近日，美國(guó)進(jìn)一步收緊出口管制措施，限制華為使用美國(guó)技術(shù)和軟件在海外設(shè)計(jì)和制造半導(dǎo)體。美國(guó)針對(duì)中國(guó)科技企業(yè)的打壓，已經(jīng)由單純的下游芯片禁運(yùn)，轉(zhuǎn)移到中游晶圓代工管制，下一步則很可能上溯至國(guó)產(chǎn)率近乎為零的大尺寸晶圓。

    晶圓，又稱“硅片”，是芯片制造的基礎(chǔ)材料。晶圓生產(chǎn)，是中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中與世界先進(jìn)水平差距最大的領(lǐng)域之一。一直以來，我國(guó)大尺寸晶圓嚴(yán)重依賴進(jìn)口。近年來，雖然國(guó)內(nèi)大尺寸晶圓生產(chǎn)基地建設(shè)紅紅火火，但是良率爬坡卻困難重重，正片出貨量不盡人意。

   神工股份（688233．SH）董事長(zhǎng)潘連勝博士，曾長(zhǎng)年參與日本東芝陶瓷8／12英寸晶圓項(xiàng)目。他用“三高”來概括進(jìn)入該行業(yè)的壁壘－－－－投資門檻高、技術(shù)壁壘高、市場(chǎng)門檻高。

    當(dāng)初回國(guó)創(chuàng)業(yè)時(shí)，潘博士曾希望直接投資生產(chǎn)晶圓。然而，當(dāng)時(shí)國(guó)家集成電路“大基金”還未成立，晶圓廠初始資金投入數(shù)以億計(jì)，十分高昂。面臨資金緊缺的困難，他不得不先切入資金投入較少的“刻蝕用單晶硅”，徐圖緩進(jìn)。

    2020年2月，神工股份成功登陸科創(chuàng)板，終于等來了資本的東風(fēng)，其8英寸晶圓項(xiàng)目也終于由規(guī)劃走向落地。近日，億歐科創(chuàng)試圖探尋如下問題的答案：大尺寸晶圓的國(guó)產(chǎn)替代，究竟“卡”在了哪里？神工股份的8英寸晶圓項(xiàng)目，進(jìn)展如何？

    大尺寸晶圓先行者

    潘博士在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域已經(jīng)有超過二十年的從業(yè)經(jīng)歷，是國(guó)內(nèi)少有的具備日本先進(jìn)晶圓廠工作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)專家之一。更為難得的是，他還親身參與8／12英寸晶圓研發(fā)、生產(chǎn)、銷售工作，這令其成為業(yè)內(nèi)少有的全面型復(fù)合人才。

    出身福建山村的潘博士，曾先后就讀于北京航空學(xué)院（北京航空航天大學(xué)的前身）和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。畢業(yè)后他深耕航空航天領(lǐng)域，參與過重要的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。在信息閉塞、海外封鎖的環(huán)境下，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作，往往要根據(jù)境外書報(bào)雜志和航展宣傳冊(cè)上展示的歐美裝備圖片對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行推測(cè)。童年生活之貧窮，科技發(fā)展之困窘，在潘博士心中埋下了“產(chǎn)業(yè)報(bào)國(guó)”的種子。

    1993年，他被公派前往日本三和工機(jī)株式會(huì)社任設(shè)計(jì)工程師；一年后，進(jìn)入早稻田大學(xué)攻讀材料學(xué)博士。博士畢業(yè)后，他加入日本東芝陶瓷的半導(dǎo)體晶圓事業(yè)部，從此邁入半導(dǎo)體材料行業(yè)。憑借扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)精神和長(zhǎng)期的勤奮努力，潘博士逐步成為行業(yè)中為數(shù)寥寥的來自中國(guó)大陸的領(lǐng)軍人物。

    東芝陶瓷株式會(huì)社（Toshiba Ceramics Co． Ltd．）是世界大尺寸半導(dǎo)體硅片的五大制造商之一，在日本的行業(yè)地位僅次于信越（ShinEtsu）和勝高（SUMCO），于2007年由管理層收購（MBO）更名為科跋凌材料公司（Covalent Materials Corporation）。

    2018年全球半導(dǎo)體原材料各細(xì)分市場(chǎng)份額

    潘博士在東芝陶瓷和科跋凌材料先后擔(dān)任過研究員和中國(guó)分公司總經(jīng)理，經(jīng)歷了該公司研發(fā)、生產(chǎn)和銷售8／12英寸晶圓的全過程。當(dāng)時(shí)，中國(guó)廠商制造“中國(guó)芯”的熱潮一浪接著一浪，但對(duì)至關(guān)重要的上游材料行業(yè)卻鮮有涉足。

    “當(dāng)時(shí)我就意識(shí)到，即便中國(guó)能自主設(shè)計(jì)和制造芯片，美國(guó)及其盟友依然可以通過限制半導(dǎo)體材料出口的方式‘釜底抽薪’。如果連芯片制造所需的基礎(chǔ)材料都不具備，我國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)談何獨(dú)立自主？晶圓必須盡早實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代?！迸瞬┦扛嬖V億歐科創(chuàng)。

    2012年，潘博士的“國(guó)產(chǎn)晶圓夢(mèng)”契機(jī)出現(xiàn)了。由于全球半導(dǎo)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(guó)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)造了天時(shí)與人和。

    潘博士在國(guó)內(nèi)多地輾轉(zhuǎn)尋找土地、人員和資本。最終，神工半導(dǎo)體于2013年在錦州成立。由于歷史原因，這個(gè)名不見經(jīng)傳的東北小城擁有中國(guó)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(dāng)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(dāng)時(shí)根本無法直接建設(shè)晶圓廠，只能選擇“曲線救國(guó)”－－－－先研發(fā)生產(chǎn)“刻蝕用單晶硅”。這種產(chǎn)品對(duì)技術(shù)水平要求很高，國(guó)內(nèi)廠商鮮有涉足，但優(yōu)點(diǎn)在于初始資金投入相對(duì)較少、利潤(rùn)可觀，還可以儲(chǔ)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(dá)到半導(dǎo)體級(jí)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(duì)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(dá)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(shì)。其“無磁場(chǎng)大直徑單晶硅制造技術(shù)”、“固液共存界面控制技術(shù)”、“熱場(chǎng)尺寸優(yōu)化工藝”等均已處于國(guó)際先進(jìn)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(dāng)芯片制程從90nm向7nm甚至5nm逐漸縮小時(shí)，先進(jìn)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(chǎng)主流晶圓尺寸是8英寸（直徑200mm）和12英寸（直徑300mm）。據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料協(xié)會(huì)（SEMI）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，按面積單位計(jì)算，2018年兩者全球市場(chǎng)份額分別為26．34％和63．31％，合計(jì)近90％。

    國(guó)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(tuán)是央企序列中研發(fā)半導(dǎo)體硅材料的主要廠家之一。有研董事長(zhǎng)趙曉晨曾在2019年底的采訪中表示，我國(guó)80％的8英寸晶圓和全部12英寸晶圓都依靠進(jìn)口，半導(dǎo)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(zhǎng)、純度高，而且表面要非常潔凈和絕對(duì)平整——顆粒尺寸只有PM2．5的1％大小，平整度相當(dāng)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(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的最大障礙。

    從硅單晶成長(zhǎng)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(dá)到99％以上，才能讓最終的晶圓良率達(dá)到90％以上，才有資格與世界領(lǐng)先的晶圓制造商——信越化學(xué)和勝高同場(chǎng)競(jìng)技。

    關(guān)于晶圓品質(zhì)一致性問題，潘博士做了一個(gè)形象的比喻：“同樣是遵循正態(tài)分布，信越化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)但并不很集中，良品率也就沒那么高。”

    因此，僅僅把大尺寸晶圓“做出來”還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，良率太低也就意味著成本過高，也就沒有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)期批量采購，是檢驗(yàn)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(shí)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(jì)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(yíng)收同比增長(zhǎng)47％，營(yíng)業(yè)利潤(rùn)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(xiàng)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(guó)內(nèi)廠商們卻不能有絲毫懈怠。1996年，以西方國(guó)家為主的33個(gè)國(guó)家簽訂《瓦森納協(xié)定》，對(duì)常規(guī)武器和雙用途物品的出口進(jìn)行信息交換和控制。隨著中美貿(mào)易摩擦加劇，美國(guó)頻頻通過出口管制和《瓦森納協(xié)定》圍堵中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)，晶圓禁運(yùn)也許將是最終極的殺招。

    巧婦難為無米之炊，晶圓國(guó)產(chǎn)替代形勢(shì)愈發(fā)迫切，時(shí)不我待。

    晶圓國(guó)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(xì)分領(lǐng)域龍頭，營(yíng)收過億，在全球刻蝕用單晶硅市場(chǎng)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(chǔ)備的神工股份，終于等來了資本的東風(fēng)。

    “在日本我一直在做8／12英寸的晶圓，那才是我的老本行?？涛g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(zhǎng)由“直拉法”實(shí)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(zhǎng)、收尾等過程，形成單晶硅。整個(gè)過程的難度在于熱場(chǎng)溫度以及拉晶的速度等參數(shù)設(shè)置，是個(gè)“慢工出細(xì)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(yàn)，轉(zhuǎn)化到晶圓生產(chǎn)可謂水到渠成。

    在晶體生長(zhǎng)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?yàn)闊嵩丛谯釄逋獠?，?duì)坩堝內(nèi)部熱場(chǎng)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(chǎng)尺寸優(yōu)化工藝”等技術(shù)，都可遷移和運(yùn)用到芯片用單晶硅的制造中。只不過在晶體生長(zhǎng)的具體參數(shù)上，相比從前對(duì)“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(jìn)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(xiàng)系統(tǒng)工程，需要人機(jī)結(jié)合反復(fù)試錯(cuò)積累，不是單靠投入大量資金就能速成的。”

    神工股份的晶圓項(xiàng)目投資，可以用“步步為營(yíng)”來形容。

    “神工股份不會(huì)強(qiáng)調(diào)一次性高投入，而是按照實(shí)際需要逐步投入和擴(kuò)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(qiáng)調(diào)：“難點(diǎn)不是拉出單晶硅，而是提升良率?！?/p>

    在他看來，神工股份從技術(shù)難度相對(duì)較低的8英寸晶圓做起，循序漸進(jìn)，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(fù)性實(shí)驗(yàn)和精細(xì)化品質(zhì)管控措施提升成品率，爭(zhēng)取年內(nèi)將產(chǎn)能提升到8，000片／月的規(guī)模，讓晶圓項(xiàng)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(chǎng)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(jì)算仍將維持20％以上的市場(chǎng)占有率。根據(jù)勝高和SEMI的統(tǒng)計(jì)，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(guó)產(chǎn)占比不足20％換算，僅國(guó)產(chǎn)替代的缺口就十分可觀。神工股份8英寸晶圓項(xiàng)目完成后，預(yù)計(jì)年產(chǎn)能可以達(dá)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(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入下行期，2019年和2020年初神工股份的業(yè)績(jī)出現(xiàn)一定波折。但隨著新基建的開展和5G換機(jī)潮的來臨，下游需求已經(jīng)出現(xiàn)了增長(zhǎng)趨勢(shì)，而這種增長(zhǎng)也將逐步傳導(dǎo)至中上游的設(shè)備和材料行業(yè)。作為國(guó)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(yàn)的專家，潘博士帶領(lǐng)神工股份以“高良率”為目標(biāo)，步步為營(yíng)，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(guó)產(chǎn)替代的進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)。