芯片制造环节，我们到底还缺啥？

近期，关于芯片国产替代领域的事件频发，大家有一个普遍的疑问：国内到底能不能搭建一条完全自主的芯片生产线？

国内大循环补短板最绕不开的就是芯片制造，所以下文就重点探讨下搭建一条完全自主的28nm芯片生产线的可行性。

注：14nm、7nm搭建的可行性几乎为零，目前没有探讨的意义，并且28nm仍属于目前主流制程之一，如果国内能搭建28nm自主产线，也是非常关键的一步。

可行性分析

1. 硅片制造：制作芯片的基底，硅片技术基本满足要求。

半导体硅片是制作芯片的基底，芯片制程越先进，对硅片质量的要求就越高。目前沪硅产业12英寸大硅片已可用于28nm制程的芯片制造，中环股份轻掺杂12英寸大硅片也已经进入28nm的技术节点。

拉晶炉是制作硅片的核心装置，南京晶能已成为沪硅产业12英寸大硅片生产线的拉晶炉国产供应商，可满足28nm及以上制程的硅片制作。

晶盛机电承担国家科技重大专项“300mm硅单晶直拉生长装备的开发”，拉晶炉、切割机已供货中环股份，研磨机已供货沪硅产业。

2. 热处理设备有卧式炉、立式炉和快速升温炉（RTP），技术基本满足要求。

热处理主要包括氧化、扩散、退火工艺等环节，热处理氧化是在硅片表面形成氧化膜，高温热扩散是将杂质元素掺入硅衬底中，退火是修复离子注入后硅片的晶格缺陷。

热处理设备主要是卧式炉、立式炉和快速升温炉（RTP）。

目前国内的北方华创、Mattson（屹唐半导体）已经能够生产28nm及以上制程的热处理设备。

3. 光刻设备有光刻机和涂胶显影机，目前仍受到限制。

光刻是晶圆生产核心环节，在整个硅片加工成本中占到1/3。

光刻的工艺流程大致是用涂胶机将光刻胶涂覆在硅片表面，然后用光刻机将电路图形曝光在硅片上，再用显影机进行显影，去掉不需要的光刻胶。

光刻主要使用光刻机和涂胶显影机。

上海微电子是国内技术最先进的光刻机厂商，但目前只能量产90nm光刻机，据报道，2021年上海微电子将完成28nm国产光刻机的交付。

涂胶显影机方面，芯源微的前道Barc涂胶设备可以满足28nm工艺。

4. 刻蚀环节设备主要是刻蚀机和去胶设备，基本满足要求。

刻蚀是有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程，被光刻胶覆盖的硅片部分会受到保护而不被刻蚀，没有覆盖的部分将被刻蚀掉。

早期的刻蚀是用液体化学试剂的湿法刻蚀，3μm之后的工艺大多采用等离子体干法刻蚀。根据被刻蚀材料的种类，刻蚀设备可分为硅刻蚀、金属刻蚀和介质刻蚀设备三大类。

北方华创的硅刻蚀机在14nm工艺上取得重大进展，中微公司第二代电介质刻蚀设备已广泛应用于28到7nm后段制程以及10nm前段制程。

刻蚀之后使用去胶设备将表面遗留的光刻胶去除。屹唐半导体的去胶设备已经进入了5nm生产线。

5. 离子注入环节主要是注入机，基本满足要求。

晶圆制造中需要将杂质离子（如硼离子、磷离子）掺入被刻蚀后的特定硅片区域中，从而形成PN结、电阻、欧姆接触等。离子注入是使带电粒子（离子）高速轰击硅片并将其注入硅衬底的方法。

中电科旗下北京中科信的12英寸离子注入机已进入中芯国际生产线，工艺覆盖至28nm。万业企业旗下凯世通的离子注入机已突破3nm工艺，主要参数均优于国外同类产品。

6. 薄膜沉积环节主要是PVD、CVD设备，基本满足要求。

绝缘薄膜（如SiO2）、半导体薄膜（如多晶硅）、导电薄膜（如金属）是芯片中的重要物质，薄膜沉积是各类薄膜形成的最主要方式。

薄膜沉积工艺分为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和外延三大类。PVD多应用于金属薄膜的沉积，CVD可应用于绝缘薄膜、半导体薄膜和导电膜层的沉积，外延是在硅片表面生长单晶薄膜的工艺。另外，ALD属于CVD的一种，是目前最先进的薄膜沉积技术。

北方华创的PVD设备已经用于28nm生产线中，14nm工艺设备也已实现重大进展。沈阳拓荆的PECVD设备已在中芯国际40-28nm产线使用，ALD设备也在14nm工艺产线通过验证。

7. 化学机械抛光环节设备主要是抛光机，目前仍受限制。

晶圆制造需要对硅片表面进行平坦化处理，不然会严重影响芯片的结构及良率。化学机械抛光（CMP）结合了化学作用与机械作用，使硅片表面材料与研磨液发生化学反应的同时，在研磨头的压力作用下进行抛光，最终使硅片表面实现平坦化。

华海清科和中电科45所均参与02专项项目——“28-14nm抛光设备及工艺、配套材料产业化”，研发300mm晶圆28-14nm“干进干出”CMP整机设备及结合配套材料的成套工艺。

目前华海清科的抛光机已进入中芯国际生产线，同时中电科45所8英寸设备正在被中芯国际验证。

8. 清洗设备已经基本满足要求。

几乎所有工艺流程都需要清洗环节，清洗步骤占半导体工艺所有步骤的1/3，最多可达到200次。

清洗机是将硅片表面的颗粒、有机物、金属杂质等污染物去除，以获得所需洁净表面的工艺设备。

北方华创、盛美半导体、至纯科技、芯源微的清洗装备均可实现国产替代，其中盛美半导体是国内唯一进入14nm产线验证的清洗设备厂商。

9. 前道量测基本满足要求。

晶圆制造中的前道量测可分为工艺检测和晶圆检测。

工艺检测设备可对每道工艺后的晶圆进行无损的检查和测量，以保证关键工艺参数满足指标，保证芯片的成品率。

晶圆检测设备包括硅片测试设备和晶圆中测设备。硅片测试设备主要包括厚度仪、颗粒检测仪、硅片分选仪等；晶圆中测设备主要包括探针卡、探针台和测试机等。

赛腾股份收购日本Optima进入半导体检测设备领域。中科飞测的几款前道检测设备实现国产设备零的突破，进入中芯国际、长江存储等国内大厂。

整体来看，由于在28nm光刻机、涂胶显影机、抛光机环节依然存在缺失，所以目前要搭建一条28nm制程全国产半导体设备生产线还不可行。

其中上海微电子将在2021年交付28nm光刻机，芯源微也在研发先进制程涂胶显影设备，华海清科和中电科45所也在推动28-14nm抛光设备的研发，所以有望在1-2年内实现28nm及以上制程全国产半导体设备生产线的搭建。

总之，要实现完全芯片生产自主化，任重而道远。