人工智能提升研发效率 国产半导体加速设备、材料底层创新

近日，第十一届半导体设备年会在无锡开幕，大会分论坛 “新器件新工艺推动新材料新设备创新发展论坛”于当天召开，会后举办了“上下游供需对接”环节。与会嘉宾介绍了人工智能在半导体材料研发中的应用；同时，在推进国产化进程中，半导体产业已经开展深入供应链合作，组建数据库，并从设计、测试到产业化形成有效联动，加速在设备、材料等“卡脖子”技术的底层创新。
人工智能加速半导体研发

材料的创新推动了芯片产业蓬勃发展。根据国际权威机构的分析，材料对集成电路产业创新的贡献超过60%。2022年，全球集成电路材料市场规模达到698亿美元，中国位居第二位，年均市场规模为130亿美元，市场份额为19%。
冯黎介绍说道，材料的发展带动了十倍左右的芯片产业，以及数十倍应用系统市场，但当前半导体材料的国产化率约25%，其中，大宗气体、靶材本土化率较高，相比，光刻胶、掩膜版等国产化率低。
随着芯片从平面结构向三维结构等的升级，新器件新工艺推动着材料创新，人工智能在数据分析、机器学习等方面的强大能力，能够加速材料的筛选和设计过程，从而显著降低研发周期和成本，也将助力国产半导体材料研发创新。
据介绍，目前英伟达开发的cuLitho计算光刻库已经获国际半导体设备、半导体制造厂等应用，加速2纳米制程的芯片设计和生产开发；泛林集团（LAM Research）通过人工智能加速了深度晶硅刻蚀，IBM也借助人工智能开展逆向材料筛选，定制材料设计和产业化。
冯黎表示，上海集成电路材料研究院在抛光材料计算、光刻胶底层配套材料设计以及滤波器掺杂材料选择等方面已经使用人工智能加快工艺设计，提升研发效率。
据介绍，上海集成电路材料研究院运用材料跨尺度计算，结合实验数据，形成集成电路材料基因库；在2023年3月份成立了集成电路材料创新联合体。
“数据库是人工智能三大要素之一，（重要性）甚至高于算力、算法，” 冯黎指出，通过设立材料创新联合体，归集众多研发数据，通过机器学习、分析建模等手段，加快研发进程。
高端制造呼吁材料设备创新
随着模拟芯片、化合物半导体以及MEMS（电子机械系统）等领域发展，集成电路设备和材料国产化面临着新挑战和机遇。
粤芯半导体战略产品中心刘云峰表示，中国半导体产业虽然取得了一些国产化的进展，但在半导体设备领域仍然存在一定差距。就模拟芯片的制造工艺而言，深硅刻蚀设备、高深宽比填充设备、超高压隔离电容设备、离子注入机、锗外延设备，以及部分特殊气体、光刻胶等还依赖进口。
粤芯半导体也在积极推动国产化进程，在汽车电子领域的深入布局，以汽车终端的应用为牵引，与各个车厂建立战略合作，共创从芯片制造到整机的联动模式。根据粤芯半导体产能规划，粤芯一、二期总产能4.5万片已全面投产，三期将在2024年一季度陆续释放，并且粤芯制定了各阶段设备国产化率目标，目前粤芯在材料端国产化已经实现超过50%，设备端国产化目标做到40%。
以碳化硅为代表的化合物半导体领域中，高端设备、材料的创新需求日盛。
上海积塔半导体有限公司制造技术发展与评估部部长贺中鹤介绍，目前碳化硅整个产业主要的成本还是集中在材料端。为提升产量和效率，业界开始尝试激光切片、复合碳化硅片制备方式提升产量，相应工艺对激光切片设备、原子层键合和解键的技术和设备提出需求。
“2023年是平面MOSFET技术开始向沟槽MOSFET转换的节点，” 贺中鹤表示，碳化硅器件结构不断创新，就需要采用高密度等离子体刻蚀、ALD（原子层沉积）技术等来解决工艺难题，呼吁国产设备、材料等厂商积极攻克。
先进MEMS对集成电路设备和材料也提出了创新性需求。
上海集成电路材料研究院首席技术专家王诗男博士指出，与集成电路相比，MEMS具有更多样化、定制化、复杂性等特点，且每种器件的生产量有限，因此对于设备的灵活性和容差性要求较高。此外，MEMS制造过程中，需要解决脆弱基板的处理、高深宽比结构的加工以及薄膜厚度均匀性的控制等问题，对设备和材料以及配套软件稳定性、一致性等提出需求。
王诗男建议，设备厂商能紧跟需求，坚持持续创新，在产品验证阶段多投入，取得更多数据，以进一步提升产品质量和稳定性。
产业链加速底层创新
在当前供应链风险升级背景下，国产半导体设备、材料厂商与产业链、供应商已经密切联动，向零部件、基础材料等基础层领域延伸创新链条。
拓荆创益（沈阳）半导体有限公司副总裁吕志鹏博士指出，为维护供应链的安全，拓荆在近几年不仅致力于研发新半导体设备，还着力于国产化核心零部件，以提高供应链的稳定性。据介绍，拓荆在核心元器件方面的国产化涵盖了13大类、数十个品相，公司量产设备国产化率可以达到90%，新研发项目国产化率更高。
“在开发核心元器件的过程中，我们产品不仅需要达到功能上满足设备的需求，还要注重重复性、质量和长期可靠性。”吕志鹏表示，公司整个供应链与供应商密切合作，建立一致的质量管控系统。另外，在开发设计阶段，拓荆会与合作伙伴密切讨论产品规格、功能、可靠性等指标，从项目立项到量产的落地各项费用，实现“双赢”，并完善测试环节，注重在产品量产进入产业化过程中的质量管控，提升国产产品可靠性等指标。
作为国内纯溅射靶材供应商，江丰电子从电子材料向半导体精密零部件领域和相关核心材料扩展。公司在2018年成立了零部件事业部，目前形成六个量产的基地，用于700多台设备和1600人的制造团队，服务约120家量产客户。
江丰电子副总经理边逸军表示，自2016年以来，美国、日本等对中国半导体管制升级，加剧了了国内供应链压力，也进一步促使中国实现零部件国产化。目前机械类零部件国产化率已达50%以上，而在光学类等其他领域，国产化率较低，也具有巨大发展潜力。
“零部件的本质还是要解决关键材料问题”，江丰电子副总经理边逸军表示，江丰电子定位为“国产化制造商”的角色，公司在布局零部件的同时，也在布局核心原材料的国产化，希望从零部件入手，从上游到下游全面扶持本土供应链。
长三角产业链深入融合
作为全国集成电路发展重镇，长三角地区的半导体产业已经开始产业链上下游的资源的贡献与合作。
在本次大会上，上海市集成电路行业协会秘书长郭奕武在致辞中介绍，上海市集成电路行业协会一直致力于推动长三角地区的深度融合，加速半导体产业的发展，尤其注重整合集成电路产业链上下游的资源，促进共享合作，并呼吁各地发挥资源禀赋，以应用为引领，共建安全、有韧性的供应链生态。
据统计，2022年全国集成电路产业规模已超过1.2万亿元，增长14.8%，而长三角地区更是达到7500多亿，同比增长18%，占全国60%以上。上海市在全国的占比更达到22.3%。他还介绍了上海集成电路设备材料企业在前道设备、后道设备等方面的成就，强调了上下游协同发展的重要性。
“今年1到6月份，上海集成电路设备产业继续保持增长态势，” 郭奕武指出，尽管多数半导体细分领域销售出现下降，但设备和材料保持逆势增长，实现销售将近154亿，同比增长27.3%。
江苏省半导体行业协会秘书长秦舒表示，无锡作为国内集成电路产业的重要起点之一，在近40多年的发展历程中，不断加强集成电路产业链建设，着力加强关键环节，实现强链、补链、延链，取得了显著的成就。
据统计，无锡市集成电路产业链在2022年实现产值2091.52亿元，同比增长15.2%。江苏省在集成电路设计、制造、封测等方面的销售收入也保持强劲增长，占全国规模的26.5%，尤其是江苏的封测产业占全国规模的一半以上。
秦舒还强调了长三角一体化的重要性，并表示长三角需要对标世界发达国家水平和国家重大战略需求，加快在技术和工艺创新区域分工协作，在产业链供应链体系构建等方面突破“卡脖子“问题，推动集成电路产业特别是新设备、新材料发展迈上新台阶。
论坛最后，上海市集成电路行业协会与集成电路材料创新联合体组织“上下游供需对接会”，7家来自国内龙头晶圆制造、封装测试、设备企业与平台与50余家的设备、材料、零部件企业，现场“面对面供需对接，点对点强链补链”，对接会构建了半导体厂商上下游互通渠道，帮助企业达成交流合作、收获订单，加强产品协作、配套采购。