“换道超车”的传感器产业机遇

国内首条8英寸“超越摩尔”研发中试线即将试运行

从实验室成果到工厂量产,一个产品有很长一段路要走,中试就是必经阶段。

在嘉定工业区,备受关注的国内首条8英寸“超越摩尔”研发中试线已进入最后的设备调试阶段,这条或将影响国内半导体产业的中试线将于8月投入使用。

  • 6月底“试水”,8月底投运

位于嘉定工业区的8寸线园区内,装运工人将一台台价值不菲的半导体机台,通过起重机运送至厂房二楼。这里是国内首条8英寸“超越摩尔”研发中试线所在地。今年6月底,这条中试线将启动试运行,8月底将正式投入使用。

在中试线厂房旁,分布着氢气站、氮气站、氩气站等五六个气站,这些气站将为中试线提供各种所需气体。南侧的配套厂房内除了变电站,还设有纯水站,自来水通过设备过滤后,将产出电阻率达到18.2兆欧的超纯水。所谓超纯水,就是把水中的导电介质几乎完全去除,并将不离解的胶体物质、气体及有机物降至极低程度的水,用于清洗半导体原材料等。

进入中试线洁净室是个“大工程”,穿戴上抗静电的洁净服、鞋子、手套、口罩后,还需经过风淋房,将身上的微尘全部吹走。在要求最为严苛的十级洁净室,一分钟内每立方英尺的空间大于0.2微米的微尘必须少于10颗,这些微尘的大小相当于一根头发直径的五百分之一。

为了使微尘数量达标,厂房设计可谓“别有洞天”。层高8.8米的二楼分为3层,主要设备位中间层,看不见的上下两层除了铺设供应气体和化学品的管道外,还布满了用于“清洗”空气的设施。如此大费周章的原因就是,一旦硅片沾染微尘,可能致其失效。

洁净室共有四个区域,分别为光刻区、薄膜区、刻蚀区和扩散区,硅片将在这里接受100—200道工序的“淬炼”后成为晶圆成品。洁净室必须恒温恒湿,温度控制在22±1℃,湿度则控制在55±5%。

在光刻区,通过涂胶、光刻、显影等工序后,硅片上会留下所需图形,为防止光刻胶变性,光刻区使用的是黄色光,因此又被称为“黄光区”。在薄膜区,铝、钛、氧化硅等金属和非金属,经过特殊工艺后会沉积在硅片上,形成一层薄膜;刻蚀区分为干刻区和湿刻区,通过气相腐蚀、溶液与待刻蚀材料之间的化学反应等不同方式,形成传感器的结构;在扩散区,硅片会经过热氧化、扩散、清洗等工艺。硅片在这四个区域经过多次循环,最终制成晶圆成品。

从4英寸、6英寸,到8英寸、12英寸,虽然制造工艺更为复杂,但考虑到可降低单颗芯片的成本,近年来传统半导体行业的晶圆尺寸越来越大,但在“超越摩尔”领域,目前业界还普遍使用6英寸产线,工研院为何选择8英寸?“一片8英寸晶圆直径达20厘米,分布着几百颗到数万颗不等的元器件,根据需要切割成相应规格。”游家杰说道,8英寸是目前国际“超越摩尔”领域公认的领先技术,应该说是当下的最佳选择。

  • 从一路追随到尝试“超车”

在日常生活中,我们几乎每时每刻都被“隐形”的传感器所包围。以一个智能手机为例,内部装载了加速度计、MEMS麦克风、指纹识别等二三十个传感器。在智能硬件、工业制造、健康医疗、车联网等诸多物联网领域,传感器都有广阔的应用空间。近年来国内传感器市场年均增长速度超过20%,市场规模超千亿元,传感器产业迎来了巨大的发展契机。

然而,目前全球传感器市场主要由美国、日本、德国等几家龙头企业主导,中国八成以上的传感器都靠进口。核心技术尚未突破、纠缠于低端竞争等因素,制约着国内企业在传感器领域的发展。

英特尔创始人之一的戈登·摩尔提出了著名的“摩尔定律”,即集成电路上可容纳的元器件数目约每隔18—24个月会增加一倍,性能也将提升一倍。循着“摩尔定律”的轨迹,中国企业一路跟随国外巨擘,但始终望其项背。

那么问题是,我们是否一定要遵循“摩尔定律”?

据估算,“摩尔定律”技术路线的投资量级是百亿美元,而“超越摩尔”技术路线的投资量级仅为亿美元,且产品种类丰富。遵循这一思路,2013年5月,聚焦“超越摩尔”领域的上海微技术工业研究院在市领导和嘉定区的支持下成立,其使命是助力上海在传感器等新兴领域实现“弯道超车”。

8英寸研发中试线成为工研院的发力点。中试线根据“超越摩尔”产品和技术特点部署了MEMS、RF、硅基III-V族、3D集成、MR磁传感、功率及生物等相关工艺和量测设备,可承担产品研发、小批量生产、技术培训、设备验证等服务,为企业走通从实验室到市场化的“最后一公里”搭建平台。

  • 走通市场化的“必经之路”

从位于嘉定工业区的8英寸研发中试线,到城北路235号上海微技术工业研究院,这段约4公里的路程,未来将成为众多传感器企业走向市场化进程中的“必经之路”。

纵观国内“超越摩尔”领域,现有的一些知名代工厂因结果导向,往往只承接工艺兼容且短期就能获益的业务,这使得诸多小微企业的创新之路举步维艰。

从前期研发到后期测试,必须走通这个“闭环”,产品才有上市的可能。为此,工研院加紧建设8英寸研发中试线的同时,早已建成技术分析、晶圆级测试、MEMS成品测试、IGBT功率测试、混合及模拟IC测试等多个工程服务实验室,可为研发企业提供“一条龙”服务。

除了提供技术支持,工研院还致力于“超越摩尔”领域和物联网行业初创团队的投资与孵化。

在资金扶持方面,工研院联合国家集成电路产业投资基金等产业资本,共同设立“超越摩尔”产业基金,规模达50亿元。在产业化平台方面,工研院建立了“超越摩尔”领域的孵化器及加速器。“在“超越摩尔”技术领域的创新项目,如果有好的市场前景,我们会考虑投入资源孵化。资金是一方面, 更重要的是产业资源, 比如协调晶圆代工及封测厂产能,促成产业战略性合作及技术的市场推广等 。”工研院产业合作副总裁朱佳骐说。

为营造“超越摩尔”产业创新生态,工研院发起成立了成员数量已达300余家的“中国传感器与物联网产业联盟”,并在美国硅谷、台湾新竹、法国格勒诺布尔等地设有办公室及研发中心,在全球范围内布局创新网络。

作为建设上海科创中心建设的“四梁八柱”之一的功能型平台,伴随着上海微技术工业研究院成长的是一条不寻常的机制体制创新之路。工研院将以“超越摩尔”研发中试线为主体,加快技术研发和企业孵化,帮助国内半导体产业赶上先进国家的步伐,在市场化的“必经之路”上实现“尝试突破”。

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MEMS:全称Micro-Electro-Mechanical System,即微机电系统,利用半导体制造工艺和材料,将传感器、执行器、机械机构、信号处理和控制电路等集成于一体的微型器件或系统。与传统的机械传感器相比,MEMS传感器具有体积小、集成化、智能化、低成本等优点。

“超越摩尔”:指不再只遵循“摩尔定律”,在半导体工艺尺寸上越做越小,而是在成熟的工艺生产线上,研发非数字、多元化半导体技术与产品,在传感器等新兴技术领域实现“弯道超车”。

中试:产品在大规模量产前的小规模试验。据统计,科技成果经过中试,产业化成功率可达80%,未经中试成功率仅有30%。

来源:嘉定报