原標(biāo)題:為半導(dǎo)體市場添一種選擇、減一分風(fēng)險——中國“小巨人”進(jìn)入全球產(chǎn)業(yè)鏈
7月29日,2021全球閃存峰會在浙江省杭州市開幕。圖為觀眾在現(xiàn)場觀看刻蝕有國產(chǎn)存儲芯片的300毫米(12英寸)晶圓。
龍 巍攝(人民視覺)
江蘇省宿遷市積極實施專精特新“小巨人”企業(yè)培育計劃,引導(dǎo)中小企業(yè)加大科研投入,提升企業(yè)創(chuàng)新能力。圖為該市泗洪經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)一家制造芯片企業(yè)的工人正在車間忙碌。
許昌亮攝(人民視覺)
凱美特氣電子特氣工廠外景。
凱美特氣供圖
在慕尼黑2020上海光博會上的展品。
凱美特氣供圖
神工股份單晶硅棒車間內(nèi)景。
神工股份供圖
8英寸半導(dǎo)體硅拋光片產(chǎn)品。
神工股份供圖
“芯片短缺將導(dǎo)致汽車減產(chǎn)20萬輛”——國內(nèi)某汽車行業(yè)巨頭一紙公告使汽車行業(yè)“缺芯”引發(fā)熱議。實際上,去年以來,多種復(fù)雜因素疊加導(dǎo)致的“缺芯潮”便席卷全球,波及手機、電腦、家電、汽車等眾多行業(yè)。關(guān)鍵原材料、核心設(shè)備供應(yīng)困難一時難以緩解,下游產(chǎn)業(yè)十分頭疼。
“不能把雞蛋放在同一個籃子”,分散供應(yīng)商,讓不同國家和地區(qū)更多主體參與到這條產(chǎn)業(yè)鏈,才能更好抵御風(fēng)險——這是全球市場用高昂代價換來的教訓(xùn)。在中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)奮力追趕的今天,有些“專業(yè)化、精細(xì)化、特色化、新穎化”企業(yè),規(guī)模不大,也很少出現(xiàn)在鎂光燈下,卻在默默瞄準(zhǔn)細(xì)分市場,綿綿用力打磨一類產(chǎn)品,成功進(jìn)入全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈,為穩(wěn)定這個萬億級市場貢獻(xiàn)了“小巨人”力量。
補短板,把落下的課補上
“我們落下的課太多了。”神工股份董事長潘連勝感慨不已。他在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域已經(jīng)有20多年從業(yè)經(jīng)歷,是國內(nèi)少有的具備先進(jìn)晶圓廠工作經(jīng)驗的技術(shù)專家。
晶圓,又稱“硅片”,是芯片制造的基礎(chǔ)材料。“如果把制造芯片比喻成繡花,硅片就好比是繡花用的白布。”潘連勝給記者打了一個形象的比方。
然而,晶圓生產(chǎn)是中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中缺課最多的領(lǐng)域之一。投資門檻高、技術(shù)壁壘高、市場門檻高——潘連勝口中的“三高”是進(jìn)軍這個行業(yè)的攔路虎。數(shù)年前,不少中國企業(yè)就已掀起制造芯片的熱潮,但對至關(guān)重要的上游材料,由于市場規(guī)模小,沒有受到足夠關(guān)注。“要補齊產(chǎn)業(yè)鏈,向世界貢獻(xiàn)更高質(zhì)量產(chǎn)品,就得補上這門課。”潘連勝說。
2012年從海外歸來,潘連勝輾轉(zhuǎn)多地尋找土地、人員和資金。最終,神工股份于次年在遼寧錦州成立。由于歷史原因,這個東北小城擁有中國最早的單晶硅生產(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)優(yōu)越。
可是,晶圓行業(yè)投資門檻太高——10億元起步,哪有這么多錢?他只好先從難度更低的“刻蝕用單晶硅”做起??涛g用單晶硅,是芯片制造的關(guān)鍵設(shè)備——刻蝕機裝配的重要基礎(chǔ)材料,相比之下投資門檻較低。國內(nèi)廠商鮮有涉足,利潤也較為可觀,與晶圓生產(chǎn)還有諸多共通之處。瞄準(zhǔn)這個細(xì)分產(chǎn)品,潘連勝帶著團(tuán)隊踏上了“補課”之路。
在記者與諸多從業(yè)者的談話中,“補課”是一個高頻詞,反復(fù)出現(xiàn)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)。
光刻是芯片制造的核心工序,這個環(huán)節(jié)就是把集成電路的“花樣”繡在硅片上。“光刻環(huán)節(jié)需要100多種電子級高純度工業(yè)氣體相互配合,每一種氣體都不可或缺,它們是半導(dǎo)體工業(yè)的‘血液’,國內(nèi)有些企業(yè)花了數(shù)十年的時間不斷嘗試,還沒有攻克最初的容器清洗這一關(guān)。”凱美特氣董事長祝恩福說,“難度在于其對純度要求極高。”
高到啥程度?要求雜質(zhì)含量濃度至少達(dá)到百萬分之一級。什么概念?祝恩福打了個比方,這相當(dāng)于在一個100米長、25米寬、2米深的游泳池中,不能有超過一枚硬幣大小的雜質(zhì)。而雜質(zhì)含量濃度每降低一個數(shù)量級,都將帶來工藝復(fù)雜程度的顯著提升。
2018年,這家從工業(yè)廢氣中提純食品級二氧化碳的企業(yè),已是多家國際食品飲料公司的重要供應(yīng)商。同年,公司作出決定,勇攀電子特種氣體這座新高峰,斥資2.3億元在湖南岳陽建廠。
練內(nèi)功,埋頭做好一件事
光刻環(huán)節(jié)要用到100多種氣體,從哪里入手呢?“我們選了最難的一個課題——激光混配氣。”祝恩福說。
為啥它最難?純度只是一方面,更難的在于如何避免多種氣體共存時發(fā)生意外的化學(xué)反應(yīng),這對于操作精細(xì)程度的要求更高。“需要反復(fù)試驗,不斷調(diào)整參數(shù),從中積累經(jīng)驗。”祝恩福說。
先后攻克容器清洗、氣體提純、氣體混配等關(guān)鍵課題,凱美特氣在歷經(jīng)兩年艱苦技術(shù)攻關(guān)后,一系列產(chǎn)品于2020年陸續(xù)問市。技術(shù)團(tuán)隊馬不停蹄將樣品資料送往國際大廠,采取平行并發(fā)方式啟動多個認(rèn)證程序,抓緊時間盡早爭取入場券。
“我們在兩年的時間里,走完了國際氣體巨頭們10年走過的路。”祝恩福語氣中難掩自豪。
秘訣何在?就在于強有力的研發(fā)團(tuán)隊。這個團(tuán)隊,是祝恩?;?年時間,在國際產(chǎn)業(yè)高端論壇、行業(yè)展會中不斷奔波、搜尋、游說,費盡周折才組建的。“當(dāng)時有人勸我在國外投資建廠,有優(yōu)惠政策也有成熟團(tuán)隊,不用這么費勁,但我堅持認(rèn)為中國企業(yè)需要更多參與到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中,也許眼下起不到太大作用,但未來重要性會凸顯。”如今,祝恩福的判斷正成為現(xiàn)實。
一個充滿干勁的研發(fā)團(tuán)隊,同樣是潘連勝的法寶。
神工股份最初的技術(shù)團(tuán)隊是十幾個人,盡管都有從業(yè)經(jīng)驗,但也面臨一些現(xiàn)實困難。機器設(shè)備首先考驗了這個團(tuán)隊。老廠房年深日久,設(shè)備操控精度差,技術(shù)參數(shù)達(dá)不到要求。如果說國外同行用的是“超跑”,他們擁有的設(shè)備就是“老爺車”。
“我們著手優(yōu)化設(shè)備,多次試驗,更換、添加傳感器,改造關(guān)鍵零部件,讓這些設(shè)備變得聽話、順手。”潘連勝說。
單晶硅制備,還要控制好尺寸。在晶圓刻蝕工序中,用單晶硅制造的硅電極伴隨晶圓同步消耗,需要其尺寸大于晶圓。例如,要加工12英寸的晶圓,對應(yīng)的刻蝕用單晶硅材料尺寸一般至少要14英寸。而出于降低成本的考慮,當(dāng)芯片制程從28納米向7納米甚至5納米前進(jìn)時,先進(jìn)制程所采用的主流晶圓尺寸卻從8英寸向12英寸甚至更大尺寸增長,這也意味著刻蝕用單晶硅尺寸必須隨之增長。
經(jīng)過數(shù)月埋頭探索、失敗、再探索,神工股份生產(chǎn)線上捷報頻傳:實現(xiàn)14英寸到19英寸量產(chǎn),2020年5月還成功生長出直徑22英寸的高品質(zhì)硅單晶體。
“公司產(chǎn)品良率及質(zhì)量可以達(dá)到較高水準(zhǔn),所以受到國外客戶認(rèn)可,競爭對手變成了合作伙伴。”潘連勝說。如今,神工股份大尺寸單晶硅材料年產(chǎn)量可觀,國際市場占有率持續(xù)提升,成功進(jìn)入國際先進(jìn)半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)鏈體系,在相關(guān)細(xì)分領(lǐng)域形成了全球化優(yōu)勢。
強優(yōu)勢,瞄準(zhǔn)前沿久久為功
在刻蝕用單晶硅市場取得成功的潘連勝并不滿足。單晶硅生產(chǎn)積累的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益,讓轉(zhuǎn)向晶圓生產(chǎn)水到渠成,這也是神工股份一直以來的愿望。
已有的“固液共存界面控制技術(shù)”和“熱場尺寸優(yōu)化工藝”等技術(shù),都能運用于晶圓制造。神工股份帶著這些寶貴的技術(shù)經(jīng)驗向更險峻的高地挺進(jìn)。只不過,相比從前對“大直徑”的追求,現(xiàn)在要向“低缺陷”“高良率”方向調(diào)整。
“良品率高低,決定了我們的發(fā)展前途。在材料行業(yè)的成功是很多工藝的無數(shù)個細(xì)節(jié)慢慢積淀出來的,需要人機結(jié)合反復(fù)試錯積累,而不是‘燒錢’速成的。”潘連勝說。
在技術(shù)人員摸索下,通過重復(fù)性實驗和精細(xì)化品質(zhì)管控措施,神工股份已成功研發(fā)在無磁場輔助下芯片用8英寸晶體(即晶圓基礎(chǔ)材料)的低缺陷生長技術(shù),為下一階段研發(fā)和量產(chǎn)芯片用12 英寸低缺陷晶體打下良好基礎(chǔ)。
截至2021年上半年,神工股份擁有31項專利,其中多項技術(shù)處于國際先進(jìn)水平,公司研發(fā)投入為1946萬元,同比增長268.5%,研發(fā)人員較上年同期增加17人。“未來會加強與同行的交流合作,加強產(chǎn)業(yè)協(xié)同,努力成為‘配套專家’,沿著‘專精特新’之路走下去。”潘連勝信心滿滿。
“獲評國家級專精特新‘小巨人’企業(yè),是對我們的巨大鼓勵。”祝恩福對未來十分清醒,“我們和國際同行還有很大差距,總體而言還處在追趕階段。”他表示,未來會繼續(xù)加大研發(fā)投入,強化人才隊伍建設(shè),潛心追求卓越品質(zhì),夯實技術(shù)護(hù)城河。
據(jù)悉,凱美特氣分期分批實施“電子特種氣體項目”,將完成25套電子特氣和混配氣體生產(chǎn)加工裝置的建設(shè),向全方位的電子特氣領(lǐng)域延伸,形成業(yè)內(nèi)具備較大影響力的專業(yè)電子特氣和混配氣體研發(fā)及生產(chǎn)加工基地,為擴(kuò)大市場供給貢獻(xiàn)力量。
攻克一座座堡壘,填補一個個國內(nèi)空白,在壯大中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的同時,吸引優(yōu)質(zhì)外資、高端人才、先進(jìn)技術(shù),實現(xiàn)更高水平對外開放,為國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈增加一種選擇,增強市場抵御風(fēng)險能力——專注的中國半導(dǎo)體“小巨人”蘊藏著大能量。