#半導體製造
虛擬晶圓廠,半導體製造突破物理界限
01半導體製造的第三次革命半導體產業長達數十年的繁榮背後,卻是難以承受的成本之重。過去二十年裡,半導體晶圓廠建廠成本增長了十倍,90nm晶圓廠(月產能5000片)需約24億美元,而5nm晶圓廠成本飆升至160億美元,而碳化矽晶片試錯單次成本高達百萬美元。台積電開創的代工模式雖分離設計與製造環節,但製程迭代仍困於“實驗-失敗-調整”的物理循環。技術迭代成為半導體行業走出物理困境的關鍵,在此之前,全球半導體產業的前兩次革命分別由製造分工與設計自動化驅動,如今,虛擬晶圓廠推動半導體製造走到了第三次革命的邊緣。·第一次革命(1960s):IDM模式主導,英特爾、德州儀器等巨頭包攬設計、製造、封測全流程;·第二次革命(1980s):台積電開創Foundry模式,EDA工具使晶片設計自動化;·第三次革命(2020s):虛擬晶圓廠實現“製造先行”,數字孿生重構物理與虛擬世界的互動。02虛擬晶圓廠的核心價值虛擬晶圓廠,亦被稱為數字孿生晶圓廠,其本質是通過電腦模擬技術將實際晶圓製造工廠的物理實體和操作轉化為動態數字模型。這一概念超越了傳統的電腦輔助設計(CAD)工具,建構了一個與物理世界持續同步的虛擬生態系統。傳統晶圓廠與虛擬晶圓廠關鍵指標對比在具體製造模式方面,台積電首創“Virtual Fab”概念,讓客戶像操作自有晶圓廠一樣遠端監控代工流程,實現“製造透明化”,而以華虹半導體為代表的中國大陸企業則更進一步,採用“虛擬IDM”模式,這種模式打破了傳統設計與製造的割裂,讓晶片設計公司不僅設計電路,還深度參與工藝開發,與晶圓廠形成緊密協作。以國內企業傑華特為例,其工藝研發流程分為四個階段:立項階段:根據晶片需求評估工藝可行性,規劃研發路線;研發階段:通過模擬、流片、測試循環最佳化器件結構;定型階段:完成電性測試並生成專屬工藝設計工具包(PDK);量產階段:持續監控良率,動態調整工藝參數。在此過程中,晶圓廠的角色從“標準工藝提供者”轉變為定製化服務支持者。在高壓BCD工藝開發中,傑華特設計團隊主導器件結構模擬,晶圓廠則配合提供產線參數、執行測試流片,最終形成0.35微米700V超高壓工藝等自主技術平台。這種“輕資產重工藝”的模式,既規避了IDM企業的重資本投入,又突破了Fabless公司受限於公共工藝的性能瓶頸。03全球半導體元宇宙的卡位戰隨著半導體製造工藝節點從7nm向3nm、2nm甚至更小尺寸演進,傳統試錯式研發的成本呈指數級攀升。開發新一代製程技術需要數十億美元投入,而一次流片失敗就可能造成數千萬美元損失。虛擬晶圓廠的出現,提供了自建晶圓廠和選擇晶圓代工廠之外的第三種模式——低投資成本的生產方式,使晶片製造商能夠在降低風險和成本的同時加速產品上市。不過在全球虛擬晶圓廠競賽中,國際巨頭已建構起多維度戰略優勢,形成難以踰越的競爭壁壘。新思科技作為TCAD領域的“隱形冠軍”, 高達90%的全球市場份額是其數十年積累的護城河。而輝達憑藉Omniverse數字底座與OpenUSD開放標準,將觸角伸入三星、富士康、台達等全球電子製造重鎮,進而實現它的“製造元宇宙”野心。比利時微電子研究中心(Imec)則採取差異化戰略,將虛擬工廠與實體晶圓廠深度耦合,聚焦光刻與蝕刻環節的環保創新,通過與ASML、應用材料等裝置巨頭聯合驗證解決方案,鎖定屬於自己的市場份額。虛擬晶圓廠的核心玩家而中國虛擬晶圓廠的萌芽始於技術封鎖下的絕地求生。2007年前後,國內三維工藝模擬領域近乎“真空”,且技術涉及量子力學、電漿體物理等十余門交叉學科,研發難度如同“沒有存檔功能的遊戲,錯一步就歸零”。以培風圖南為代表的初創企業,在資本與市場雙重冷遇中開啟十年蟄伏。企業依靠承接航天軍工晶片抗輻射加固設計項目維繫生存,將微薄利潤反哺TCAD(技術電腦輔助設計)研發,甚至拒絕國外代理權誘惑堅守純自研路線。而後2022年美國對先進製程EDA軟體實施出口禁令,倒逼中芯國際等頭部晶圓廠轉向國產工具,儘管全球疫情衝擊供應鏈,中國虛擬晶圓廠市場2020年仍實現15%增長,高端製程領域(7nm/5nm)表現尤為亮眼,華為海思麒麟晶片通過虛擬晶圓廠模式實現量產突破。培風圖南推出Mozz TCAD套件,在碳化矽模擬中精度與速度不輸國際競品目前,國虛擬晶圓廠產業已形成多維度競爭力,頭部企業如培風圖南覆蓋OPC、TCAD、3D模擬等全系列製造類EDA工具,中芯國際、華虹在14nm量產基礎上攻堅7nm工藝,不過國內EDA公司僅11.7%聚焦製造環節工具,遠落後於設計類工具的熱度。國際巨頭打造的封閉生態(如新思的全流程繫結),使國產工具即使技術達標,也難切入主流產線驗證與應用閉環,中國要贏得這場虛擬競速,需要更宏大的戰略視野。04編輯點評半導體製造步入“軟體定義”時代二十年前,虛擬晶圓廠還只是交大實驗室裡的一個產學合作項目;如今,它已成為驅動半導體創新的核心引擎。虛擬晶圓廠的戰爭,是演算法與模型的較量,更是生態與體系的對抗。培風圖南的崛起證明了中國在尖端技術點的突破能力,但唯有打通生態經脈,才能在全球半導體製造的“元界”競爭中,將單點鋒芒轉化為全面勝勢。 (壹零社)
美國半導體製造業重回巔峰?
過去幾十年的全球化割裂了尖端科學、技術創新和製造能力之間的關鍵連結。 20世紀中葉的美國則相反。在1940年代至1970年代期間,貝爾實驗室獲得了數千項專利,其中包括成為現代電子技術基石的關鍵半導體創新。 英特爾在此基礎上,透過快速實現生產規模,徹底改變了半導體製造業,到1983年,其年收入超過10億美元,鞏固了美國在整個半導體生命周期中的主導地位。然而,到2025年,這種模式發生了巨大變化。如今,美國最大的幾家半導體公司,尤其是輝達——它控制著超過80%的GPU市場,僅在2023年就創造了近270億美元的收入——採用「無晶圓廠」模式營運,完全依賴台積電進行晶片生產。即使是像英特爾這樣擁有製造能力的公司,與全球競爭對手相比也舉步維艱,規模不斷萎縮。在地緣政治穩定的時代,這種對全球化供應鏈的依賴運作良好,但目前情況已發生根本性變化,暴露出美國科技戰略的脆弱性。中國已成為電子製造業無可爭議的領導者,到2023年,其電子出口額將佔全球約25%,這主要得益於低廉的勞動力成本和超過1300萬的電子製造業從業人員——這是美國在經濟上無法比擬的優勢。但現在,人工智慧帶來了一個獨特的機會:人工智慧是偉大的均衡器,能夠抵消大規模體力勞動所固有的傳統優勢。美國在基礎人工智慧研究領域保持領先地位。從大學的深度學習突破,到OpenAI革命性的通用預測模型(GPT),該模型在推出兩個月內就吸引了超過1億使用者,並顯著提升了各行各業的生產力。美國在基礎人工智慧領域的領先地位顯而易見。然而,以DeepSeek等模型為代表的中國近期進展表明,美國已不再壟斷高品質人工智慧。中國在消費者導向人工智慧領域的積極投資和快速進步應該敲響警鐘:美國的優勢正在縮小。每個國家都會面臨慣性,擺脫根深蒂固的生產方式並非易事。而美國或許能在這方面找到意想不到的優勢。中國加倍投入國家資助的大型項目,延續現有的製造業基礎設施,而美國則可以利用其敏捷性,以不同的方式進行重建——就像幾十年前英特爾徹底改變了半導體行業一樣。美國憑藉其科學創造力贏得了諾貝爾獎,並創造了世界上第一個對話式人工智慧,如今,它們可以開創人工智慧驅動的工廠。這些敏捷且由智慧自動化驅動的工廠可以迅速超越傳統的手工生產方式,重塑製造業本身。一些創新公司已經展現了這種潛力。例如,Nanotronics公司的Cubefab體現了模組化和快速部署的優勢,將典型的半導體工廠建設周期從數年縮短至數月,並大幅削減了資本支出。 Positron率先推出了FPGA晶片,與傳統GPU相比,其能耗大幅降低,展現了人工智慧驅動技術如何與永續發展目標無縫銜接。生物黑盒子(BBB)甚至將生物材料整合到處理器中,實現了比傳統矽晶片高出數千倍的能源效率。這些進步不僅展示了快速部署和創新,而且在策略上與全球永續發展要求一致——有可能減少傳統製造方法的大量能源消耗和環境影響。資金仍然是一項關鍵挑戰。諷刺的是,近期的政策矛盾使美國的發展道路更加複雜。儘管川普政府的政治言論強調製造業復興,但對技術創新的實際資金支援卻往往不一致或減少。相反,中國持續加強投資力度,計畫在2030年向其半導體產業注入超過1430億美元,並每年在人工智慧開發方面投入數十億美元,希望憑藉雄厚的資金實力確保其未來的主導地位。然而,他們的財務投入在很大程度上鞏固了舊的生產模式。美國的做法必須從根本上有所改變。美國不應僅增加投資,而應進行更明智的投資。人工智慧驅動的晶圓廠規模更小、更靈活、資本密集程度更低,因為它們不僅將人工智慧作為一種產品,更將其作為生產本身的主要引擎。未來十年是至關重要的轉捩點。如果美國能夠大膽擁抱人工智慧驅動的製造業,我們就能重回探索與生產交會的前沿。我們擁有人才、知識傳承、創業精神以及顛覆性變革所帶來的機會。讓我們把握機遇,塑造先進製造業的未來,利用人工智慧不僅能生產出更好的產品,更能從根本上重新定義生產方式。美國以前曾經這樣做過——而且它還可以再次這樣做。 (半導體產業觀察)
半導體製造局勢展望:中芯國際能否通過DUV突破先進製程封鎖?
半導體製造公司中芯國際(SMIC)已成為中國推動高端半導體製造業自給自足的關鍵支柱。根據SemiVision Research的見解,華為的Ascend AI晶片表現出了卓越的性能,將自己定位為與NVIDIA H20 AI加速器競爭的有力競爭者。華為的旗艦AI晶片Ascend 910B擁有超過512 TFLOP(FP16)的計算性能,具有極高的訓練效率,最佳化的推理速度,並憑藉其專有的達文西架構提高了功耗。這一技術飛躍的一個關鍵催化劑是DeepSeek的出現,這是一種領先的中國人工智慧模型,在人工智慧社區中迅速佔據主導地位。DeepSeek的大型語言模型(LLM)和基礎模型已經過最佳化,可以在Ascend AI晶片上運行,創造了一種協同關係,加速了中國AI行業的增長。預計美國政府將擴大對關鍵半導體技術的出口限制範圍,包括EUV光刻、先進GPU和半導體設計工具,同時可能限制中國獲取人工智慧培訓框架、雲端運算資源和高性能互連技術,這對中國來說是至關重要的大規模AI模型開發。Ascend AI晶片和DeepSeek模型的成功使中國成為全球AI競賽中的強大參與者,但這種快速發展可能會引起美國政府的更嚴格的審查和控制,反映出全球AI和半導體領域的競爭日益激烈,技術領域的競爭正在加劇創新和地緣政治戰略日益交織在一起。與此同時,世界各國正在通過注入大量金融資源來支援國內半導體行業並減少對外國供應鏈的依賴,來加強其半導體生態系統。美國、中國、韓國、日本和歐盟等國家正在加大對先進半導體研發、製造能力和人工智慧基礎設施的投資,以確保在人工智慧和高性能計算時代的技術領先地位。SemiVision Research對這些全球倡議進行了深入分析,重點介紹了政府資金以及私營部門創新如何推動下一階段的半導體增長,並確保各國在日益分散和地緣政治影響的半導體領域保持競爭力。技術進步和戰略政策干預的這種融合強調了保持半導體製造和人工智慧硬體領導地位的重要性,其中工藝技術、能效和人工智慧模型最佳化的進步將繼續塑造行業的未來。中國的雲端運算行業也在積極推進,阿里巴巴和字節跳動進行了重大投資,以擴展其雲基礎設施和人工智慧能力。這些努力符合中國實現半導體製造自給自足的國家戰略,通過培育一個完整的“從設計到製造”生態系統,不僅包括國內晶片設計,還包括本土半導體裝置的開發。SemiVision Research此前對中國半導體裝置製造商與國際同行進行了全面分析,揭示了中國決心建立一個強大的半導體生態系統。這項努力旨在建立一個端到端供應鏈,將晶片設計、製造和封裝整合到一個無縫的“一站式”生態系統中,減少對外國技術的依賴。在這種背景下,中國發展最快的人工智慧公司之一DeepSeek展示了開發自己專有人工智慧晶片以最佳化其人工智慧模型的性能的雄心壯志。為了實現這一目標,DeepSeek與多家中國ASIC設計公司合作,尋求定製完全符合其AI工作負載要求的AI晶片。中國領先的代工廠中芯國際(SMIC)極有可能處理這些AI晶片的製造,確保製造過程保持在中國國內的半導體供應鏈內。對於先進的封裝和組裝,DeepSeek預計將與中國領先的OSAT(外包半導體組裝和測試)公司合作,利用他們在高性能封裝技術方面的專業知識,如基晶(CoWoS)和風扇輸出晶圓級封裝(FOWLP),以最大限度地提高其AI加速器的效率和可擴展性。DeepSeek開發專有AI晶片的戰略不僅反映了AI公司垂直整合的趨勢,也凸顯了中國控制整個AI供應鏈的決心——從半導體設計到製造和封裝。隨著中國半導體生態系統的不斷髮展,這種對端到端控制的驅動力將加速該國的人工智慧發展,並鞏固其作為全球人工智慧領域強大參與者的地位。SEMICON China 2025最受關注的話題無疑是SiCarrier (新凱來),其“山系”裝置引起了行業的強烈興趣。SemiVision Research對SiCarrier的下一代裝置系列進行了初步分析,強調了其在推進FinFET製造工藝方面的潛力。值得特別關注的一個領域是原子層沉積(ALD)工藝,它將在先進節點中發揮越來越重要的作用。對於2nm及以上,ALD步驟的頻率預計將大幅提高,使其成為實現高產量、高性能晶片生產的關鍵部件。值得注意的是,據報導,華為的主要供應商正準備推出使用SiCarrier工具開發的5nm晶片,產品線被恰當地命名為“阿里山” (阿里山), 強調了公司對其先進裝置的信心。回到光刻機 DUV根據SemiVision Research的資料,中國目前的光刻裝置供應商是SMEE(上海微電子裝置有限公司)關於SiCarrier (新凱來), 但實際上,它的重點主要是DUV(深紫外)光刻技術。這一里程碑標誌著中國邁向半導體自給自足的重要一步,因為浸入式光刻對於生產28nm以下的先進節點至關重要。華為的成就標誌著全球光刻格局的潛在轉變,因為中國正在加快開發本土光刻解決方案的努力,這可能會減少對外國供應商的依賴。SiCarrier先進的沉積裝置與華為在浸入式光刻技術上的突破相結合,表明中國正在建立一個強大的垂直整合半導體供應鏈,能夠支援尖端晶片製造,並將自己定位為全球半導體市場上的強大參與者。SemiVision Research認為,雖然中國在DUV(深紫外光)光刻和EUV(極紫外光)光刻方面取得了一些進展,但其突破主要在光源領域。然而,光刻裝置的複雜性遠遠超出了光源的範圍,需要跨多個領域的進步。例如,ASML的EUV光刻機是現代半導體製造中最複雜和精確的裝置之一。每台EUV機器由超過100,000個獨立元件組成,包括3,000根電線、40,000個螺栓和2公里長的管道。一旦完全組裝好,機器的大小與一輛小型公共汽車差不多,重量在150到180噸之間。由於其巨大的尺寸和複雜的設計,這些機器通常被拆卸為大約250個單獨的板條箱進行運輸,其中包括13個大型集裝箱。這些細節突出了設計和製造EUV光刻裝置所涉及的極端複雜性和精度。除了與機器物理結構相關的挑戰外,EUV光刻機的光學系統也提出了另一個可怕的障礙。ASML的EUV機器依賴於蔡司開發的先進多層反射鏡系統,精度可達到奈米級。這些鏡子中的每一個必須保持在0.1奈米以下的表面誤差,以確保EUV光的精確反射,這種光學精度水平仍然超出了中國目前的技術能力。而且EUV光刻所用的光源是由錫(Sn)電漿體產生的,產生13.5nm波長的極紫外光,需要極高的功率輸入才能保持穩定的曝光過程。此外,該系統在高真空環境中運行,使得在中國開發國產EUV機器異常困難。即使光源技術取得突破,中國仍將面臨一系列與光學系統、鏡面製造、精確運動控制和保持超高真空條件相關的挑戰。因此,開發國產EUV光刻機將需要長期的技術積累和產業合作。另一方面,光刻膠是另一個對國內光刻工作構成挑戰的關鍵部件。EUV光致抗蝕劑必須提供更高的解析度和更好的抗蝕刻性,同時完美匹配EUV曝光的波長。目前,高端光刻膠市場由JSR、TOK、住友化學、Shin Etsu、日本富士膠片、美國杜邦等公司主導。儘管中國在光刻膠領域取得了進展,但最佳化這些材料以滿足EUV光刻的需求還需要相當長的時間和與供應商的密切合作。鑑於中國目前在極紫外(EUV)光刻技術方面的限制,ArF浸沒(ArFi)光刻仍然是生產28nm及以下晶片的最可行路徑。為了將DUV功能擴展到更高級的節點,雙模式技術(DPT)起著關鍵作用。雙重圖案化,涉及多次曝光和蝕刻步驟以增加特徵密度,對於將DUV推向其解析度極限至關重要。自對準雙構圖(SADP)和Litho-Etch-Litho-Etch-Etch(LELE)方法通常用於通過DUV系統實現低於28nm的臨界尺寸。雖然這種方法需要更高的工藝複雜性和更長的周期時間,但它仍然是中國國內生產14nm以下節點的最佳選擇。隨著華為和中芯國際繼續改進其基於DUV的製造工藝,DPT的應用結合先進的過程控制和提高的疊加精度,可以使中國逐步縮小與國際競爭對手的技術差距。儘管基於DUV的雙圖案化在先進節點上不如EUV高效,但中國增強DUV能力的戰略重點凸顯了其在半導體行業實現更大技術自主的決心。DUV浸入式光刻(ArFi)和雙重圖案化介紹使用氟化氬(ArF)准分子雷射器的深紫外(DUV)浸入式光刻已成為先進半導體製造中的關鍵技術。DUV光刻在193nm的波長下工作,使用浸入技術,在光掩模和晶片之間放置一層超純水。這種方法將數值孔徑(NA)提高到1.0以上,通常高達1.35 NA,有效地將波長降低到約134 nm,並顯著提高解析度。這一創新能夠生產更小的特徵尺寸,並將DUV光刻的適用性擴展到14 nm及以上的節點。然而,隨著DUV光刻技術的極限不斷逼近,業界採用了雙構圖(DP)技術來克服這些挑戰。雙重圖案化通過將單個圖案分成多個曝光和蝕刻循環來實現更精細的幾何形狀。最常見的DP技術是Litho-Etch-Litho-Etch(LELE)、間隔器輔助雙構圖(SADP)和Litho-Freeze-Litho-Etch(LFLE)。LELE通過中間蝕刻將原始圖案分成兩次曝光,有效地將間距大小減半。SADP涉及在預圖案化結構周圍加入間隔物,而LFLE凍結一個圖案,然後暴露第二個圖案以實現更高的密度。使用這些技術,DUV ArFi光刻可實現的最小特徵尺寸已顯著降低。雖然使用ArFi的單次曝光可以實現大約38-40nm的最小線寬,但雙構圖技術可以將特徵尺寸縮小到20-28nm,這對應於10-14nm的工藝節點。在某些情況下,四重圖案化(QP)被用於更精細的特徵,儘管這引入了更高的複雜性和增加的成本。(銳芯聞)
ASML與IMEC攜手,High-NA EUV光刻機!
全球領先的光刻裝置供應商ASML與比利時微電子研究中心(Imec)本周宣佈建立為期五年的合作夥伴關係,旨在推動亞2奈米製程技術及高NA EUV晶片製造工具的開發。此次合作將使Imec的研究人員和開發人員能夠使用ASML的最新光刻技術,包括高NA(0.55數值孔徑光學)裝置,以加速下一代半導體製造技術的研發。 根據合作協議,Imec將獲得ASML全面的先進晶圓製造裝置,包括Twinscan NXT(DUV)、Twinscan NXE(低NA EUV,0.33數值孔徑光學)和Twinscan EXE(高NA EUV,0.55數值孔徑光學)光刻系統。此外,Imec還將整合ASML的YieldStar光學計量解決方案和HMI的單光束及多光束檢測工具,以提升其研發和生產效率。 這些裝置將安裝在Imec位於比利時魯汶的試驗生產線上,並納入歐盟和佛蘭德資助的NanoIC試驗生產線。ASML的最新裝置將用於開發下一代半導體生產技術,特別是2奈米以下的製造技術。據專家分析,為了在2奈米以下的製造節點上實現高效生產,光刻工具必須支援單次曝光的8奈米解析度,這一目標目前只有高NA EUV能夠實現。然而,每台高NA EUV系統的成本高達3.5億美元,這使得許多新進入者和研究人員難以獲取此類裝置。 此前,ASML和Imec的研究人員主要在荷蘭Veldhoven的ASML專用研究設施中使用高NA(0.55 NA EUV)光刻機。ASML在自己的工廠安裝了這些第一代高NA EUV機器,用於初始測試、評估以及與Imec和其他合作夥伴的合作研究。根據新的合作協議,Imec將在其位於比利時魯汶的研究線路中直接使用高NA裝置,特別是在其最先進的試驗設施和歐盟及佛蘭德資助的NanoIC試驗線路中。這標誌著Imec研究人員首次能夠在自己的設施中直接使用高NA EUV技術,從而顯著加快其研發進度。