调研国产半导体制造

2023-02-25 08:35| 来源: 网络整理| 查看: 265

背景

中芯国际在北京、上海、天津、深圳分布有十座工厂：

工厂地点晶圆尺寸制程中芯上海上海8英寸x112英寸x10.35um-90nm14nm及以下（曾经）中芯南方上海12英寸14nm及以下（曾经）中芯北京北京12英寸0.18um-55nm中芯北方北京12英寸65nm-24nm中芯天津天津8英寸0.35um-90nm中芯深圳深圳8英寸0.35um-0.15um中芯深圳深圳12英寸中芯东方（在建）上海12英寸中芯西青（在建）天津12英寸中芯京城（在建）北京12英寸备注1：中芯京城进入试生产阶段。因瓶颈设备交付延迟，量产时间预计推迟一到两个季度（2023年年中）；备注2：中芯临港完成主体结构封顶；备注3：中芯西青开始土建。

截至2021年末，公司全职男性员工10768人，女性员工6913人。

中芯国际员工组成半导体制造工艺流程

公司主要以晶圆代工模式从事集成电路制造业务，主要工艺流程如下：

半导体制造工艺流程

集成电路晶圆代工指以8英寸或12英寸的晶圆为原材料，借助载有电路信息的光掩模，运用光刻和刻蚀等工艺流程，将客户要求的电路布图集成于晶圆上。上述过程中，晶圆经过光刻和刻蚀等工艺流程的多次循环，逐层集成，并经离子注入、退火、扩散、化学气相沉积、物理气相沉积、化学机械研磨等流程，最终在晶圆上实现特定的集成电路结构。主要流程如下：

1、晶圆清洗、热氧化

晶圆的清洗是指通过将晶圆沉浸在不同的清洗药剂内或通过喷头将调配好的清洗液药剂喷射于晶圆表面进行清洗，再通过超纯水进行二次清洗，以去除晶圆表面的杂质颗粒和残留物，确保后续工艺步骤的准确进行。晶圆的热氧化是指在800℃~1150℃的高温下，用热氧化方法在其表面形成二氧化硅薄膜。

2、光刻

光刻的主要环节包括涂胶、曝光与显影：

涂胶是指通过旋转晶圆的方式在晶圆上形成一层光刻胶；曝光是指先将光掩模上的图形与晶圆上的图形对准，然后用特定的光照射。光能激活光刻胶中的光敏成分，从而将光掩模上的电路图形转移到光刻胶上；显影是用显影液溶解曝光后光刻胶中的可溶解部分，将光掩模上的图形准确地用晶圆上的光刻胶图形显现出来。

3、刻蚀

刻蚀主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀，指未被光刻胶覆盖的材料被选择性去除的过程：

干法刻蚀主要利用等离子体对特定物质进行刻蚀；湿法刻蚀主要通过液态化学品对特定物质进行刻蚀。

4、离子注入、退火

离子注入是指将硼、磷、砷等离子束加速到一定能量，然后注入晶圆材料的表层内，以改变材料表层物质特性的工艺。退火是指将晶圆放置于较高温度的环境中，使得晶圆表面或内部的微观结构发生变化，以达到特定性能的工艺。

5、扩散

扩散是指在高温环境下通过让杂质离子从较高浓度区域向较低浓度区域的转移，在晶圆内掺入一定量的杂质离子，改变和控制晶圆内杂质的类型、浓度和分布，从而改变晶圆表面的电导率。

6、化学气相沉积

化学气相沉积是指不同分压的多种气相状态反应物在一定温度和气压下在衬底表面上进行化学反应，生成的固态物质沉积在晶圆表面，从而获得所需薄膜的工艺技术。

7、物理气相沉积

物理气相沉积是指采用物理方法，如真空蒸发、溅射镀膜、离子体镀膜和分子束外延等，在晶圆表面形成金属薄膜的技术。

8、化学机械研磨

化学机械研磨是指同时利用机械力的摩擦原理及化学反应，借助研磨颗粒，以机械摩擦的方式，将物质从晶圆表面逐层剥离以实现晶圆表面的平坦化。

9、晶圆检测

晶圆检测是指用探针对生产加工完成后的晶圆产品上的集成电路或半导体元器件功能进行测试，验证是否符合产品规格。

10、包装入库

包装入库是指对检测通过的生产加工完成后的晶圆进行真空包装入库。

美国半导体制裁

中芯国际迄今为止最高光的时刻，莫过于2020年5月份的时候，中芯国际上海的员工拿到一台印着“Powered by SMIC FinFET”的手机。但是好景不长，此时的人们还没能预料到，美国将在未来短短两年内对中国施加5轮半导体技术领域的制裁：

2020年5月15日美国升级对华为的禁令；2020年12月美国将中芯国际列入实体清单；2022年10月美国BIS 10/7新规；2022年12月美国将36家中国实体列入实体清单；2023年1月美日荷达成联手制裁协议。1，2020年5月15日美国升级对华为的禁令

2020年5月15日，美国政府发布了新的禁令，任何企业供货含有美国技术的半导体产品给华为，必须先取得美国政府的出口许可。该禁令公布后有120天的缓冲期，也就是将于9月15日生效。

2020年9月15日，台积电停止为华为海思进行代工。至此之后，海思半导体只能使用库存芯片——用一个少一个。

2，2020年12月美国将中芯国际列入实体清单

2020 年 12 月 18 日（美国东部时间），美国商务部以美国国家安全和外交利益为由，将中芯国际及其部分子公司和联营企业列入“实体清单”。公司被列入“实体清单”后，根据美国《出口管制条例》的规定，供应商获得美国相关部门的出口许可后，可以向公司供应受《出口管制条例》所管辖的物项。对专用于生产10nm及以下技术节点（包括极紫外光技术）的物项，美国相关部门会采取“推定拒绝”（Presumption of Denial）的审批政策进行审核。

何以“限制10nm及以下技术节点的产品或技术”的影响力如此巨大呢？我仅说一个光刻机，大家就明白了。你可能立马想到的一个问题便是，这是美国发起的制裁，但是美国本身并不出口光刻机啊。没错，但是清单中实体不止是不能获得美国出口的产品，而且也不能获得含有美国技术超过一定比例（25%、10%、0%三档）的其它国家的产品。

厂商光刻机种类光刻机型号工艺制程备注(Gemfield)SMEE（中国）DUV i-lineSSB600/10280nm是否已商用？SMEE（中国）DUV KrFSSC600/10110nm是否已商用？SMEE（中国）DUV ArFSSA600/2090nm是否已商用？佳能（日本）DUV i-lineFPA-5550iZ2280nm佳能（日本）DUV KrFFPA-6300ES6aG90~?nm佳能（日本）NIL gemfieldFPA-1200NZ2CE14~7nm（刚面世）不含美国技术尼康（日本）DUV i-lineNSR-SF155M280nm尼康（日本）DUV KrF GemfieldNSR-S220DF110nm尼康（日本）DUV ArF GemfieldNSR-S322FI65nm尼康（日本）DUV ArF immersionNSR-S622DE38~20nm尼康（日本）DUV ArF immersionNSR-S631EL38~?nm尼康（日本）DUV ArF immersionNSR-S635ED38~7nm（刚面世）不含美国技术ASML（荷兰）DUV KrF130~180nmASML（荷兰）DUV ArF dry65~130nmASML（荷兰）DUV ArF immersionNXT1965i45nmASML（荷兰）DUV ArF immersionNXT1970Ci28nmASML（荷兰）DUV ArF immersionNXT1980Di10~14nmASML（荷兰）DUV ArF immersionNXT2000i7nmASML（荷兰）DUV ArF immersionNXT2050i5~7nmASML（荷兰）EUVNXE3400B7nm价格约1.2亿美元ASML（荷兰）EUVNXE3400C5~7nmASML（荷兰）EUVNXE3600D3~5nm1.45亿美元ASML（荷兰）High-NA EUVNXE5000系列< 3nm3.4亿美元备注1：武汉弘芯造假事件中，抵押NXT1980Di给武汉农村商业银行，以此获得5.8亿元贷款；备注2：2021年交付给中芯南方的ASML NXT2050i x 2 是目前境内最先进的光刻机；备注3：尼康的DUV ArFi 光刻机在2020、2021、2022年分别有14台、7台、4台，主要客户为Intel、中芯国际、华为。

美国技术在ASML DUV光刻机中并不占据主导地位，但却完全主导了EUV光刻机（占比远大于25%）。此次制裁，宣告了中芯国际进军7nm工艺的道路就此被暂停，中芯国际2019年采购的EUV光刻机至今没有被ASML履约，以后也不可能了。

3，2022年10月BIS 10/7新规

2022年10月，美国BIS 10/7新规出台，限制向在中国制造/开发“具有16/14nm或以下的非平面晶体管架构（即 FinFET 或 GAAFET）的逻辑芯片”供应设备和工具。这又是非常严重的一次制裁，宣告了中芯国际14nm产线的停摆。要知道，14nm产线是中芯国际已经投入运行的产线，这次制裁首次让正在运行中的高端产线停摆。

可是，按照上述的光刻机列表清单，我们目前不是已经有可以生产14nm工艺的光刻机了吗？

这是因为，光刻机是最能卡脖子的设备，但不是唯一能卡脖子的设备。在整个半导体制造的前道工艺中（可以往回翻看“半导体制造工艺流程”章节），包含了如下的环节及其设备：

工序设备境外设备厂商境内设备厂商28nm 自主化铸锭1，石英砂/硅石；2，硅锭；3，多晶硅棒。无所谓了保利协鑫新特能源通威股份大全集团100%光刻涂胶显影设备东京电子（日）迪恩士（日）芯源微< 10%光刻光刻机ASML（荷）尼康（日）佳能（日）上海微电子< 1%干法刻蚀刻蚀机泛林（美）应用材料（美）东京电子（日）中微北方华创< 30%28nm icp刻蚀 ≈ 0%Gemfield：30种以上的不同刻蚀设备化学气相沉积(CVD)原子层沉积(ALD)CVD泛林（美）应用材料（美）东京电子（日）ASMI（荷）北方华创沈阳拓荆中晟光电28nm ≈ 0%物理气相沉积(PVD)PVD应用材料（美）北方华创陛通< 20%热处理（氧化/扩散/退火）应用材料（美）屹唐股份离子注入离子注入机应用材料（美）Axcelis（美）中国电子万业企业（凯世通）< 5%化学机械抛光(CMP)化学机械抛光机应用材料（美）日本荏原（日）华海精科天隽机电中电45所烁科精微安集科技10%清洗迪恩士（日）东京电子（日）细美事（韩）泛林（美）盛美上海至纯科技50%前道量测科磊（美）应用材料（美）精测电子赛腾股份上海睿励中科飞测东方晶源< 10%

截至2019年12月31日，中芯国际报告期内累计采购额前三的设备供应商签订的重大设备采购框架协议或单笔金额最大的订单如下：

也就是说，采购设备按金额算的话，来源最多的三个公司是：应用材料（美）、ASML（荷）、泛林（美）。

以一条90nm制程的12英寸产线为例（28nm没有查到资料），每1万片产能所需的主要设备数量约为：

设备数量（台）光刻机8涂胶/去胶设备15刻蚀设备25离子注入设备13CVD42PVD24高温、氧化、退火设备22研磨抛光设备12清洗设备17检测设备50测试设备33其它设备17备注：如果产能达到4万片，所需的设备就将超过上千台。

而在设备不会损坏的情况下，要维持现有产线，还需要耗材的稳定供应，这些消耗性材料有：

工序耗材境外供应商境内供应商国产自主化光刻大硅片信越化工（日）胜高集团（日）世创（德）SK Siltron（韩）环球晶圆（台）沪硅产业

立昂微中环股份

< 10%光刻光刻胶JSR（日）东京应化（日）信越化工（日）富士电子（日）罗门哈斯（美）彤程新材

南大光电晶瑞电材华懋科技上海新阳

< 5%光刻掩膜版Photronics（美）凸版印刷（日）DNP（日）清溢光电< 5%光刻湿化学品巴斯夫（德）亚什兰（美）霍尼韦尔（美）Air Products（美）晶瑞股份江化微格林达中巨芯科技安集科技江阴润玛巨化股份达诺尔雅克科技上海新阳< 10%沉积靶材日矿金属（日）霍尼韦尔（美）东曹（日）普莱克斯（美）住友化学（日）江丰电子有研新材阿石创隆华科技< 10%沉积前驱体应用材料（美）泛林（美）雅克科技路维光电< 15%化学机械抛光抛光液Cabot（美）日立（日）Fujimi（日）Versum（德）安集科技< 5%化学机械抛光抛光垫陶氏化学（美）Cabot（美）鼎龙股份< 10%硅片/氧化/CVD/光刻/刻蚀/离子注入/掺杂电子特气空气化工（美）液化空气（法）大阳日酸（日）普莱克斯（美）林德集团（德）华特气体金宏气体雅克科技凯美特气昊华科技南大光电和远气体巨化股份< 15%清洗超净高纯清洗液盛美上海

比如，在中芯国际的招股说明书里，可以看到公司生产经营的主要原材料包括硅片、化学品、光阻（光刻胶）、气体、靶材、研磨材料等，具体采购情况如下：

备注：光阻就是光刻胶4，2022年12月美国将36家中国实体列入实体清单

2022年12月15日，美国商务部决定将包括长江存储、寒武纪、上海集成电路研发中心、上海微电子、深圳鹏芯微等在内的36家中国实体（包括一家长江存储日本子公司）加入实体清单。这其中，备受Gemfield关注的公司有：

长江存储上海微电子（SMEE）上海集成电路（ICRD）深圳鹏芯微

这四个都涉及半导体制造，第一个是中国最强的存储芯片厂商，后面三个则会影响到我们在非美产线上的努力。

5，2023年1月美日荷达成联手制裁协议

2023年1月28日，美国与荷兰、日本达成协议，共同限制向中国出口半导体设备和材料。有理由相信这个协议的本质是让荷兰、日本也遵守美国的BIS 10/7新规。至此，包括中芯国际和华为在内计划组装新14nm非美产线的工作也就此被暂停。

而且以前我们有全国产线、非美产线、含美产线三种道路，这个协议后，非美产线实质上消亡。

中芯国际的工艺和产品1，逻辑工艺技术平台

逻辑工艺技术平台2，特色工艺技术平台

特色工艺技术平台3，公司在研项目：

公司在研项目4，制程工艺开发/验证矩阵

根据上述两张图，Gemfield整理出如下一张表格：

工艺制程产品150~180nm电源管理IC指纹识别CMOS 图像传感器智能卡嵌入式存储MCU110~130nmCMOS 图像传感器（CIS）嵌入式存储55~65nm逻辑芯片MCU射频NOR FlasheFlashWiFi 蓝牙芯片通讯相关芯片CMOS 图像传感器40~45nm机顶盒和数字电视应用处理器ISP 芯片多媒体相关应用处理器WiFi 蓝牙芯片射频NAND28nm逻辑芯片总结

2022年全球前十大半导体设备商：

公司国家设备和材料应用材料（AMAT）美国薄膜沉积（CVD、PVD 等）离子注入刻蚀快速热处理化学机械平整（CMP）测量检测设备阿斯麦（ASML）荷兰DUV光刻机EUV光刻机泛林（LAM）美国刻蚀设备薄膜沉积设备清洗等设备东京电子（TEL）日本涂胶显像设备热处理设备干法刻蚀设备化学气相沉积设备湿法清洗设备测试设备科磊（KLA）美国缺陷检测膜厚量测CD 量测套准精度量测迪恩士（Screen）日本刻蚀设备涂胶显影设备清洗设备爱德万测试（Advantest）日本后道测试机和分选机日立高新（Hitachi High-Tech）日本沉积、刻蚀、检测设备封装贴片设备ASM 国际（ASMI）荷兰薄膜沉积设备扩散氧化设备迪斯科（Disco）日本精密切割设备研磨和抛光设备

上述这个表格能够更清楚的说明，在围堵中国半导体制造的过程中，美国为什么要联合日本荷兰一起。在前述的5轮半导体技术制裁后，中芯国际的制程恐怕将回退到2015年。

中芯国际里程碑

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