半導體設備國產化迎來關鍵轉折點 :長江存儲首條「全國產化」產線今年試產
據報道,為了減少對外國設備的依賴,長江存儲技術有限公司(YMTC)在推動“全國產化”制造設備方面取得了重大突破,首條全國產化的產線將于2025年下半年導入試產。
2016年,長江存儲在武漢東湖新技術開發(fā)區(qū)正式注冊成立,專注于3D NAND閃存芯片的設計、制造與銷售。2022年底,長江存儲被列入美國商務部的實體清單,在無法取得美系先進晶圓制造設備的情況下,仍靠既有工具維持先進NAND Flash產品線的開發(fā)與制造,依然積極推進產能擴張計劃。目前,長江存儲的產能已接近每月13萬片晶圓,約占全球產能的8%,計劃在2025年實現(xiàn)每月約15萬片晶圓的產能(WSPM),并力爭到2026年底占據全球NAND閃存供應量的15%。
在技術層面,長江存儲也取得了顯著進展。其已出貨的232層TLC(三層單元)芯片X4-9070,通過雙層堆疊實現(xiàn)了294層等效密度,接口速度達3600MT/s。2025年稍晚將推出3D QLC X4-6080,可能延續(xù)294層堆疊,至2026年量產2TB 3D TLC X5-9080與3D QLC X5-6080,后者將支持4800MT/s高速接口。下代架構預期將超過300層堆棧,藉此提升每片晶圓的位輸出,即使制程時間增加、月投片數(shù)下降,也能維持總產出成長。
雖然長江存儲從ASML、Applied Materials、KLA等國際設備供應商取得新設備的能力受限,但其仍計劃大規(guī)模導入自研技術與國產設備,支撐其位成長率目標遠高于整體市場的10%~15%。長江存儲利用串堆疊技術繞過限制,并朝向100%設備國產化邁進,正是應美國管制128層堆疊以上堆疊技術設備出口后的對策,亦是中國芯片設備自主化的重要試金石。
全國產線的試產若能成功,有望使比特產量翻倍,助力長江存儲實現(xiàn)市場份額目標。全球內存產能TOP3分別是三星、SK海力士、美光,三家2025年的產能預測分別是66萬片、50萬片和30萬片,若長江存儲能將月產量提升至20萬片,將具備影響全球NAND閃存價格走勢的話語權。但必須清醒認識到,從試驗線到大規(guī)模量產并非一蹴而就,國產設備的長期穩(wěn)定性、不同設備間的工藝兼容性以及成本控制能力都是需要解決的關鍵問題 —— 從良率穩(wěn)定到成本優(yōu)化,再到產品迭代,至少還需要3-5年的打磨周期。
中國芯片制造商正在取得漸進式的進步,不過,100%的設備本土化遠遠超出了分析師們認為中國芯片制造商目前可能實現(xiàn)的范圍:長江存儲在中國半導體設備國產化努力中脫穎而出,據摩根士丹利估計的采用率為45%,遠超全國平均水平和其他主要國內晶圓廠(中國最大的晶圓廠中芯國際在其荊城晶圓廠實現(xiàn)了22%的國產化率,在臨港晶圓廠實現(xiàn)了18%),然而45%的采用率仍遠低于100%。
長江存儲的全國產線試產是中國半導體產業(yè)在全球競爭中的一次“范式創(chuàng)新”,它證明了即使在單點技術落后的情況下,通過設備、工藝、架構的系統(tǒng)協(xié)同,仍能實現(xiàn)產業(yè)鏈的整體突破。首條全國產線的拉通具有重大意義:集成電路生產是一個系統(tǒng)化工程,其中涉及九大類核心設備和其他輔助模塊,全國產線的拉通不是單一環(huán)節(jié)的突破,而是其中所有環(huán)節(jié)的突破。
我國半導體設備國產化率相對于中國市場的占比而言顯著偏低,2024年,除去膠設備、清洗設備、刻蝕設備和熱處理設備國產化率超30%,PVD/CVD/ALD、CMP、涂膠顯影、離子注入、量檢測和光刻等環(huán)節(jié)的國產化率仍低于20%,分別為5~20%,30~40%,5~10%,10~20%,1~10%和0~1%。
更值得注意的,TechInsights的報告顯示,長江存儲最新的“Xtacking 4.0”芯片在性能上與市場領導者相當,不過由于在極紫外光刻(EUV)等關鍵領域中國仍存在差距,這使得持續(xù)增長將取決于縮小設備和產量差距的能力。
長江存儲建立技術優(yōu)勢
長江存儲四年前就已經將混合鍵合技術應用于3D NAND制造,并將其命名為「晶棧(Xtacking)」。初期,長江存儲通過與Xperi簽署許可協(xié)議獲得了混合鍵合技術的原始專利,隨后在該領域構建了全面的自主專利體系,目前在混合鍵合技術方面處于全球領先地位。最早將混合鍵合應用于3D NAND的長江存儲在相關技術上擁有強大的專利積累,截至目前,長江存儲專利總申請數(shù)量超過1萬件。
雖然長江存儲近年來發(fā)展受到了外部的各種限制,但是已經成功地將存儲密度提升至與行業(yè)領先水平相當?shù)母叨?,實現(xiàn)了目前商業(yè)產品中最高的垂直柵密度,使得長江存儲成為了全球NAND閃存市場的有力競爭者。這其中的關鍵在于,長江存儲率先轉向CBA架構,并實現(xiàn)了混合鍵合的技術良率穩(wěn)定。
在傳統(tǒng)3D NAND架構中,外圍電路約占芯片面積的20~30%。而隨著3D NAND技術堆疊到128層甚至更高,外圍電路所占據的芯片面積或將達到50%以上,這也造成了存儲密度的降低。同時,這種方法最多可容納300多層的NAND,否則施加于底部電路上的壓力可能會對電路造成損壞。為了解決這一問題,長江存儲早在2018年推出了全新的Xtacking技術,推動了高堆疊層數(shù)的3D NAND制造開始轉向了CBA(CMOS鍵合陣列)架構。而NAND晶圓和CMOS電路晶圓可以在不同的生產線上制造,使用各自優(yōu)化的工藝節(jié)點分別生產,不僅可以縮短生產周期,還可以降低制造復雜度和成本。
對于3D NAND廠商來說,要想發(fā)展400層以上的NAND堆疊,混合鍵合是一項不得不面對的核心技術。雖然SK海力士和美光分別在2020年和2022年向Xperi拿到了混合鍵合技術的授權,但因為轉向CBA架構遲緩,使得三星、SK海力士等大廠面對已經在CBA架構3D NAND和配套的混合鍵合技術上持續(xù)投入多年的長江存儲時,將會不可不避免的面臨專利方面的障礙。除此之外,由于存在許多變化,與長期采用混合鍵合的長江存儲相比,制造成本必然會高得多。
存儲芯片行業(yè)已經是成熟市場,三星、SK海力士、美光等巨頭占據了大部分市場份額。與他們相比,長江存儲是后起之秀,最重要的是,在核心技術逐步追上甚至領先行業(yè)巨頭之后,如何提升產能也成為長江存儲的關鍵問題,這對能否改寫行業(yè)格局也至關重要。
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