專訪神工股份董事長潘連勝：芯片國產(chǎn)補短板 晶圓良率是關(guān)鍵

2012年，潘博士的“國產(chǎn)晶圓夢”契機出現(xiàn)了。由于全球半導體產(chǎn)業(yè)步入下行期，日本行業(yè)內(nèi)眾多技術(shù)人員面臨降薪或失業(yè)。這為他回國創(chuàng)業(yè)創(chuàng)造了天時與人和。

潘博士在國內(nèi)多地輾轉(zhuǎn)尋找土地、人員和資本。最終，神工半導體于2013年在錦州成立。由于歷史原因，這個名不見經(jīng)傳的東北小城擁有中國最早的石英玻璃和單晶硅生產(chǎn)基地，還有眾多熟悉真空高溫爐及硬脆材料加工工藝的技術(shù)工人，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相當優(yōu)越。

然而，晶圓行業(yè)投資門檻非常高，至少十億元起。由于資金緊缺，潘博士當時根本無法直接建設(shè)晶圓廠，只能選擇“曲線救國”----先研發(fā)生產(chǎn)“刻蝕用單晶硅”。這種產(chǎn)品對技術(shù)水平要求很高，國內(nèi)廠商鮮有涉足，但優(yōu)點在于初始資金投入相對較少、利潤可觀，還可以儲備晶圓生產(chǎn)技術(shù)和工藝。

刻蝕用單晶硅，主要用于制造硅電極。在晶圓的刻蝕工序中，硅電極伴隨著晶圓同步消耗，因此也需要達到半導體級純度，且其尺寸必須大于晶圓尺寸。例如，要加工12英寸的晶圓，其對應(yīng)的刻蝕用單晶硅材料尺寸一般大于14英寸，最大可以達到19英寸。

神工股份在“大尺寸單晶硅”的制造技術(shù)和工藝上，具備先發(fā)優(yōu)勢。其“無磁場大直徑單晶硅制造技術(shù)”、“固液共存界面控制技術(shù)”、“熱場尺寸優(yōu)化工藝”等均已處于國際先進水平。

大尺寸晶圓的技術(shù)難度究竟有多高？

晶圓廠的生命線在于良率

晶圓的尺寸越大，在單片晶圓上制造的芯片數(shù)量就越多，芯片的單位成本也就越低。

因此，在摩爾定律的支配下，當芯片制程從90nm向7nm甚至5nm逐漸縮小時，先進制程所采用的主流晶圓尺寸，卻從8英寸向12英寸逐漸增大。

目前，全球市場主流晶圓尺寸是8英寸（直徑200mm）和12英寸(直徑300mm)。據(jù)國際半導體設(shè)備與材料協(xié)會（SEMI）統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，按面積單位計算，2018年兩者全球市場份額分別為26.34%和63.31%，合計近90%。

國內(nèi)廠商的產(chǎn)能多集中于8英寸以下的小尺寸晶圓。有研科技集團是央企序列中研發(fā)半導體硅材料的主要廠家之一。有研董事長趙曉晨曾在2019年底的采訪中表示，我國80%的8英寸晶圓和全部12英寸晶圓都依靠進口，半導體領(lǐng)域高品質(zhì)材料自給率不足10%。

滬硅產(chǎn)業(yè)（688126.SH）總裁兼總經(jīng)理邱慈云，曾在2019年底的演講中如是形容大尺寸晶圓的制造之難：晶體不僅要完美生長、純度高，而且表面要非常潔凈和絕對平整—;—;顆粒尺寸只有PM2.5的1%大小，平整度相當于1000公里內(nèi)起伏小于30厘米。

能夠生產(chǎn)出純度較高的單晶硅固然已經(jīng)不易，而“良率不高”才是大硅片國產(chǎn)化進程的最大障礙。

從硅單晶成長到加工制造成晶圓，至少有十幾道工序。光說加工過程，只有每道工序的良率都達到99%以上，才能讓最終的晶圓良率達到90%以上，才有資格與世界領(lǐng)先的晶圓制造商—;—;信越化學和勝高同場競技。

關(guān)于晶圓品質(zhì)一致性問題，潘博士做了一個形象的比喻：“同樣是遵循正態(tài)分布，信越化學的晶圓質(zhì)量分布曲線就像是挺拔的‘東京塔’，穩(wěn)定集中于高品質(zhì)標準。相比之下，其他廠商的曲線往往就像‘富士山’，雖然也能觸及高品質(zhì)標準但并不很集中，良品率也就沒那么高?！?/p>

因此，僅僅把大尺寸晶圓“做出來”還遠遠不夠，良率太低也就意味著成本過高，也就沒有市場競爭力，最終還是難以盈利，在商業(yè)上不可持續(xù)。產(chǎn)品是否被下游芯片制造廠商長期批量采購，是檢驗其成敗的試金石。

億歐科創(chuàng)查閱公開信息了解到，滬硅產(chǎn)業(yè)旗下的上海新昇，是目前大陸唯一一家實現(xiàn)12英寸晶圓量產(chǎn)的企業(yè)。邱慈云在公開演講中透露，截至去年年底，其12英寸晶圓出貨量已累計超過100萬片，然而其中僅有7.5萬片是用于制造芯片的“正片”。滬硅產(chǎn)業(yè)2019年度營收同比增長47%，營業(yè)利潤卻下滑近300%，背后主因就是12英寸晶圓業(yè)務(wù)毛利率同比下滑42.77%，為-47.96%，該項業(yè)務(wù)虧損1.03億元。

2017-2020年全球晶圓廠規(guī)劃分布

盡管良率爬升困難，靠大尺寸晶圓盈利障礙重重，但是國內(nèi)廠商們卻不能有絲毫懈怠。1996年，以西方國家為主的33個國家簽訂《瓦森納協(xié)定》，對常規(guī)武器和雙用途物品的出口進行信息交換和控制。隨著中美貿(mào)易摩擦加劇，美國頻頻通過出口管制和《瓦森納協(xié)定》圍堵中國半導體行業(yè)，晶圓禁運也許將是最終極的殺招。

巧婦難為無米之炊，晶圓國產(chǎn)替代形勢愈發(fā)迫切，時不我待。

晶圓國產(chǎn) 矢志不渝

經(jīng)過短短數(shù)年的發(fā)展，神工股份已經(jīng)發(fā)展為細分領(lǐng)域龍頭，營收過億，在全球刻蝕用單晶硅市場占據(jù)13%-15%的份額。科創(chuàng)板上市募資8.67億后，已經(jīng)具備8英寸和12英寸晶圓技術(shù)儲備的神工股份，終于等來了資本的東風。

“在日本我一直在做8/12英寸的晶圓，那才是我的老本行。刻蝕用單晶硅只能算‘副業(yè)’，現(xiàn)在算是‘回歸’了?！迸瞬┦扛袊@道。

目前，90%的單晶硅生長由“直拉法”實現(xiàn)。其原理是在高純度石英坩堝中將多晶硅熔化，由籽晶為引子接觸熔體，隨后緩慢旋轉(zhuǎn)上升，讓硅原子在固液共存的表面重新排列，經(jīng)過轉(zhuǎn)肩、等徑生長、收尾等過程，形成單晶硅。整個過程的難度在于熱場溫度以及拉晶的速度等參數(shù)設(shè)置，是個“慢工出細活”的過程。

神工股份近年來在刻蝕用單晶硅領(lǐng)域積累了大量工藝經(jīng)驗，轉(zhuǎn)化到晶圓生產(chǎn)可謂水到渠成。

在晶體生長的過程中，“晶圓用單晶硅”和“刻蝕用單晶硅”具有很多共性。晶體拉制過程中，高純度多晶硅在石英坩堝內(nèi)被加熱。因為熱源在坩堝外部，對坩堝內(nèi)部熱場溫度控制的要求很高，只有溫度均勻，硅原子才能很好地在固液共存的界面重新整齊排列。

神工股份已有的“固液共存界面控制技術(shù)”和“熱場尺寸優(yōu)化工藝”等技術(shù)，都可遷移和運用到芯片用單晶硅的制造中。只不過在晶體生長的具體參數(shù)上，相比從前對“超大直徑”的追求，現(xiàn)在要向“低缺陷”方向調(diào)整。

“直拉法的歷史已經(jīng)有一百多年了，之后的進步都只能算‘improvement（改良）’，談不上‘innovation（創(chuàng)新）’?！迸瞬┦扛嬖V億歐科創(chuàng)，“做到低缺陷和高良率，是完成一項系統(tǒng)工程，需要人機結(jié)合反復試錯積累，不是單靠投入大量資金就能速成的?！?/p>

神工股份的晶圓項目投資，可以用“步步為營”來形容。

“神工股份不會強調(diào)一次性高投入，而是按照實際需要逐步投入和擴產(chǎn)，把投資者的錢用在刀刃上。2019年，神工股份主要解決晶體缺陷的問題。2020年則聚焦于后續(xù)加工環(huán)節(jié)，關(guān)注拋光的平整性、異物清洗的潔凈度等等。”潘博士表示。

潘博士再次強調(diào)：“難點不是拉出單晶硅，而是提升良率。”

在他看來，神工股份從技術(shù)難度相對較低的8英寸晶圓做起，循序漸進，更能夠保證高良率。神工股份的技術(shù)人員需要摸索工藝路線，通過重復性實驗和精細化品質(zhì)管控措施提升成品率，爭取年內(nèi)將產(chǎn)能提升到8,000片/月的規(guī)模，讓晶圓項目能夠盈利，能夠“自我供血”。

那么，一旦8英寸晶圓產(chǎn)能得以釋放，其市場空間如何？

盡管近年來12英寸晶圓的占比逐年提高，但是8英寸晶圓出貨面積也在逐年提升，以面積計算仍將維持20%以上的市場占有率。根據(jù)勝高和SEMI的統(tǒng)計，2017年全球8英寸和12英寸晶圓的出貨量分別為530萬片/月和550萬片/月，到2020年需求量將分別為630萬片/月和620萬片/月。

按照目前8英寸晶圓國產(chǎn)占比不足20%換算，僅國產(chǎn)替代的缺口就十分可觀。神工股份8英寸晶圓項目完成后，預(yù)計年產(chǎn)能可以達到180萬片8英寸拋光片和36萬片陪片。

近兩年，由于全球半導體行業(yè)進入下行期，2019年和2020年初神工股份的業(yè)績出現(xiàn)一定波折。但隨著新基建的開展和5G換機潮的來臨，下游需求已經(jīng)出現(xiàn)了增長趨勢，而這種增長也將逐步傳導至中上游的設(shè)備和材料行業(yè)。作為國內(nèi)少數(shù)擁有8/12英寸晶圓研發(fā)、生產(chǎn)和銷售全流程頂尖經(jīng)驗的專家，潘博士帶領(lǐng)神工股份以“高良率”為目標，步步為營，穩(wěn)扎穩(wěn)打，有望盡快解決大尺寸晶圓的盈利難題，從而在晶圓國產(chǎn)替代的進程中實現(xiàn)穩(wěn)步增長。