深度分析目前建造纯28纳米国产芯片代工厂的重点和难点

　　华为海思芯片被全面断供的消息，让无数国人都感到十分无奈。与此同时，据 Canalys公布的数据，2021年Q1智能手机出货量排名前五位分别是 vivo、 OPPO、华为、小米和苹果，其中华为手机出货量为1490万台，同比下滑50%。而且，就在第二季度，华为直接跌出前五名！据报道，华为第二季度出货量为980万部，同比下降74.6%，环比下降33.3%。这种情况的发生也唤起了人们的思考：华为的芯片为什么会被美国限制代工？如果彻底摆脱美国技术的话，国产芯片代工厂能达到几纳米？
　　之所以会被美国封锁，是因为华为海思只是一个专注芯片设计的公司，并不具备芯片制造的能力。其的量产需要代工厂的参与，而此前台积电正是华为最主要的合作伙伴。华为和台积电的合作已存在多年，二者一直都处于双赢的局面。台积电承担着为华为生产芯片的任务，而华为也给了台积电巨额的利润。但是随着美国对华为的无理打压，这种局面被彻底打破。由于台积电生产芯片的设备中含有美国的技术，所以在2020年9月15日之后，它将无法为华为供应芯片，这便是美国限制华为芯片的主要手段！其实说白了，还是因为国内的芯片代工厂不够给力，华为才陷入了这样的危机。
　　那么，如果彻底摆脱美国技术的话，国产芯片代工厂能达到几纳米？其实对于一个芯片代工厂来说，前道工序的设备和涉及到的材料的国产化是最为核心的，也是我们被卡脖子的地方。想要造一个芯片代工厂就必须得有八大设备 —— 扩散设备、薄膜沉积设备、光刻机、刻蚀机、离子注入设备、cmp抛光设备、清洗和测试设备；八大材料——硅片、电子特气、光掩膜、光刻胶、光刻胶辅助材料、湿化学品靶材、抛光。
　　我们先来讲设备，首先是氧化扩散设备，其主要提供氧化、扩散和退火等工艺。氧化（Oxidation）是指将硅片放置于氧气或水汽等氧化剂的氛围中进行高温热处理，在硅片表面发生化学反应形成氧化膜的过程，是集成电路工艺中应用较广泛的基础工艺之一。氧化膜的用途广泛，可作为离子注入的阻挡层及注入穿透层（损伤缓冲层）、表面钝化、绝缘栅材料以及器件保护层、隔离层、器件结构的介质层等等。扩散（Diffusion）是在高温条件下，利用热扩散原理将杂质元素按工艺要求掺入硅衬底中，使其具有特定的浓度分布，达到改变材料的电学特性，形成半导体器件结构的目的。在硅集成电路工艺中，扩散工艺用于制作PN结或构成集成电路中的电阻、电容、互连布线、二极管和晶体管等器件。退火（Anneal）也叫热退火，集成电路工艺中所有在氮气等不活泼气氛中进行热处理的过程都可称为退火，其作用主要是消除晶格缺陷和消除硅结构的晶格损伤。为了使金属（Al和Cu）和硅基行成良好的基础，以及稳定Cu配线的结晶结构并去除杂质，从而提高配线的可靠性，通常需要把硅片放置在惰性气体或氩气的环境中进行低温热处理，这个过程被称为合金（Alloy）。国内做的最好的是北方华创科技集团股份有限公司，具体来说是其全资子公司北京北方华创微电子装备有限公司，其相关产品的技术节点做到了28纳米全覆盖，有的已达到了14纳米。
　　薄膜沉积设备主要是PVD（物理气相沉积）和CVD（化学气相沉积）两个领域。先说PVD，最新的技术叫磁控溅射技术，它是利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向被溅射的物质制成的靶电极（阴极），并将靶材原子溅射出来使其沿着一定的方向运动到衬底并在衬底上沉积成膜的方法。磁控溅射设备使得镀膜厚度及均匀性可控，且制备的薄膜致密性好、粘结力强及纯净度高。该技术已经成为制备各种功能薄膜的重要手段。该技术目前国内做得最好的还是北方华创微电子装备有限公司，其突破了溅射源设计技术、等离子产生与控制技术、颗粒控制技术、腔室设计与仿真模拟技术、软件控制技术等多项关键技术，建立了具有自主知识产权的核心技术优势，形成了国产集成电路领域高端薄膜制备设备零的突破，设备应用跨越90纳米至14纳米的多个技术代，代表着国产集成电路薄膜制备工艺设备的较高水平，并成功进入国际供应链体系。
　　再说化学气相沉积（CVD），CVD技术是用来制备高纯、高性能固体薄膜的主要技术。在典型的CVD工艺过程中，把一种或多种蒸汽源原子或分子引入腔室中，在外部能量作用下发生化学反应并在衬底表面形成需要的薄膜。由于CVD技术具有成膜范围广、重现性好等优点，被广泛用于多种不同形态的成膜。北方华创微电子凭借十余年的微电子领域高端工艺设备开发经验，先后完成了PECVD、APCVD、LPCVD、ALD等设备的开发，致力于为集成电路、半导体照明、微机电系统、功率半导体、化合物半导体、新能源光伏等领域提供各种类型的CVD设备，满足客户多种制造工艺需求。同样是北方华创微电子装备有限公司自主开发的卧式PECVD已成功进入海外市场，为多家国际领先光伏制造厂提供解决方案。而硅外延设备在感应加热高温控制技术、气流场、温度场模拟仿真技术等方面取得了重大的突破，达成了优秀的外延工艺结果，获得多家国内主流生产线批量采购。
　　CVD里面还有一个细分叫ALD，原子气相沉积，是目前最先进的技术。原子气相沉积是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法，是制备薄膜材料的重要方法之一。它的特点是自限制性，这也决定了原子层沉积技术具有厚度高度可控、优异的均匀性及良好的保形性等众多优点，尤其擅长高深宽比图形填充。原子层沉积技术被广泛应用在HKMG、Double Pattern、Dielectric、MEMS、Memory等多个领域。该技术已经成为制备各种功能薄膜的重要手段。北方华创微电子突破了前驱物输运系统控制技术、均匀稳定的反应室热场及流场控制技术、等离子产生与控制技术、脉冲射频的快速调频匹配技术、高效无损伤原位清洗技术及软件控制技术等多项关键技术，建立了具有自主知识产权的核心技术优势。北方华创微电子先后研制了具有自主知识产权的热原子层沉积(Thermal ALD)设备、等离子体增强原子层沉积(PEALD)设备两个系列产品，可沉积Oxide(HfO2/Al2O3)、Metal(TiN/TaN)、PE-SiN、PE-SiO2等多种薄膜，2018年形成设备销售，实现了国产集成电路领域高端薄膜制
　　来到了最重要的工序——光刻设备，光刻工序里面有两道设备，一道是大家非常熟悉的光刻机，一道叫做涂胶显影机。我们先说涂胶显影机，国内有一家公司叫沈阳芯源微电子设备股份有限公司，只做涂胶显影机，其最先进的产品突破晶圆前道28nm工艺节点及以上工艺制程，适用于ArF、KrF、I-Line、PI、BARC，SOC，SOD，SOG等多种材料涂覆显影工艺的高端机台。支持与光刻机联机作业。14四纳米节点的产品还在研发当中。
　　光刻机是最令人头疼的一个环节，国内目前最先进的是上海微电子装备(集团)股份有限公司生产的SSX600系列步进扫描投影光刻机。该机型采用四倍缩小倍率的投影物镜、工艺自适应调焦调平技术，以及高速高精的自减振六自由度工件台掩模台技术，可满足IC前道制造90纳米、0.11微米、0.28微米关键层和非关键层的光刻工艺需求。当然，现在坊间也有传闻说上微正在研发28纳米纯国产浸润式光刻机。由于没有任何官方消息，这个传闻我也不敢断然判断真假，只能从光刻机的四个核心部件——光源设备、物镜系统、浸液系统和双工件台来分析国产浸润式光刻机的真实进展。
　　1、光源设备：光源是光刻机的最关键设备，它的生产能力在于光源的波长，现阶段关键有三种种类的光源，最先是汞灯光源，分为G-Line和I-Line技术，在365-436nm范畴内；之后发展趋势为DUV光源，分为KrF和ArF技术，波长248-193nm；最新的是EUV光源，其波长为13.5nm。当发展到193nm波长的光源时，要进阶到更短的波长是很难。台积电的技术工程师想到了一个想法，通过水作传播的物质，让光源在水中造成折射，那样波长就缩短了，这就是所谓的浸润光刻机技术，即ArFimmersion（ArF技术）。目前国产40W 4kHz ArF准分子激光光源已经由北京科益虹源光电技术有限公司交付（准分子激光光源此前全球只有两家公司提供，分别为美国Cymer公司和日本Gigaphoton公司，前者已经被ASML全资收购）。假如浸润技术性完成后，193nm的光源就等同于了134nm，那么就可以在集成IC上对45/40,28nm,22/20,14/16,10nm连接点开展光刻技术。EUV光刻工艺仅有在进到下一阶段的10nm及更小的集成IC时才必须应用，而在10nm之上，则是选用193nm光源，再相互配合浸润式技术性就可以。因此，上海微电子要是越过浸润式光刻机技术性这一关，便可以瞬间跨入国际先进光刻机行列。
　　2、物镜系统：中科院长春光机所（现北京国望光学科技有限公司）和上海光机所负责光学部分，其中长春负责物镜系统，上海负责照明系统，此前NA 0.75光刻机曝光光学系统已经通过02专项验收，满足90nm级ArF干式光刻机的需要，但主流的ArF浸没式光刻机一般需要60W 6kHz等级的光源，似乎情况不容乐观（见上一条）。
　　3、浸液系统：浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室和浙江启尔机电技术有限公司负责沉浸式光刻机的浸液系统，目前进度还可以，算是全世界第三家（第一ASML，第二为Nikon）。
　　4、双工件台：清华大学和北京华卓精科科技股份有限公司负责双工件台系统，这个进度比较快，2019年底顺利通过了02专项的CDR里程碑评审，研发和试产基地也完成了建设，是世界第二个掌握该项技术的（第一个为ASML的Twinscan技术）。
　　综上，光刻机子系统供应链方面有所起色，但距离领先水平还是有一大段距离的，我们不得不承认在中美贸易摩擦不断加大的背景下，绝大多数的中国人都希望国家能在半导体领域能尽快有所突破，以挣脱受制于人的困境。但像光刻机产业节点突破这样的大事还是坐等官宣吧（比如验收完毕、接受预定、进入市场、量产反馈良好等），我们从一穷二白的零供应链起步，到在如今中美局势如此紧张下还能不断取得突破，实属不易。
　　来看看刻蚀机。刻蚀环节是我们的强项，目前北京北方华创微电子装备有限公司的等离子干法刻蚀技术利用等离子体进行薄膜微细加工，通过一种或多种气体原子或分子混合于反应腔室中，在外部能量作用下（如射频、微波等）形成等离子体，目前已应用于集成电路领域，节点技术达到14nm技术。而更强的中微半导体设备(上海)股份有限公司的介质刻蚀技术节点已经到5纳米了，成功打入台积电的生产线，并且也完成了3D NAND刻蚀工艺中最难的＂超深宽比刻蚀＂工艺的研发,已经申请了专利。
　　再来看看离子注入设备，国内有两个企业在做，北京中科信电子装备有限公司和上海凯世通半导体股份有限公司，目前来说两家技术并没有特别大的差距。2003年至2014年，中科信先后承担＂十五＂863计划100nm大角度离子注入机项目、＂十一五＂02专项12英寸90-65nm大角度离子注入机研发及产业化项目及＂十二五＂12英寸45-22nm低能大束流离子注入机研发及产业化项目。100nm大角度离子注入机项目的成功实现了国产离子注入机制造水平由6英寸500nm到8英寸100nm技术的跨越。12英寸90-65nm大角度离子注入机研发及产业化项目的成功实现了国产离子注入装备从消化吸收到产业化阶段的跨越式发展。12英寸45-22nm低能大束流离子注入机研发及产业化项目的实施则进入一个全新的自主创新阶段。凯世通与中科信差不多，技术节点稍微落后到28纳米，可以认为离子注入国内目前满足的是22纳米制成需求。
　　最后还有几个设备，包括CMP抛光、清洗设备和前道检测设备。先说CMP抛光设备，国内做得最好的是华海清科股份有限公司。从其官网的信息来看，目前华海清科的抛光设备最高端的是Universal-300 T，它是在300 X机型基础上搭载了更先进的组合清洗技术，可以满足28nm以下逻辑工厂以及1xnm存储工厂Oxide/ SiN/STI/Poly/Cu/W CMP等各种工艺需求。清洗设备比较简单，目前有北方华创、盛美半导体、至纯科技和芯源微在做，从官网公布的产品来看，北方华创产品的技术节点目前在28纳米，盛美半导体的技术也在28纳米，所以清洗这块都能满足28纳米IC工艺。最后一个是前道检测设备，目前做的不错的有4家企业，睿励科学、中科飞测、上海精测和赛腾股份，睿励科学的产品已经应用在28纳米产品线中，14纳米正在验证中，所以前道检测设备按照28纳米算比较合适。
　　总结，国产半导体设备目前的技术情况是这样，除了光刻机之外，所有设备的技术节点都达到了28纳米，有部分设备进入14纳米，如果只看设备这一个维度的话，完全可以造一个14纳米~28纳米的100%纯国产的芯片代工厂。但是目前光刻机暂时达不到要求，不过生产28纳米的晶圆并不需要最先进的EUV，我们的晶圆代工厂完全可以买个二手的光刻机，也就是人家已经淘汰的光刻机是一样可以干活的，然后等着上海微电子的新光刻机下线，这是一条非常实用也非常符合实际需求的路子。从上面的分析我们就可以看成，这就是一个标准的木桶原理，短板多短，决定了制成的先进程度，生产一枚芯片需要经过上千道工序，任何一道工序出错了就会极大的降低芯片的良品率，进而导致代工厂的成本飙升。
　　但是当我们把材料考虑进来的时候情况就不一样了，毕竟制造芯片只有设备，没有材料是不行的。沪硅产业旗下的新生半导体已经量产了，可用于28纳米制成了300毫米晶圆，光刻胶理论上来说也没问题，南大光电的ArF光刻胶已经在公厂里验证挺久时间了，估计马上就要量产了，抛光液也没问题，安集微电子完全可以生产28纳米的抛光液，光罩也没有问题，中芯国际长江存储都会做，实在不行让他们来帮忙也可以。但是，电子特气、抛光垫、高纯靶材和湿化学品这几个领域说真的国内现在还没法做到100%完全覆盖，不过材料毕竟不能等同于设备，具体怎么做？你懂的。所以，以国内目前的技术情况，一旦上海微电子最新的光刻机下线，那就是100%纯国产28纳米制成芯片代工厂了。至于什么时候量产，我觉得可以从另一条新闻来判断。2021年1月8日，中芯京城集成电路制造(北京)有限公司集成电路生产线项目获准开建。中芯京城是中芯国际、亦庄国投和大基金二期与2020年12月7日共同成立的合资公司，总投资500亿人民币。这家公司的成立是中芯国际进入实体清单的直接导火索，因为中芯京城将会是全面去美化，甚至是纯国产化的生产线。按照中芯北方的情况，同样是两条产线，中芯北方大概用了一年半的时间就把第一条产线建好，开始量产。中芯京城的速度只会快不会慢，大概率会在2025年全部搞定。所以，为了配合中芯京城的进度，上海微电子一定会在2021年底开始进行光刻机的量产，2022年底至少有1-2台国产光刻机进入中芯京城的生产线进行适配。
　　写在最后：过去几年，经历了中美贸易战的洗礼，我们逐渐从懵逼的状态中走出。随着RECP、中欧投资协定的签署，曾经充满黑暗的道路也即将迎来黎明。可我国的半导体产业依旧深深地受制于美国。2019年5月，华为被加入实体清单；2020年9月，美国全面制裁华为；2020年12月，中芯国际被加入实体清单。截止2020年12月31日，美国实体清单中我国上榜的实体超过400个。美国正在用自己的科技霸权，强行压制我国战略新兴技术产业的发展。但一旦国产浸润式光刻机的下线，我们面对的困境也许会出现转机。也许，中国制造2025，就这么完成了。