上海微电子光刻机在全球属于什么水平？

这个问题非常好，提到光刻机，不能不说这是国人心中一个深深的痛。

中芯国际（SMIC）为了发展最先进的7纳米芯片制造工艺，在2018年初，以1亿多美元向荷兰ASML订购了一台EUV紫外线光刻机。然而，近两年过去了，ASML受到美国的各种施压，迟迟不向中芯国际交付这一台高端光刻机。而我们没有丝毫办法，这不能不说是店大欺客，欺人太甚。

上海微电子（SMEE）作为国产光刻机唯一的提供商，在目前本土高 科技 发展，尤其是芯片被美国穷尽手段阻断的情况下，它的存在无疑成为国内芯片制造的唯一希望。

那么上海微电子在光刻机领域的实力究竟如何呢？

其实这里要先说明一下光刻机的分类，从用途上区分， 其主要有四大类：制造芯片的前道光刻机，封装芯片的后道光刻机，制造LED/MEMS/功率器件的光刻机，以及制造TFT液晶屏的光刻机。

而上海微电子对这四种光刻机都有涉足，尤其是封装芯片的后道光刻机，其在国内具有80%的市场占有率，在国际上也有近40%的占有率，每年都有近60台的出货量。

其客户都是世界前十大封测工厂，比如国内的长电 科技 JCET，通富微TF，以及台湾的日月光半导体，这是非常了不起的成就。

上海微电子的研发实力也不容小觑，在光刻机领域的专利申请量有近3000项。在国内半导体设备厂商的综合排名中，位居前五名。

但是在半导体制造中，最核心的其实属于前道光刻机，其在半导体制造成本里占30%之多，中芯国际向ASML购买的EUV极紫外线光刻机就属于前道光刻机，可用于生产7纳米工艺的芯片。

而上海微电子目前可以提供的最先进前道光刻机，只能用于生产280纳米，110纳米和90纳米工艺的芯片。 从这方面讲，上海微电子与世界前三大光刻机生产商ASML，佳能Cannon和尼康Nikon的差距，是非常巨大的。

除了上海微电子之外，中科院和华中 科技 大学都有对光刻机的研发，但这都停留在实验室的阶段，很难进入商用。

比如中科院号称开发出的“22纳米光刻机”，采用表面等离子技术，不同于EUV极紫外光技术，具有很大的缺陷， 无法生产CPU和显卡GPU等电路非常复杂的芯片 ，这决定了，其无法进入商用领域。

华中 科技 大学国家光电中心甘棕松团队，利用双光束超衍射的技术，开发出的光刻机， 目前仅能用于微纳器件的三维制造，距离进行集成电路芯片制造，还有很多技术需要攻克，更别提进行成熟的商用芯片制造 。

由此我们可以看出，媒体上很多宣称打破国际封锁，开发出的几纳米光刻机，基本上距离商用都很遥远，有的甚至基于不同目的还偷换概念。

这从另一个侧面说明，上海微电子在国内光刻机领域，是唯一有希望进行更高端光刻机研发的企业，因此它的地位是无法替代的。

值得一提的是，从相关渠道了解到，上海微电子正在02专项的支持下，进行28纳米前道光刻机的研发，已经取得了很大的进展。从90纳米跨越到28纳米，如果能实现，也是一个了不起的进步，期待上海微电子的28纳米光刻机！

上海微电子（SMEE) 做为国内拥有最先进的光刻机设计制造技术厂商，目前能达到的最高工艺节点（tech node) 是90nm。90nm是什么概念呢？大致相当于2004年2月年英特尔的奔腾4，当时最强的Prescott架构3.8Ghz就是用的90nm光刻，也是那个时代晶圆厂最好的工艺代表。另外同期同制程节点的还有索尼Playstation2的处理器、IBM PowerPC G5、英伟达的GeForce8800 GTS等。当然实际光刻能力，涉及到晶圆厂的制造能力，最终会有不同。虽然光刻工艺只是芯片制造的上千道工艺中的一部分，但确实最关键的，光刻精度不够，后面任何步骤设计都会产生大量的偏移和失效。这在国际上，算是第四名，因为没有第五第六名。

而这台SSX600系列的90nm光刻机，大约是在2007年研发成功，真正上市时间未知。时至今日，上海微电子的主流产品还停留在前道90nm以及后端光刻系列。后端光刻主要用于先进封装形式，也就是晶圆级封装（WLP）及Bumping为主，对光刻精细度要求没有可比性，拜托有的人就不要把封测那边甚至是MEMS、液晶面板光刻的市场份额拿出来说了，完全两个世界。前道光刻才是真正的地狱难度。

那90nm的光刻机在2021年的今天，还能做什么？我们可以看看下面这个图：，55-90nm仅剩9%的产能，逻辑芯片（比如CIS，驱动芯片、控制芯片等）、e-Flash和DAO(电源类分立器件芯片，结构最为简单）为主。也就是说基本上不会是西方卡脖子的类别，器件设计上构造简单的芯片。

导致国产光刻机一直没用进步的原因有很多。实际上国家进行相关立项是非常早的，也不仅仅是一家公司一个研究机构进入项目。可无奈高端光刻机的大部分核心零部件，我们没有能力设计制造，导致一进口就被禁运。当然，我们的设备厂商、半导体材料研究机构、晶圆厂，都在积极寻求和国外机构、企业的合作，以达到研发和其他资源上的共赢，并规避一部分境外的技术、材料、部件的限制。只是离高端制程节点越近，这样的限制就卡得越紧。（大家可以查一下IMEC这个比利时的研究机构，他们在上海也有分店。）

我们可以先看看一台光刻机的主要组成部分有哪些：

稍微查一下材料，就可以看到国内到底哪些厂商有能力供应65nm以下光刻系统核心部件，是否已经拥有商业级别自主设计和制造能力。对，你猜得没错，几乎都没有——实验室里面有、研发基地里面有，但那不等于可以进行到商用级别，还只能停留在实验室里面做论证和分析。 而且加上瓦森纳协议《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳安排》等西方世界针对 社会 主义国家的禁运玩法存在，就连跨国合作都被限定在非常清晰的框架内。 现实就是如此残酷！

一下子要跳到28nm，甚至14nm，不是上海微电子做不出来，而是这事情不能靠上海微电子一家去做。这是一个需要整合 社会 资源、进行多层次多路径全赛道起跑的一整套工业技术开发项目集合。那一条赛道慢一点，我们的下一个世代光刻机就要等等。资金，我们有的；人才，我们也有的；参照物也有的；政策也有明确的导向；舆论也给足了劲。剩下的就是给他们时间和空间，因为各专项有对应的企业和机构在攻坚了。小道消息，28浸没式DUV有在研发（对就是你们知道的02项），但还是需要些时间才知道是否能用到晶圆厂里。如果有吹14nm出来的，到今天为止可以直接当做某种对上海微电子乃至整个国产光刻机行业的捧杀。

少一点毒奶，多一点务实。 把他们吹上天，未必是好事。把他们贬得一文不值、冷嘲热讽，也不过是递刀子让境外渗透势力攻击我们的科研体制。让 社会 大众了解清楚现状，我们自己的舆论也责无旁贷。

上海微电子，前路漫漫，却依然是国产高端光刻机的希望。

水平不高

但不空白

坚持研发

踏实前进

一步一步

后来居上

故，最终赶超一流

＃凌远长著＃

上海微电子光刻机在全球属于什么水平？上海微电子光刻机在国内是最先进的光刻机研发制造企业，其前道光刻机能够实现90nm制程，在国内市场份额超过80%，并且也销往国外。但与国际先机光刻机相比，上海微电子光刻机却处于低端光刻机序列。

目前光刻机市场几乎被荷兰ASML、日本尼康和佳能、中国上海微电子设备集团四家所垄断。而在这里面，又分为三个档次，荷兰ASML垄断了高端光刻机市场份额，日本尼康和佳能处于中端但同时竞争中低端市场，而上海微电子只有低端光刻机市场。其中ASML采用13.5nm的光源，可以实现7nm的制程，未来还将会实现更小nm的工艺。而上海微电子目前只能实现90nm工艺制程，差距不小。

上海微电子集团成立与2002年，成立之初当时国外公司曾经嘲讽：“ 即使把图纸和元器件全部给你们，你们也装配不出来。 ”。然而上海微电子经过自力更生艰苦奋斗，硬是打脸了国外公司的脸， 在2007年研制出了我国首台90nm制程的高端投影光刻机 。

不过由于样机一出来因为采用了国外引进的高精度元器件，这时西方国家丑恶的嘴脸暴露了出来，摆出了《瓦森纳协议》共同对我国实现高精度元器件禁运。以至于到目前即使研究出更好的光刻机，要大量生产也受到了国内产业链的限制。但 上海微电子硬是凭借一口气，还是又研制出了另外的光刻机出来，并逐渐在国内赢得了市场 。

现在国内已经意识到光刻机相当重要的作用， 中芯国际已经花了将近1.5亿美元引进ASML高端光刻机，但过去了两年还未能交货 ，因为国外有阻扰要得到这台高端光刻机会经过不少波折，最后也不知道能不能成。国内相关的机构也在重点突破光刻机技术，比如中科院光电所已经研究出光刻分辨力达22nm的技术，结合双重曝光技术可以实现10nm芯片的制造。

不过光刻技术攻克后，要实现光刻机量产还有不少的时间。特别是需要几万个零部件要达到高精准度的高端光刻机，其中的关键高精度零部件比如镜头、光源、轴承等，目前国内产业链还达不到，也需要联合攻关才能取得，这需要花费不少的时间。就如中科院微电子所院士所说， 在光刻机方面国内与国外先进相比相差15-20年的距离。即使是国内最先进的上海微电子，也还有相当长的路要走。

    如果说上海微电子的光刻机全球领先，大家都不会相信。荷兰ASML最新的光刻机为7nm制程工艺，即将量产5nm，上海微电子最新的量产光刻机是90nm，正在研发65nm光刻机。也就是说，我国的光刻机与世界先进水平还有很大的差距。

    真正的差距在哪里？

    上海微和荷兰ASML光刻机的差距，客观反映了 我国和西方发达国家在精密制造领域的差距 。一台顶级光刻机的零部件，来自于西方不同的发达国家，美国的光栅和计量设备、德国的光学设备和超精密机械、瑞典的轴承、法国的阀件等等，最要命的是，这些顶级零件对我国是禁运的。

    荷兰ASML的光刻机，90%的关键设备来自于不同的发达国家，自己并不生产关键零部件，而是做好精准控制和集成，将13个系统的3万多个分件做好精准控制，误差分散到这13个系统中。上海微电子同样是一家系统集成商，自己并不生产关键零部件，所以在没有顶级零部件、没有突破关键技术的情况下，做不出7nm光刻机光刻机不是它的责任。

    有钱买不到？

    还有一个关键的问题，荷兰ASML的7nm EUV光刻机，处于垄断地位，全球只有ASML能够生产，而且产量有限，即便有钱也很难买到，原因有两点。

    原因一：ASML的合作模式

    ASML有一个独特的合作模式，只有投资了ASML，才能获得优先供货权，也就是说ASML要求客户先要投资它自己才行，通过这种合作模式，ASML从来不用担心钱的问题，包括英特尔、三星、台积电、海力士等都是ASML的股东，可以说大半个半导体行业都是ASML的合作伙伴。

    ASML的高端光刻机产量本来就不高，早早就被英特尔、台积电等这些公司预定了。

    原因二：技术封锁

    我国进口高技术设备时，无法绕开的一部法令是《瓦森纳协定》，美国和欧盟等国家都是其成员国，这是一部全球性的法令，我国就在被禁名单之内。这个协定也不是完全禁售，而是禁售最新几代的设备，比如2010年90nm以下的光刻机对我国禁售，2015年改成65nm。

    我国的晶圆厂中芯国际，早在2018年就从ASML成功预订了一台7nm EUV光刻机，先是因为ASML的合作伙伴失火，导致订单延期，无法交货，后是因为受到美国的牵制，荷兰不予签发许可证，所以，中芯国际至今仍然没有收到，其中的原因大家可以想一想。

    总之，在光刻机领域，我国与世界先进水平还有巨大的差距，而且光刻机的研发不能实现跳跃，没有突破65nm之前，是无法研发24nm的。同时，ASML向我国晶圆厂出售高端光刻机时，有保留条款，禁止给国内自主的CPU代工，比如给龙芯、申威等，但不影响给ARM芯片代工，很大程度上影响了自主技术和我国半导体产业的发展。

上海微电子是国内唯一的高端光刻机整机厂商，目前量产的最先进光刻机只能支持90nm制程。

前几年宣传过要生产65nm光刻机，不过65nm与90nm都属于上一代技术了，已经落后，就算造出来，就技术或者市场来说意义都不大，比较鸡肋，后来就不提了，看来已经取消。

65nm是一个坎，90nm和65nm都属于深紫外（DUV）干式光刻机，优于65nm的就是深紫外浸没式光刻机，工件台浸泡在水里，技术革新幅度比较大。佳能和尼康就是因为开发这一代产品失败，止步于高端光刻机市场。

国产光刻机的下一个目标是28nm。能定下这个指标本身就很了不起， 荷兰阿斯麦的DUV光刻机单次曝光最高只能到38nm 。要实现28nm需要大量技术创新才行。

从全球来看，处于最低档的水平，离最强的ASML应该至少有10年以上的差距。

为何这么说，目前上海微电子光刻机还是处于量产90nm的阶段，目前还在研发65nm，而ASML目前最牛的光刻机可用于生产5nm的芯片，具体的各个级别的光刻机分类如下：

如上所示，如果分为四类，分别是超高端、高端、中端、低端的话，上海微电子处于最低端，而这个技术，ASML10年前就有了，所以说离ASML至少是10年的差距，这还要ASML停留在原地等才行。

那么从90nm到5nm，从当前的芯片主工艺来看，至少可以分为65nm、40nm、28nm、20nm、16/14nm、10nm、7nm、5nm等。

而这些节点技术，有好几个台阶要上，首先是45nm的台阶，再到22nm的台阶，再到10nm台阶，再到7nm的台阶，真的是一步一个坎，有些坎几年都未必能够更新出一代来。而这些节点，真的是一步一台阶，越到后面越难，所以这个差距真的是非常大的。

网上一直流传着一句话，ASML曾说就算他公开图纸，别人也生产不出和他一样的光刻机来，因为光刻机的技术，很多是经验积累，并且和芯片制造厂商的合作一起研发，并不是靠着元件就能够解决的，而国内芯片制造技术本来就落后，这样无法强强联手，很难追上ASML。

虽然说在光刻机领域中，上海微电子一直表现比较抢眼，但在市面上出售的光刻机，却着实有些令人感觉到差异，90nm的光刻机和荷兰ASML的7nm Euv的区别着实有点过大了。但是，这种“憋屈”，我们现在还得承受着，这是无奈之举。

我们得打破《瓦森纳协定》的束缚？

其实，我们知道，《瓦森纳协定》是成了禁锢我们发展的一大不可忽视的紧箍咒，不仅仅以美国为主的国家，极力的阻止我们在半导体领域的发展，还通过技术管制，让我们很难在技术中，得以进步。因为，最新的技术确实在美国等西方国家的技术钳制中！

因此，如果打破不了《瓦森纳协定》的束缚，我们在光刻机方面，还是会处于不小的压力，这才是我们必须要知道的。

光刻机，需要多种技术的集合

什么是光刻机？光刻机是我们在生产芯片中的重要部分，其实简单的解释是，将光罩上的设计好集成电路图形通过光线的曝光印到光感材料上。因此，镜头、分辨率、套刻精度都非常重要。

我们经常说的nm是什么意思呢？其实，就是光刻机在365纳米光源波长下（深紫外光），单次曝光最高线宽分辨力达到多少纳米。

我们知道，光刻机的曝光系统常见光源分为:紫外光（UV）、深紫外光（DUV）、极紫外光（EUV）等等，如今能够在EUV中有所作为的，可能只有ASML了。其实，ASML的成功是集众家之长，比如德国蔡司提供的镜头，美国公司供应的光源，也囊括了海力士、三星、英特尔等多家公司，因为它们是ASML的股东，这就是阿麦斯聪明之处，想优先获得我的光刻机，就得成为我的股东。

技术集合的困难，是我国光刻机发展的难点。其实，上海微电子的发展已经很不错了，我觉得我们可能需要的是，换一种思路，打破国际惯例的技术限制，这就比如武汉光电国家研究中心的甘宗松团队，成功研发利用二束激光，生产9nm工艺制程的光刻机一样，未来的限制只会被打破。

上海微电子在全球是“全球第四”的水平。

但事情就怕说“但”，一说这词，后面的话就没那么振奋人心了。

理由就是，如果把目光聚焦到技术含量最高，利润也是最高的高端光刻机市场，就会发现这个市场特别小，小到了四家生产商都太拥挤了。现在来看，实际上哪怕只有一家，也能够让这个高端光刻机市场正常运作下去。 而且这个市场，现在也确实是一家独大的形势，荷兰ASML一家独揽了高端光刻机市场的大头，老二和老三的佳能和尼康还能捡点汤汤水水混个水饱，至于上海微电子这个老四，就真的是只能面对锃光瓦亮的锅碗瓢盆了！

现在在攀登最高端光刻机的道路上，老二和老三的佳能、尼康也是力不从心了，相继都宣布了不会去开发EUV光刻机，干脆地躺倒认输了。这或许给了目前第四的上海微电子机会，加把劲说不定就能变成第二了。

但在这这已经渐渐明朗的“垄断”行业中，龙头通吃的荷兰ASML会给上海微电子，以及另外两个输家佳能和尼康，还能留下什么就真不好说了。

总之，光刻机的路上，老大荷兰ASML已经一骑绝尘，剩下三个难兄难弟能跑多快，能跑多远，都是只能挣亚军了，而且是没有奖金的亚军，因为在这个赛道上，只有冠军能拿到奖金。

首先说下世界上生产光刻机的几个品牌

ASML

尼康

佳能

欧泰克

上海微电子装备

SUSS

ABM, Inc.

大家最熟悉的莫过于ASML了，经常有新闻报道这家人数不多的公司，每个高端光刻机的流向，都会引起人们瞩目，每一代高端cpu都离不开它的身影，而且有些型号还属于禁运品，可想而知它的重要性了。

下面我们说说国内的上海微电，由于各国对高端光刻机的控制，我国也于02年开始开发研制，主要提供90nm及以下的制造能力，还是面对低端市场，能很大解决国外垄断现象，提高我国芯片生产能力，主流的7nm生产工艺还主要在台积电，三星(只是使用方，没研发)手中，不过我们也是奋发图强，每年二三百台的出货量，大大提高我国芯片的竞争能力，如果分上中下三个等级的话，我感觉上海微电属于中等偏下水平，不过随着我们 科技 强国战略，这个等级还会随时变动，希望能造出超一流的设备，打造中国自己的高端芯片

随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。

值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元

全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。

本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。

20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。

然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。

在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。

笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。

安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。

英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。

第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。

和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。

随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:

与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 : 

1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅制备器件可以极大地 提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗

2.耐高温 :半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化

3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。

氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。

半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。

第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。

前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。

从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。

这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。

此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。

对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。

但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。

在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。

比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。

如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。

吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。

观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。

但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。

业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。

“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。

以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”

作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。

虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。

从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。

泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”

吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。

那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。

第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。

其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。

得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:

光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等

电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等

微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。

现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。

早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

具体来看当前主要应用领域的发展情况:

1.新能源汽车

新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。

2.光伏

光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。

3.轨道交通

未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。

4.智能电网

目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。

第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。

时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?

从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。

安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。

具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。

另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。

泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。

OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。

虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。

就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。

OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。

上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。

当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。

在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议  「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」  。

本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。

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