芯片制造关键技术“印刷术”产能吃紧,半导体业史上最严峻的产能短缺已来袭!

科技动态 2018-06-19 阅读原文

全球半导体供应链弥漫一股“万物皆缺”气氛,这一波比特币、人工智能带动的高端芯片热潮,迫使台积电、三星对外释出高端 28/16/14/10 纳米的光掩模订单,加上国内有接近 30 座的新晶圆厂在建,近几个月连光掩模都罕见传出缺货声浪,再加上先前大硅片的缺货状况至今无解, 全球半导体业史上最严峻的缺货潮已然来袭!

中国在这一波集成电路产业政策和发展基金的带动下,高端晶圆代工、成熟工艺技术、 3D NAND 技术、 DRAM 技术陆续落地,这样的大规模崛起,已经在全球半导体产业掀起巨浪,更让整个供应链陷入极度吃紧。


从半导体 12 寸大硅片缺货时程将拉长至 5 年之久,连带使得 8 寸硅片也供货吃紧,半导体设备交期延长,且部分关键设备供货不足,现在连高端的光掩模也罕见传出供应吃紧,连台积电、三星都启动委外释单。

光掩模进入 7 纳米制程,成本是 28 纳米十倍,为芯片公司高筑竞争门槛

光掩模是半导体制程中,非常关键的一环。光掩模一般也称光罩,是半导体、液晶显示器在制造过程中,转移电路图形“底片”的高精密工具。

IC 制造的第一个步骤就是把光掩模上的电路图转移到晶圆上,它的过程和传统相片的制造过程非常类似。

光掩模是将电脑所设计的半导体设计回路图,通过光刻制版工艺,将半导体客户需要的微米和纳米级的精细图案制成掩模版,是电路图写在半导体晶圆之前,最先被呈现的半导体零件,这原理就好像是利用底片洗出数千张的照片,透过光掩模,也能在众多的晶圆上写出半导体回路。

光掩模的准确度和细致度,直接攸关半导体芯片的品质,且光掩模版不象是标准化的量产晶圆,一次生产几百、几千片都是长得一样的晶圆。 因为一套光掩模可能只有 30 片,但每一片的图案都不一样,每一片都是定制化的,因此,很多人会说,光掩模是半导体技术判定的重要关键。


由于光掩模在半导体制造的角色上如此关键,随着半导体工艺从 28 纳米、14/16 纳米再到 7 纳米,光掩模的成本大幅上涨,这攸关一家芯片设计公司有无开发一颗 7 纳米高端工艺芯片的能力。

以 28 纳米工艺节点为例,芯片设计公司要开一套 28 纳米的光掩模,成本约 100 万美元,但进展到 7 纳米工艺技术,成本大幅垫高到将近 1,000 万美元。 单是光掩模的成本就如此高,试想,有多少芯片公司有能力转进 7 纳米工艺节点,这演变成 7 纳米大战,不单考验芯片公司的技术,资本竞争的门槛也很难跨越!

中国也有国产的光掩模供应商,但多数停留在八寸晶圆和低端工艺技术,因为光掩模产业的设备机台投资和晶圆厂一样,是十分庞大的,在高端技术上,多是由外商主导。

全球三大光掩模供应商齐聚中国抢占半导体崛起浪潮,日本凸板抢先出招

受惠半导体产业政策和资金涌入,全球三大光掩模供应商都摩拳擦掌将中国半导体崛起视为巨大商机,日本凸版印刷 Toppan 抢先出招,6 月 22 日将齐聚产业上、下游,在上海举行中国首届的“2018 凸版光掩模技术论坛”。


全球光掩模产业生态分为半导体厂附属的光掩模部门,以及独立型光掩模供应商两大类,两者比重约 65% 和 35%,象是半导体大厂英特尔、台积电、三星、中芯国际内部都有附属的光掩模部门,而独立型的光掩模供应商主要来自于美日两国,全球三大供应商分别为日本凸板 Toppan 、大日本印刷 DNP 、美国 Photronics Inc。

其他还有一些中小型光罩厂如日本豪雅 Hoya、日本 SK-Electronics 等,中国也有自己的光掩模厂,如无锡中微掩膜、深圳清溢光电、台湾光罩,以及中国科学院微电子中心等。

今年以来人工智能芯片、比特币挖矿芯片带动高端半导体工艺需求,高端光掩模已传出产能不足声浪,台积电今年也开始增加光掩模的资本支出。

同时,三星和台积电也同步启动委外释单的策略,主要以高端工艺为主,包括 28 纳米、16 纳米、14 纳米、10 纳米工艺技术,陆续找寻独立型的光掩模供应商支持。

英特尔、台积电、三星陆续转进 10 纳米、7 纳米工艺技术,这些高端技术对于曝光率的要求大幅提升,需要用到二重曝光和三重曝光技术。 不单是曝光时间拉长,精准度更是提升,即使这些大厂增加机台设备,仍是无法满足高端工艺对于光掩模技术需求的大幅增加,因此陆续启动委外释单。


业界传出,美国光掩模大厂 Photronics 接获台积电的光掩模委外释单,与台积电签下两年的供应长约。日本凸板 Toppan 受惠于三星的高端光掩模产能吃紧,因此调整自制和外购的光掩模的比重,扩大外购比例,因此日本凸板 Toppan 也接获三星的扩大委外释单。

根据国际半导体协会 SEMI 统计,2017 年全球光掩模市场以 37.5 亿美元创下历史新高,预计 2019 年将超越 40 亿美元大关。 而全球最大的光掩模市场是台湾地区,其次是韩国,而中国大陆在全球光掩模市场的份额现约个位数,市场预期在 2020 年有机会挑战 20% 份额。

目前国内有自制光掩模技术能力的半导体大厂并不多,中芯国际算是少数之一,但传出在 14 纳米工艺以下,基于曝光技术需求量扩大、时间拉长、精准度更高等考虑,也开始与独立型的光掩模供应商合作。

国内也有不少的光掩模供应商,像是无锡中微掩膜、深圳清溢光电、无锡华润微电子等,但多半以 0.18 纳米以上工艺技术为主,高端工艺仍是掌握在美日大厂手上。

百年企业日本凸板,计划将 28 纳米、14 纳米高端光掩模技术转至上海厂

美日光掩模大厂为了插旗国内半导体商机,也开始将部分高端技术移至国内生产,因此国内的光掩模技术已经从 90 纳米、65 纳米、 40 纳米逐渐朝 28 纳米和 14 纳米升级。

日本凸板 Toppan 将 于 6 月 22 日举行中国首届的技术论坛,以“中国芯,凸版情”为主题,举行“2018 凸版光掩模技术论坛”,强势插旗中国半导体的企图心强烈。

日本凸版印刷 Toppan 成立于 1900 年,是一家百年企业,以印刷技术起家,在 1961 年跨入光掩模解决方案市场,开启半导体产业的布局。


日本凸版印刷 Toppan 已经计划将高端的光掩模生产线在国内生产。目前凸版印刷在上海的生产线以 90 纳米的光掩模技术为主,今年将导入 65 纳米工艺技术,同时启动 28 和 14 纳米光掩模技术的生产线,这会是中国当地光掩模技术的最先进制程。

日本凸版印刷 Toppan 在全球有多个生产据点,包括日本 Asaka 进行 7 纳米技术的开发,以及德国 Dresden 、台湾地区等,同时,根据公司也根据技术蓝图的前进,今年将投入 5 纳米高端工艺技术的开发。

此外,日本凸版印刷 Toppan 也和 GlobalFoundries 在德国 Dresden 成立先进光掩模技术中心,此为一合资公司 (Advanced Mask Technology Center;AMTC)。

由于这一波中国半导体大规模崛起,积极插旗卡位的还有大日本印刷 DNP 和美商 Photronics 去年宣布在厦门合资成立美日丰创光罩,引进 40/28 纳米制程,计划五年内投资 1.6 亿美元,主要客户是晶圆代工大厂厦门联芯,日前联芯也正式引进 28 纳米制程工艺。

国内近 30 座新晶圆厂陆续启动,考验全球半导体原物料供应

这一波无论是光掩模或是大硅片缺货,背后都是反应半导体三强英特尔、台积电、三星近几年来拼命盖新厂并转进高端技术,牢牢卡住半导体供应链主要的原物料供应。

再者,是中国未来几年有接近 30 座晶圆厂落成,像是地产业恒大、碧桂园,或是家电业格力都投身半导体行业,突然涌至的大规模需求,会是半导体供应链的巨大商机。

业界认为,这一波的新晶圆厂热潮中,真正有机会进入量产的以中芯国际、华虹半导体、华力微电子等主流的晶圆代工厂,以及紫光旗下的长江存储、福建晋华、合肥睿力等存储器供应商为主,尤其不少新进的半导体厂,为了确保未来大硅片供货无虑,都提出加价 30% 来确保大硅片货源。

然而一些新盖的晶圆厂如果没有关键技术、核心原物料的支持,攸关未来这些新建的晶圆厂是否有能力进入实质量产,如果盖好的晶圆厂无法进入量产,未来会有一波大量的无效产能问题涌现。 而以目前半导体产业供应链几乎呈现“万物皆缺”的状况,显然将会对于整体国内半导体产业的发展带来更大的考验。不只是晶圆厂,包括芯片产业的流片生产也可能会因为光掩模缺货问题而受到影响。


但不可讳言的是,以目前国内到处都在盖晶圆厂的状况来看,这一次的半导体供应链破天荒大缺货,却也是一个来的早不如来得巧的提醒,毕竟,以半导体产业完整健全发展的角度来看,盖厂、发展技术、寻求人才、开拓业务都是重点,但在供应链管理,对于半导体厂商而言,更是重中之重,在当前半导体产业供应链原料与器件设备供货紧俏的情势中,不可讳言,能控制货源、拿到货源的,就是赢家,也因此,对于新加入市场的国内半导体厂商而言,这或许正是一个磨练提升自身供应链管理能力的最好机会。

在四面八方的资金涌入下,中国半导体已经成了全民运动,但仍是要回归理性看待,盖晶圆厂是发展半导体最容易的一环,然未来技术、机台设备、原物料、关键器件是否真的能充足掌握,才是真正关键所在,这些都需要时间检验,海水退潮之后,就知道谁在裸泳。

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