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与君共同见证中国资本市场的壮阔奋进时代！——研讯社 除了国内芯片扩产潮之外，本轮半导体设备环节还有去美化替代加速的逻辑。我们在6月1日《芯片，扩产潮来了！》、6月6日《“芯片荒”加剧、扩产潮来袭！》等文章中多次解读了本轮半导体设备等环节的受益逻辑，除了芯片扩产潮之外，还有加速去美化替代：2019年以来，美国持续对中国半导体行业实施打压，将华为、中芯国际、飞腾等公司列入“实体清单”，威胁了我国半导体产业的高端化发展进程，建立去美国化的国产芯片产线迫在眉睫。一方面，28nm及以上成熟制程仍是目前芯片领域的主流制程，28nm以上成熟制程占当前芯片市场规模的60%；另一方面，当前28nm及以上成熟制程芯片的国产自给率仍不到20%。因此，搭建一条28nm及以上制程的国产半导体设备生产线的意义重大。从技术上看，28nm被业界看做成先进制程与成熟制程的分水岭，同时也是目前国产替代所能接触的高度。芯片是由MOS管组成，而MOS管的栅宽一定程度上决定了芯片的面积、功耗、时延等性能，栅的宽长越小，芯片性能越优秀。 以华为麒麟芯片为例，随着对芯片运算能力要求的不断提升，麒麟CPU制程从2016年的16nm提升到当前的5nm，目前全球芯片代工巨头台积电已经开始布局3nm工艺。按照芯片中MOS管的栅宽，可分为先进制程和成熟制程，目前28nm被业界看做成先进制程与成熟制程的分水岭，综合考虑成本和技术因素：28nm以下（<28nm）划分为先进制程，普遍应用于手机/PC/服务器的CPU与GPU等运算密集型场景，在晶圆代工中，通常采用12英寸硅片。28nm以上（≥28nm）则划分为成熟制程，通常应用于物联网芯片、MCU、功率器件等场景，在晶圆代工中，通常采用8英寸硅片，通常所说的8寸晶圆指的就是28nm以上的成熟制程。选取28nm作为先进制程与成熟制程的分水岭，主要原因为与40nm工艺相比，28nm栅密度更高、晶体管的速度提升了约50%，单次开关能耗减少50%，性能大幅提升，更适用于CPU与GPU等运算密集型场景。同时，对国内产业链来说，虽然在晶圆制造领域，中芯国际已经实现N+1工艺量产（性能接近台积电7nm），但其核心设备仍然来自美国，并非全脱美产线。目前国内半导体设备在各领域已实现重大突破，基本可覆盖28nm工艺制程，但核心设备如光刻机仍未实现28nm国产化，所以28nm也是目前国产替代所能接触的高度。从市场角度看，包括28nm在内的成熟制程仍是目前芯片领域的主流制程，国产替代空间巨大。首先，包括28nm在内的成熟制程仍是目前芯片领域的主流制程。成熟制程芯片市场规模巨大，并长期占据芯片需求的主要市场。目前的芯片种类里，除了CPU与GPU等对运算要求较高的场景外，其余芯片基本采用28nm以上的技术。
数据显示，在晶圆代工领域，2019年全球成熟制程市场规模达330亿美元，约占全部芯片的60%。
其次，当前成熟制程芯片供应持续紧张，在海外成熟制程设备停产背景下，推动成熟制程产业链国产化刻不容缓。
去年下半年以来，疫情带动的居家工作、远程教使得笔记本电脑、平板等需求激增，推升面板驱动IC、电源管理IC、微控制器(MCU)、CIS芯片用量大幅提升，全球芯片产能持续供不应求，并且供需紧张的局面将持续到2022年，而这些芯片主要通过成熟制程（≥28nm）工艺生产，这也造成了8英寸晶圆代工产能的持续紧张。
4月2日，台积电在5天之内连续3次宣布涨价，6月15日报道，台积电等厂商计划再次上调第三季度代工报价30%，并且成熟制程芯片交期最慢已长达两个季度，芯片涨价、缺货已经对下游各行业造成重大影响。当前海外半导体设备商已停产成熟制程设备，已经严重影响到晶圆代工厂的扩产，在此背景下，推动成熟制程（≥28nm）工艺国产化进程刻不容缓。最后，当前国内28nm以上成熟制程的芯片自给率仍不到20%，所以能够实现28nm全产业链国产化，依然意义重大。倪光南院士表示：“一旦我们28nm芯片实现了完全国产化，很多下游应用行业将都可以实现国产芯片的自给与替代。
国务院在2020年8月发布的数据显示，中国芯片自给率要在2025年达到70%，与2019年的30%自给率相比，6年时间要增长40%，这也意味着，在国产替代的大潮之下，国产28nm芯片将会有很大发展机会。虽然中芯国际于2015年就可以进行28nm芯片代工，但核心设备、材料仍需要从美国、日本进口，导致了28nm代工产业链在上游仍被“卡脖子”，随着近期中美摩擦加剧，华为芯片制造被美国“卡脖子”，搭建全国产半导体设备生产线势在必行。晶圆制造过程主要可以分为热处理、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械抛光、清洗、前道量测等工艺流程，这些工艺并不是按单一顺序执行，而是根据要生产的芯片特性选择性地重复进行。典型的晶圆制造需要花费6-8周时间，涵盖300多道工艺流程，某些工序可能需要执行几百次。
1、硅片制造（已满足要求）
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。热处理主要包括氧化、扩散、退火工艺。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。光刻是晶圆制造的核心工序，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年上海微电子或将完成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。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。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。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。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28nm制程的抛光机已经实现成熟产业化应用，14nm制程工艺技术正处于验证阶段。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。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，Optima客户包含三星、SK 海力士、台积电等。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。基于上述讨论的基础上，我们今天整理了一份“28nm半导体产线非美化替代核心受益股”，凡是点了“在看”者，在进入研讯社的公众号主页后，在右上角点击“发消息”按钮，然后在左下角点击“模拟键盘的图标”，最后在对话框里发送“答案”这两个字，就会蹦出答案。![]()
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