專訪神工股份董事長潘連勝：晶元國產補短板 晶圓良率是關鍵
作者｜夏一哲
編輯｜常亮
近日，美國進一步收緊出口管制措施，限制華為使用美國技術和軟體在海外設計和製造半導體。美國針對中國科技企業的打壓，已經由單純的下游晶元禁運，轉移到中游晶圓代工管制，下一步則很可能上溯至國產率近乎為零的大尺寸晶圓。
晶圓，又稱「矽片」，是晶元製造的基礎材料。晶圓生產，是中國半導體產業鏈中與世界先進水平差距最大的領域之一。一直以來，我國大尺寸晶圓嚴重依賴進口。近年來，雖然國內大尺寸晶圓生產基地建設紅紅火火，但是良率爬坡卻困難重重，正片出貨量不盡人意。
神工股份（688233.SH）董事長潘連勝博士，曾長年參與日本東芝陶瓷8/12英寸晶圓項目。他用「三高」來概括進入該行業的壁壘----投資門檻高、技術壁壘高、市場門檻高。
當初回國創業時，潘博士曾希望直接投資生產晶圓。然而，當時國家集成電路「大基金」還未成立，晶圓廠初始資金投入數以億計，十分高昂。面臨資金緊缺的困難，他不得不先切入資金投入較少的「刻蝕用單晶硅」，徐圖緩進。
2020年2月，神工股份成功登陸科創板，終於等來了資本的東風，其8英寸晶圓項目也終於由規划走向落地。近日，億歐科創試圖探尋如下問題的答案：大尺寸晶圓的國產替代，究竟「卡」在了哪裡？神工股份的8英寸晶圓項目，進展如何？
大尺寸晶圓先行者
潘博士在半導體材料領域已經有超過二十年的從業經歷，是國內少有的具備日本先進晶圓廠工作經驗的技術專家之一。更為難得的是，他還親身參與8/12英寸晶圓研發、生產、銷售工作，這令其成為業內少有的全面型複合人才。
出身福建山村的潘博士，曾先後就讀於北京航空學院（北京航空航天大學的前身）和哈爾濱工業大學。畢業後他深耕航空航天領域，參與過重要的設計研發工作。在信息閉塞、海外封鎖的環境下，當時的設計研發工作，往往要根據境外書報雜誌和航展宣傳冊上展示的歐美裝備圖片對其內部結構進行推測。童年生活之貧窮，科技發展之困窘，在潘博士心中埋下了「產業報國」的種子。
1993年，他被公派前往日本三和工機株式會社任設計工程師；一年後，進入早稻田大學攻讀材料學博士。博士畢業後，他加入日本東芝陶瓷的半導體晶圓事業部，從此邁入半導體材料行業。憑藉紮實的專業基礎、嚴謹的學術精神和長期的勤奮努力，潘博士逐步成為行業中為數寥寥的來自中國大陸的領軍人物。
東芝陶瓷株式會社（Toshiba Ceramics Co. Ltd.）是世界大尺寸半導體矽片的五大製造商之一，在日本的行業地位僅次於信越（ShinEtsu）和勝高（SUMCO），於2007年由管理層收購（MBO）更名為科跋凌材料公司（Covalent Materials Corporation）。
2018年全球半導體原材料各細分市場份額
潘博士在東芝陶瓷和科跋凌材料先後擔任過研究員和中國分公司總經理，經歷了該公司研發、生產和銷售8/12英寸晶圓的全過程。當時，中國廠商製造「中國芯」的熱潮一浪接著一浪，但對至關重要的上游材料行業卻鮮有涉足。
「當時我就意識到，即便中國能自主設計和製造晶元，美國及其盟友依然可以通過限制半導體材料出口的方式『釜底抽薪』。如果連晶元製造所需的基礎材料都不具備，我國的半導體產業談何獨立自主？晶圓必須儘早實現國產化替代。」潘博士告訴億歐科創。
2012年，潘博士的「國產晶圓夢」契機出現了。由於全球半導體產業步入下行期，日本行業內眾多技術人員面臨降薪或失業。這為他回國創業創造了天時與人和。
潘博士在國內多地輾轉尋找土地、人員和資本。最終，神工半導體於2013年在錦州成立。由於歷史原因，這個名不見經傳的東北小城擁有中國最早的石英玻璃和單晶硅生產基地，還有眾多熟悉真空高溫爐及硬脆材料加工工藝的技術工人，產業基礎相當優越。
然而，晶圓行業投資門檻非常高，至少十億元起。由於資金緊缺，潘博士當時根本無法直接建設晶圓廠，只能選擇「曲線救國」----先研發生產「刻蝕用單晶硅」。這種產品對技術水平要求很高，國內廠商鮮有涉足，但優點在於初始資金投入相對較少、利潤可觀，還可以儲備晶圓生產技術和工藝。
刻蝕用單晶硅，主要用於製造硅電極。在晶圓的刻蝕工序中，硅電極伴隨著晶圓同步消耗，因此也需要達到半導體級純度，且其尺寸必須大於晶圓尺寸。例如，要加工12英寸的晶圓，其對應的刻蝕用單晶硅材料尺寸一般大於14英寸，最大可以達到19英寸。
神工股份在「大尺寸單晶硅」的製造技術和工藝上，具備先發優勢。其「無磁場大直徑單晶硅製造技術」、「固液共存界面控制技術」、「熱場尺寸優化工藝」等均已處於國際先進水平。
大尺寸晶圓的技術難度究竟有多高？
晶圓廠的生命線在於良率
晶圓的尺寸越大，在單片晶圓上製造的晶元數量就越多，晶元的單位成本也就越低。
因此，在摩爾定律的支配下，當晶元製程從90nm向7nm甚至5nm逐漸縮小時，先進位程所採用的主流晶圓尺寸，卻從8英寸向12英寸逐漸增大。
目前，全球市場主流晶圓尺寸是8英寸（直徑200mm）和12英寸(直徑300mm)。據國際半導體設備與材料協會（SEMI）統計數據顯示，按面積單位計算，2018年兩者全球市場份額分別為26.34%和63.31%，合計近90%。
國內廠商的產能多集中於8英寸以下的小尺寸晶圓。有研科技集團是央企序列中研發半導體硅材料的主要廠家之一。有研董事長趙曉晨曾在2019年底的採訪中表示，我國80%的8英寸晶圓和全部12英寸晶圓都依靠進口，半導體領域高品質材料自給率不足10%。
滬硅產業（688126.SH）總裁兼總經理邱慈雲，曾在2019年底的演講中如是形容大尺寸晶圓的製造之難：晶體不僅要完美生長、純度高，而且表面要非常潔凈和絕對平整——顆粒尺寸只有PM2.5的1%大小，平整度相當於1000公里內起伏小於30厘米。
能夠生產出純度較高的單晶硅固然已經不易，而「良率不高」才是大矽片國產化進程的最大障礙。
從硅單晶成長到加工製造成晶圓，至少有十幾道工序。光說加工過程，只有每道工序的良率都達到99%以上，才能讓最終的晶圓良率達到90%以上，才有資格與世界領先的晶圓製造商——信越化學和勝高同場競技。
關於晶圓品質一致性問題，潘博士做了一個形象的比喻：「同樣是遵循正態分布，信越化學的晶圓質量分布曲線就像是挺拔的『東京塔』，穩定集中於高品質標準。相比之下，其他廠商的曲線往往就像『富士山』，雖然也能觸及高品質標準但並不很集中，良品率也就沒那麼高。」
因此，僅僅把大尺寸晶圓「做出來」還遠遠不夠，良率太低也就意味著成本過高，也就沒有市場競爭力，最終還是難以盈利，在商業上不可持續。產品是否被下游晶元製造廠商長期批量採購，是檢驗其成敗的試金石。
億歐科創查閱公開信息了解到，滬硅產業旗下的上海新昇，是目前大陸唯一一家實現12英寸晶圓量產的企業。邱慈雲在公開演講中透露，截至去年年底，其12英寸晶圓出貨量已累計超過100萬片，然而其中僅有7.5萬片是用於製造晶元的「正片」。滬硅產業2019年度營收同比增長47%，營業利潤卻下滑近300%，背後主因就是12英寸晶圓業務毛利率同比下滑42.77%，為-47.96%，該項業務虧損1.03億元。
2017-2020年全球晶圓廠規劃分布
儘管良率爬升困難，靠大尺寸晶圓盈利障礙重重，但是國內廠商們卻不能有絲毫懈怠。1996年，以西方國家為主的33個國家簽訂《瓦森納協定》，對常規武器和雙用途物品的出口進行信息交換和控制。隨著中美貿易摩擦加劇，美國頻頻通過出口管制和《瓦森納協定》圍堵中國半導體行業，晶圓禁運也許將是最終極的殺招。
巧婦難為無米之炊，晶圓國產替代形勢愈發迫切，時不我待。
晶圓國產 矢志不渝
經過短短數年的發展，神工股份已經發展為細分領域龍頭，營收過億，在全球刻蝕用單晶硅市場佔據13%-15%的份額。科創板上市募資8.67億後，已經具備8英寸和12英寸晶圓技術儲備的神工股份，終於等來了資本的東風。
「在日本我一直在做8/12英寸的晶圓，那才是我的老本行。刻蝕用單晶硅只能算『副業』，現在算是『回歸』了。」潘博士感嘆道。
目前，90%的單晶硅生長由「直拉法」實現。其原理是在高純度石英坩堝中將多晶硅熔化，由籽晶為引子接觸熔體，隨後緩慢旋轉上升，讓硅原子在固液共存的表面重新排列，經過轉肩、等徑生長、收尾等過程，形成單晶硅。整個過程的難度在於熱場溫度以及拉晶的速度等參數設置，是個「慢工出細活」的過程。
神工股份近年來在刻蝕用單晶硅領域積累了大量工藝經驗，轉化到晶圓生產可謂水到渠成。
在晶體生長的過程中，「晶圓用單晶硅」和「刻蝕用單晶硅」具有很多共性。晶體拉制過程中，高純度多晶硅在石英坩堝內被加熱。因為熱源在坩堝外部，對坩堝內部熱場溫度控制的要求很高，只有溫度均勻，硅原子才能很好地在固液共存的界面重新整齊排列。
神工股份已有的「固液共存界面控制技術」和「熱場尺寸優化工藝」等技術，都可遷移和運用到晶元用單晶硅的製造中。只不過在晶體生長的具體參數上，相比從前對「超大直徑」的追求，現在要向「低缺陷」方向調整。
「直拉法的歷史已經有一百多年了，之後的進步都只能算『improvement（改良）』，談不上『innovation（創新）』。」潘博士告訴億歐科創，「做到低缺陷和高良率，是完成一項系統工程，需要人機結合反覆試錯積累，不是單靠投入大量資金就能速成的。」
神工股份的晶圓項目投資，可以用「步步為營」來形容。
「神工股份不會強調一次性高投入，而是按照實際需要逐步投入和擴產，把投資者的錢用在刀刃上。2019年，神工股份主要解決晶體缺陷的問題。2020年則聚焦於後續加工環節，關注拋光的平整性、異物清洗的潔凈度等等。」潘博士表示。
潘博士再次強調：「難點不是拉出單晶硅，而是提升良率。」
在他看來，神工股份從技術難度相對較低的8英寸晶圓做起，循序漸進，更能夠保證高良率。神工股份的技術人員需要摸索工藝路線，通過重複性實驗和精細化品質管控措施提升成品率，爭取年內將產能提升到8,000片/月的規模，讓晶圓項目能夠盈利，能夠「自我供血」。
那麼，一旦8英寸晶圓產能得以釋放，其市場空間如何？
儘管近年來12英寸晶圓的佔比逐年提高，但是8英寸晶圓出貨面積也在逐年提升，以面積計算仍將維持20%以上的市場佔有率。根據勝高和SEMI的統計，2017年全球8英寸和12英寸晶圓的出貨量分別為530萬片/月和550萬片/月，到2020年需求量將分別為630萬片/月和620萬片/月。
按照目前8英寸晶圓國產佔比不足20%換算，僅國產替代的缺口就十分可觀。神工股份8英寸晶圓項目完成後，預計年產能可以達到180萬片8英寸拋光片和36萬片陪片。
近兩年，由於全球半導體行業進入下行期，2019年和2020年初神工股份的業績出現一定波折。但隨著新基建的開展和5G換機潮的來臨，下游需求已經出現了增長趨勢，而這種增長也將逐步傳導至中上游的設備和材料行業。作為國內少數擁有8/12英寸晶圓研發、生產和銷售全流程頂尖經驗的專家，潘博士帶領神工股份以「高良率」為目標，步步為營，穩紮穩打，有望儘快解決大尺寸晶圓的盈利難題，從而在晶圓國產替代的進程中實現穩步增長。
