半导体空间电荷面密度

非线性模型

本文提出了一种新的非线性模型，用于研究半导体空间电荷面（SCD）的密度。该模型改变了传统模型中电子-空穴对的参数表示，使其可以有效地描述复杂的电荷面构型。新模型基于空间电荷密度张量的定义，可以在各向同性和各向异性条件下描述SCD。使用数值模拟结果证明，该模型可以更好地描述复杂SCD结构，并且可以更准确地预测电荷面的角度和深度。实验结果表明，该模型的精度明显优于传统的线性模型，表明本文提出的模型可以在半导体物理和电子学中得到有效的应用。

电荷耦合器件（charge-coupled device，CCD)是一种用于探测光的硅片，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，实现存储和传递电荷信息的固态电子器件。

电荷耦合器件由美国贝尔实验室的W.S.博伊尔和G.E.史密斯于1969年发明，它由一组规则排列的金属-氧化物-半导体（ MOS）电容器阵列和输入、输出电路组成。电荷耦合器件用电荷量来表示不同状态的动态移位寄存器，比传统的底片更能敏感的探测到光的变化。

原理：

CCD的雏形是在N型或 P型硅衬底上生长一层二氧化硅薄层，再在二氧化硅层上淀积并光刻腐蚀出金属电极，这些规则排列的金属-氧化物-半导体电容器阵列和适当的输入、输出电路就构成基本的 CCD移位寄存器。对金属栅电极施加时钟脉冲，在对应栅电极下的半导体内就形成可储存少数载流子的势阱。可用光注入或电注入的方法将信号电荷输入势阱。然后周期性地改变时钟脉冲的相位和幅度，势阱深度则随时间相应地变化，从而使注入的信号电荷在半导体内作定向传输。CCD 输出是通过反相偏置PN结收集电荷，然后放大、复位，以离散信号输出。

反垄断、教育改革、房地产和医疗政策、共同繁荣。。。所有这些都表明，中国正在经历翻天覆地的变化。这些变化带来了巨大的不确定性，使得许多投资者不敢投资中国的项目和公司。然而，在未来十年，中国肯定会成为世界上最大的经济体。如何更好地理解中国市场的机遇和风险，处理确定性和不确定性是一个至关重要的问题。EqualOcean推出了一系列研究，中国未来投资观察，希望为全球投资者提供线索。

最近，中国互联网上有一种流行的声音建议，中国网民应该冷静下来，正视中国与发达国家在全球芯片市场上存在的差距，而不是盲目地认为中国会在短时间内赶超这些国家。

如上所述，我们相信，中国最终将做到这一切，并与周边国家、欧洲和美国分享，以实现国内唯一的产业链。我们将从三个方面来证明我们的观点：产业链所有制造环节的现状、中国的机遇和中国即将面临的挑战。

产业链的九个环节

预测窗口期的关键是明确芯片制造产业链各环节之间的差距，尤其是先进节点之间的差距。整个晶圆制造分为9个制造环节，包括晶圆清洗、扩散、CVD、掩模对准器、涂布机和显影剂、蚀刻、离子注入、CMP和测试。不同的链接有不同的路径和进度。

1、晶圆清洗系统缺口：4年

日本拥有最先进的晶圆清洗系统能力，占据全球65%的市场份额。2021，东京电子（TEL）推出CELLESTA SCD单波清洗系统，创造了一种使用超临界流体的无模式塌陷干燥方法，可以很好地匹配5/7nm节点生产线。中国最先进的清洗机可与14nm生产线相媲美。令人兴奋的消息是，目前正在开发的清洗系统是针对5/7nm节点的。2021 5月，ACM Research发布了一种用于高级节点应用的晶圆清洗系统，名为ultra-C WB system，该系统配备SC1和SC2 MegaSonic功能，并与14nm节点线相匹配。参照日本的发展 历史 ，我们认为中国制造业水平与世界先进节点水平的差距为四年。

2、扩散设备缺口：5年

在氧化扩散设备领域，日本仍然是最先进的国家，其技术水平也与5/7nm节点线相匹配，约占全球市场份额的80%（以Tel和Hitachi Kokusai electric为代表）。Kokusai电动DD-802V垂直扩散炉是最先进的垂直扩散设备之一，可与5/7nm节点线完美匹配。目前，中国诺拉 科技 集团可以自主生产一台14nm氧化扩散炉，与14nm芯片生产线相匹配。我们预计，中国将用五年时间达到先进技术水平，实现国内替代。

3、CVD设备缺口：9年

美国和日本是CVD市场的两个主要参与者，它们都可以匹配5/7nm节点技术，占全球市场份额的75%左右。这也是与严重依赖进口的中国的联系之一，在20世纪10年代初，中国国内进口率约为2%。然而，诺拉 科技 集团近年来取得了突破。与28nm节点线配套的设备已成功引入客户，14nm节点产品正在试运行。除了NAURA Technology Group，Piotech也在开发5/7nm技术。考虑到磨合期、国内外研究进展以及全球市场份额的集中度，我们认为中国需要九年时间才能赶上主要参与者。

4、光刻机：至少12年

在光刻机领域，荷兰ASML是一家垄断企业，其自身占据了全球84%的市场份额，值得注意的是，光刻机市场贡献了整个芯片产业链总利润的至少20%。它是世界上唯一一家未来能够匹配5/7nm甚至3nm节点线路的公司。值得注意的是，荷兰也没有办法独立创建光刻机，因为所有组件都由其他国家控制：光源来自美国；镜头来自日本；纳米数控机械系统来自德国，相互制约、相互促进。目前，中国光刻机领域最先进的公司是上海微电子。目前已成功突破90nm技术，通过多次曝光法可生产28nm芯片，成本高，无法实现高产。目前正在研究的技术为65nm，但远未达到ASML的先进技术水平。节点间隙很大（至少有3个节点级别，包括28nm、14nm和7nm），甚至它们使用不同的技术（ArF和EUV）。如果中国想成为这一领域的市场领导者并实现完全的国内替代，它需要为来自美国、日本和德国的所有组件建立生产线，而不是像ASML那样只创建一条光刻机装配线。考虑到巨大的差距和突破所涉及的困难，我们保守估计中国至少需要12年才能达到世界先进水平——15年实际上可能是更好的估计（通常需要3年才能在芯片领域建立一条新的组件线）。

5、涂布机和显影剂（轨道）差距：8年

在全球涂布和显影设备市场，日本TEL公司的市场份额已达到88.7%，处于绝对垄断地位。TEL LITHIUS系列是一个领先的行业标准系统，具有高可靠性和高生产率，与7/5nm节点线非常匹配，受到全球芯片制造商的青睐。然而，中国在这方面取得了突破。沈阳金赛装备有限公司正在研究国内替代产品的制造，已达到28nm节点的工艺水平，14nm节点也是目标。

6、蚀刻机间隙：无间隙

蚀刻机是中国当前芯片产业链中最强大的一环。它处于世界前列。代表公司为中微。该公司能够生产与5/7nm节点线匹配的蚀刻机。中微公司的5/7nm级蚀刻机（Primo D-RIE）已成功上市，并已成为台积电的设备供应商。此外，公司还在第一线进行研究，3nm节点级技术正在开发中。值得注意的是，与光刻机一样，蚀刻机市场也在工业生产线中扮演着关键角色，占据了该生产线创造的20%的利润。

7、离子注入机间隙：10年

中国在离子注入领域面临巨大困难，主要是因为美国产品在该领域占据绝对垄断地位，占据全球90%以上的市场份额。代表性公司是美国的Applied Materials和Axcell。Applied materials的VIISTA 3000XP基于其独特的双磁单水结构，提供了先进节点工艺所需的角度精度。与蚀刻机和步进机市场相比，离子冲击器市场相对较小：2020年全球市场销售额仅为18亿美元左右。目前，中国的北京中科鑫电子设备有限公司和上海金石半导体有限公司已成功生产出28nm节点离子注入机，14nm节点技术正在研发中。考虑到市场份额、中美技术封锁以及在中国的研究过程，我们认为开发过程将需要大约10年。

8、CMP差距：5年

CMP市场最先进的国家是美国，技术水平已达到配套的5/7nm节点线。美国占全球市场份额的71%。由杜邦（美国）牵头，其Visionpad产品组合专为先进的7/5nm节点处理而设计，可提供更高的删除率。此外，美国和日本合计约占全球市场份额的98%。然而，中国华清 科技 和中国电子 科技 集团已经推出了与14nm生产线相匹配的技术，并正在开发5/7nm技术，只有一个节点差距。考虑到中国、美国和日本的研究进展，我们认为，中国要在这一领域达到真正的世界级水平，需要大约五年的时间，但要占据更多的市场份额，可能需要更长的时间。

9、检测设备缺口：8年

测试设备贯穿于芯片制造产业线的每一道工序。及早发现不良芯片并加以消除，可大大提高经济效益。因此，该环节的全球市场规模巨大，达到了100多亿美元。在这一领域，最先进的国家仍然是美国，甚至达到3nm节点技术水平。代表性公司有KLA Tencor、ADVANTEST、Teradyne和安捷伦 科技 ，占全球市场份额的90%。目前，中国已推出与28nm节点配套的设备（Skyverse Technology和深圳创牛 科技 ），并正在开发14nm技术。由于技术封锁和中国的研究进展，结合市场份额分析，我们认为中国将难以在不到10年的时间内赶超其他国家。

事实上，产业链中最薄弱的环节往往决定着整个产业链的进步，尤其是对于想要实现整个产业链国内替代的中国来说。这也是我们认为中国要达到世界先进水平和自给自足需要12到15年的根本原因，也就是众所周知，光刻机作为最薄弱的环节，决定了这一过程的长度。然而，对于与线路中的步进环节同样重要的蚀刻机，中国自主研发的蚀刻机技术在六年内达到了5/7nm的世界先进水平，成功打破了西方发达国家的封锁（美国于2015年解除了封锁）。这也使得中国市场参与者对中国芯片市场充满信心。除了分析各个产业链环节外，千载难逢的时代也是关键。

黄金时代即将到来

中国的千载难逢的机遇期主要是由摩尔定律的失效（或减速）造成的。摩尔定律表明，芯片中的晶体管数量大约每1.5到两年翻一番；它由英特尔联合创始人戈登·厄尔·摩尔（GordonEarleMore）创建，半导体行业将其视为黄金法则。然而，摩尔定律正在接近物理学的极限。21世纪初，全球芯片的性能每年增长约50%，2010年下降到23%，201年下降到12%。最近五年的平均比率低至每年3%。早在2014年，摩尔定律就有失败的预兆：就单位成本而言，当芯片工艺从28nm节点发展到20nm节点时，单位价格上涨了10%。

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