產業要一邊奔跑一邊補作業，如果等待設備全部國產化後才發展制造工藝，将不利于縮小與國際的產業差距。
因此芯片制造工藝的追趕與芯片設備的國產化，是同時動态存在的兩大挑戰。
芯片制造的前提是設備及技術服務的穩定供應，芯片設備國產化的目标是逐步擺脫依賴最終實現自主可控，前者需要着眼當下的產業需求，後者則是立足長遠的發展思路，二者從不同角度出發，共同服務于發展國產芯片的總體目标，将伴随中國芯片發展的整個進程。
重視核心組件的解決方案，鼓勵修復設備 + 自研設備的產業協同，既能滿足下遊芯片產線的現實需求，又能相對健康持續的探索國產化方案，對于中國芯片產業意義重大。
一、通過第三方修復設備滿足芯片產線的現實需求。
根據全球芯片產業的發展規律，在設備領網域中有設備原廠也有第三方修復設備公司，二者相互補充，其中第三方修復設備是制造成熟制程芯片的主力軍。在芯片行業出現這種現象絕非偶然，其主要原因是以下三個其他行業不具備的特殊性，這三個特殊性共同構成了下圖示例的芯片設備的流通鏈條。
1、終端市場的芯片需求具有多樣性，導致成熟產線跟先進產線同時存在。
眾多的應用場景產生不同種類的芯片需求，需要不同工藝水平、先進程度的產線來制造對應的芯片，從而出現了成熟產線、先進產線長期并存同時各自迭代的現象。
按照制程來劃分，可以劃分為先進制程產線以及成熟制程產線，目前業界将 7nm 及以下制程歸為先進制程。
國内小于 28nm 的邏輯芯片制程工藝只有龍頭企業可以實現，由于工藝原因量產規模較小，大多數内資芯片產線為成熟制程產線。
2、先進制程芯片產線工藝迭代速度 " 快 "，工藝制程範圍 " 窄 "，不斷的工藝更新產生了源源不斷的退役設備。
廣為人知的摩爾定律其實是描述圖示中先進產線的工藝迭代速度，集成電路芯片上所集成的電路的數目，每隔 18 個月就翻一番。
先進產線在不斷開發新工藝采購全新的原廠先進制程設備的同時，必然會淘汰出一些退役設備，這些退役設備流通進入到二手市場，天然形成對于成熟產線所需設備的供給。
3、成熟制程工藝產線的制程範圍 " 廣 "，迭代相對較 " 慢 "，對修復設備具有長期持續需求。
相對于摩爾定律描述的集中于小範圍的最先進制程工藝，成熟制程工藝覆蓋的制程範圍更廣，整體迭代速度較慢。對于成熟產線而言，使用修復後的退役設備便可滿足其工藝要求，因此無需花費大量資金去采購遠超自身工藝需求的原廠新設備。
綜上，第三方修復業務的產生和發展，既符合芯片產業運行的客觀規律，又滿足我國下遊產線的設備需求，有效地避免了設備短缺局面的出現。
二、通過鼓勵自主研發核心組件及交付修復設備苦練内功，探索健康可持續的國產化路徑。
在量檢測設備與光刻機等最尖端芯片設備領網域，實現全部國產化，徹底擺脫對國外的依賴，是一個長期的過程。在這個過程中，產業需要嘗試不同的路徑，同時也要确保路徑健康可持續。
鼓勵以自研核心組件為支撐，形成修復設備 + 自研設備的產業協同，在核心組件層面從根本上減少對國外的依賴從而實現自主可控，更為厚積薄發，也更值得嘗試。該發展路徑優勢具體表現在以下兩個方面：
1、修復設備可以提供核心組件的研發試驗場景。
從核心組件層面進行自主研發創新，通過分析研究修復設備的整機性能表現，持續優化核心組件的開發設計，可以實現在交付修復設備的同時，積累越來越多的核心組件解決方案。產業以此形成良性循環，為國產設備整機提供組件層面的技術儲備。
2、有助于避免出現設備國產化、零部件被卡脖子的窘境。
芯片設備中大量的高精度零部件，都需要從國外進口，不僅交期長，長期來看也有被斷供的可能。不斷從底層出發積累核心組件的解決方案，由内而外的助力設備整機的研發，可以适當避免設備國產化、零部件 " 卡脖子 " 的窘境。
結語
據悉，產業中的踐行者也得到了資本的大力支持，近日中芯聚源、東方富海完成參股投資的卓海科技，在芯片量檢測領網域致力于實現設備、零部件及技術服務的有效供給和國產化探索，客戶包括華虹半導體、士蘭微、華潤上華等國内主流芯片產線。
綜上，重視核心組件的解決方案，鼓勵形成修復設備 + 自研設備的產業協同，既有助于滿足芯片制造環節迫切的設備需求，也是健康可持續的國產化發展路徑。
