集成電路相當于是一個微型建筑群,一個集成電路板包含電容、電阻、電感和晶體管等電子元器件,需要非常精細的制作工藝。
一個集成電路芯片的制作流程包括熱處理、氧化、擴散、薄膜沉淀、光刻、刻蝕、去膠、離子注入、化學機械拋光(CMP)等環節。因此,一個完整的集成電路芯片不可能有一家企業單獨完成,整個制作需要上下游一整套產業鏈的配合,需要用到的設備包括半導體設備包括離子注入設備、刻蝕設備、薄膜沉積設備、熱處理設備、光刻機、涂膠顯影設備、CMP設備、去膠設備等。
這些設備都屬于半導體設備。討論國產集成電路產業鏈的整體實力,離不開半導體設備廠商的發展現狀。從目前市場資金的流動趨勢來看,半導體設備還是備受青睞的,研發和產能有了資金的保障,不少國產品牌已經符合了28nm的工藝標準,部分產品甚至能達到5nm的國際先進水平。
一、熱處理與氧化
熱處理和氧化是半導體制造過程中的基礎環節,通過熱處理使半導體材料的表面發生氧化反應,形成一層氧化膜。再利用熱擴散的原理,將一些不同特性的元素加入到硅底基材料中,達到改變其電學特性的效果,這個過程就是擴散處理。
在這道制作工藝中,龍頭國產企業之一的北方華創,擁有一整套先進設備,包括立式低壓化學氣相沉積系統、多功能LPCVD、立式退火爐、臥式擴散/氧化系統、立式氧化爐和立式合金爐等,其中立式低壓化學氣相沉積系統、立式氧化爐、立式合金爐和立式低壓化學氣相沉積系統都可以用作28nm水平的集成電路制造。除了北方華創,屹唐股份等先進生產商都擁有制作28nm邏輯芯片的設備。
屹唐股份的重要客戶代表
二、薄膜沉淀
薄膜沉淀的目的是為了在半導體材料的表面生成一層化學膜,根據不同的化學成分,使半導體材料達到導電和絕緣的目的。
北方華創在12英寸28-55nm的Ti/TiN PVD制造工藝上,可以提供TiN金屬硬掩膜機臺,其屬于北方華創exiTin產品系列。而且TiN金屬硬掩膜機臺已經在全球范圍內供應,其市場接收度已經被認可,目前產量非常穩定。
北方華創在薄膜沉淀工藝方面提供的產品有原子層沉積設備(ALD)、化學氣相沉積設備(CVD)和物理氣相沉積設備(PVD)。
拓荊科技在半導體薄膜沉積設備制造方面也非常有優勢,目前正在積極籌備科創板上市,其產品達到了28nm/14nm邏輯芯片的工藝水準,部分甚至可以延伸到14nm以下。
次常壓化學氣相沉積(SACVD)設備、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)設備和原子層沉積(ALD)設備等,拓荊科技都有對應的生產線。
三、光刻機
光刻機一直都是半導體國產化的弱項,上海微電子是國內目前唯一的一家光刻機整機廠商。北京華卓精科、北京國望光學、北京科益虹源、浙江啟爾機電和長春國科精密光學都是上海微電子的供貨商,供貨內容包括雙工件臺、物鏡系統、光源系統、浸沒系統和曝光光學系統。
9月18號,上海微電子新推出了一款主要用于高密度異構集成領域的光刻機,該款光刻機采用先進的封裝工藝,性能上具備超大曝光視場、高套刻精度和高分辨率的優點。根據上海微電子的產品介紹,SSA600/20是其目前最為先進的一款采用ArF光源的IC前道制造光刻機,制程可以達到90nm,距離28nm制程仍有不小的差距。
國產光刻機弱點主要在光刻膠材料和曝光工藝方面,就算能用上193nm ArF浸沒式DUV光刻機,單次曝光的分辨率也只能達到38nm。
四、涂膠顯影
涂膠顯影設備主要影響光刻圖案的形成,光刻圖案的質量又將影響離子注入和蝕刻等環節。因此,涂膠顯影設備在光刻設備中也是非常重要的一環。
在涂膠顯影設備設備領域,擁有國資背景的芯源微電子是國內主要的供貨商,其生產的涂膠顯影設備可以處理12英寸的單晶圓,前道KS-FT200/300涂膠顯影機可以達到28nm及以上制程。
五、刻蝕
采用物理或化學方法,在硅基材料的表面有選擇性地除掉多余材料的過程,就是刻蝕。刻蝕的目的就是在硅基材料的涂膠上,準確的留下掩模圖形。
在硅基刻蝕領域,屹唐股份、中微公司和北方華創是主要的設備供應商。而且,中微公司在國內刻蝕領域的實力最強,其高端刻蝕設備已經達到了5nm制程水平,且尺寸只有12英寸。另外,中微公司已經完成了制程達到3nm的原型機---Alpha的設計、制造、測試環節和開發工藝評估,其實力在全球半導體刻蝕設備范圍內已屬頂尖。
六、去膠
在蝕刻之前,光刻膠是晶圓的保護層。完成蝕刻之后,就需要從硅基材料表面除掉光刻膠。除掉光刻膠的方法有兩種:干法除膠和濕法除膠。干法除膠采用的是等離子體除膠,在除膠效果和對晶圓的保護方面,比濕法除膠更好,因此使用的更多。
屹唐股份的干法除膠工藝,在全球范圍內都處于領先水平,占據全球超過三分之一的市場。從90nm制程到5nm制程,屹唐股份都有對應的芯片干法除膠工藝。
七、化學機械拋光(CMP)
在12英寸CMP商業機型制造領域,華海清科在國內是一棵獨苗,是包括中芯國際在內的一眾下游產業鏈的供應商。華海清科在2020年6月成功驗收了關于“CMP拋光系統研發與整機系統集成”的課題研究,并承擔了《28-14nm拋光設備及工藝、配套材料產業化》的項目。華海清科當前正在做機臺產品的產線驗證,相信不久就會打入28/14nm產線。
華海清科2020年前五大客戶
綜上所述,目前國內整體半導體產業鏈已經齊整了,但是局部環節還存在偏科現象。但是,從今年六月份開始,不少國產半導體設備制造商先后開始了上市進程,相信隨著資金的注入,研發水平的提升,國產半導體產業鏈會越來越均衡,優勢產品會越來越突出。