国内外科技动态(第11期)

信息来源:市科技局 日期:2022-07-28
 国内外科技动态

2022年第11  

主办:鄂州市科学技术

承办:鄂州市科技信息中心                 2022727

国产半导体前道设备加速崛起!十大关键环节揭秘,光刻机仍是痛点



10大半导体前道设备,国产厂商如何打破技术壁垒?

半导体设备在硅片制造以及芯片制造的前道/后道工艺中均发挥着重要作用。半导体设备行业壁垒高筑,当前为国产厂商黄金窗口期。

根据IC Insights数据,2022年全球半导体行业资本支出预计将达到1904亿美元,同比提升24%。其中国内厂商扩产更为激进,预计我国将在十年中增加全球40%的新半导体制造能力,极大拉动国内半导体设备需求,有望助推国产替代进程。

01.半导体设备

黄金发展期来临

 

半导体设备是半导体制造的基石,是半导体行业的基础和核心。半导体工艺流程主要包括硅片制造、IC设计、芯片制造和芯片封测,从产业链来看,半导体设备在硅片制造以及芯片制造的前道/后道工艺中均发挥着重要作用。


▲半导体设备产业链示意图

从技术角度看,半导体设备技术壁垒可分为三个层次:

 

1)半导体设备是由成千上万的零部件组成的复杂系统,将成千上万的零部件有机组合在一起实现精细至nm级别的操作是第一个难点。


▲半导体设备(光刻机-ASML)内部结构复杂

2)保障设备在nm级别的操作基础上的超高良率是半导体设备制造过程中的第二个难点。制造一块芯片通常需要上百台设备紧密配合,历经400-500道工序,若单工序良率仅能做到99%,则历经500道工序最终良率不足1%;提升至小数点后两位的水平才能使良率达到95%以上。

 

3)保障设备在实现以上两个要求的基础上长时间稳定的运行是半导体设备制造过程中的第三个难点。与上述同理,一条芯片产线上百台设备,每一台设备稳定运行时间的微小降低将在整个体系内被巨额放大。若发生设备宕机造成该批假设1000片晶圆的报废,在28nm及以下的制程级别对应的损失超过300万美元,近2000万人民币。


▲各制程晶圆单价-18Q2

正是由于设备本身和产线构成的复杂性,单设备的良率、稳定性会在整个体系内产生累积效应的影响,同时可能带来巨额的潜在损失,因此晶圆制造厂商对于上游设备的验证、验收有严苛的标准和流程。

同时,对于晶圆制造厂而言,配合上游设备验证需要付出大量的人力(合作研发、调试)、物力(拿出其他设备配合验证的机会成本损失、验证过程中的物料损失),以及采用新设备供应商面临的巨大潜在风险(批量晶圆报废的风险、向客户延迟交货的风险),很少有晶圆厂愿意承担以上的损失和风险去验证新供应商的设备。

半导体设备公司成功需要四大要素:契机、人才、资金、时间。目前国内环境四大要素均具备,因此处于发展的黄金时期:

1 )契机:下游制造厂商正常情况下不愿意冒风险和承担额外成本去验证新供应商的设备,中美贸易摩擦和设备禁令带来的供应链安全问题给国内制造厂商足够的理由接受国产设备。另一方面,近两年半导体行业高景气带动下游积极扩产。

2 )人才:目前国内既有科研院所、头部企业等培养出来内地人才,也有众多海外设备大厂从业背景的海归人才积极创业。

3 )资金:科创板支持科技类企业融资。

4 )时间:部分半导体设备厂商切入前道领域时间较短,处于样机和小批量订单阶段,未来有望加速放量。

02.前道设备

10大环节格局梳理

 

晶圆制造设备是半导体设备行业需求最大的领域,光刻、刻蚀和沉积设备为主要组成部分。根据SEMI数据来看,目前半导体设备主要为晶圆制造设备,市场占有率超过 85%。其中,刻蚀机、薄膜沉积、光刻机设备为半导体设备的核心设备,这三类半导体设备的市占率分别为22%、22%和20%。


▲前道制造设备投资占比-2021

 

 

从地区分布来看,中国大陆半导体设备市场占比呈持续提升之势,2021年市场规模达到296亿美元,占全球市场的比重为29%,是半导体设备的最大市场。先进半导体设备技术仍由美欧日等国主导,其中美国的刻蚀设备、离子注入机、薄膜沉积设备、测试设备、程序控制、CMP等设备的制造技术位于世界前列;荷兰凭借ASML的高端光刻机在全球处于领先地位;日本则在刻蚀设备、清洗设备、测试设备等方面具有竞争优势。


全球半导体设备市场分布情况

1、刻蚀设备:刻蚀是使用化学或者物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程。刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀,干法刻蚀市场占比超90%。干法刻蚀也称等离子刻蚀,是使用气态的化学刻蚀剂去除部分材料并形成可挥发性的生成物,然后将其抽离反应腔的过程。

等离子体刻蚀机根据等离子体产生和控制技术的不同而大致分为两大类,即电容性等离子体(CCP)刻蚀机和电感性等离子体(ICP)刻蚀机。CCP刻蚀机主要用于电介质材料的刻蚀工艺,ICP刻蚀机主要用于硅刻蚀和金属刻蚀。

刻蚀设备占据半导体设备超20%的市场,2021年全球刻蚀设备市场规模为194亿美元,预计2022年将达到216亿美元。刻蚀设备市场集中度高,被三家龙头企业垄断,其中泛林半导体技术实力最强,占据47%的市场份额,东京电子和应用材料分别占据27%和17%。 

从国内市场来看,刻蚀机是我国最具优势的半导体设备领域,北方华创与中微公司分别在硅刻蚀领域和介质刻蚀领域,处于国内领先地位,中微公司的介质刻蚀已经进入台积电5nm产线,北方华创在ICP刻蚀领域优势显著,已进入中芯国际14nm产线验证阶段。


▲全球刻蚀设备市场规模及预测

 

2、薄膜设备:薄膜沉积设备主要分CVD、PVD、ALD三大类,其中CVD市场占比最高。薄膜沉积是指在硅片衬底上沉积一层待处理的薄膜材料,如二氧化硅、氮化硅、多晶硅等非金属以及铜等金属。

薄膜沉积设备主要包括CVD设备、PVD设备/电镀设备和ALD设备,三者各有所长,CVD主要应用于各种氮化物、碳化物、氧化物、硼化物、硅化物涂层的制备,PVD主要应用于金属涂层的制备,ALD属于新兴领域,一般用于45nm以下制程芯片的制备,具备更好的膜厚均匀性,同时在高深宽比的器件制备方面更有优势。

目前,全球薄膜沉积设备中CVD占比最高,2020年占比64%,溅射PVD设备占比 21%。CVD设备中,PECVD占比53%,ALD设备占比20%。

 

薄膜沉积设备在半导体设备中占比稳定在20%左右,2021年全球半导体薄膜沉积设备市场规模达190亿美元,预计2022年将达到212亿美元。细分领域来讲,AMAT独占鳌头,约占全球PVD市场份额的80%以上;CVD领域,AMAT、LAM、TEL三家约占全球市场份额的70%以上。


全球薄膜沉积设备市场规模及预测

3、光刻机:光刻是决定集成电路集成度的核心工序,光刻即将电路图形信息从掩模板上保真传输、转印到半导体材料衬底上,其基本原理是,利用涂敷在衬底表面的光刻胶的光化学反应作用,记录掩模板上的电路图形,从而实现转印的目的。光刻机发展至今,经历了5代产品的迭代,已从最初的g-line,i-line历经KrF、ArF发展到了如今的EUV。全球TOP3光刻机厂商2021年销量结构中,EUV、ArFi、ArF、KrF、I-line 设备分别占比9%、18%、5%、32%、36%。 

按照全球半导体设备市场规模估算,2021年全球光刻机市场规模为181亿美元,预计 2022年将达到201亿美元。全球光刻机前三大厂商的市场份额占比达90%以上,根据前三大厂商的销售数据显示,2015-2021年,全球光刻机销售量总体增长,2021年达 478台


全球光刻机市场规模情况

长期以来,我国的光刻技术落后于先进国家,近年来,在国家政策的扶持下,我国光刻机技术也开始了飞速的发展,上海微电子目前已可量产90nm分辨率的ArF光刻机,28nm分辨率的光刻机也有望取得突破。

 

4、检测设备:检测设备是应用于工艺过程中的测量类设备和缺陷(含颗粒)检查类设备的统称。随着芯片结构的不断细微化和工艺的不断复杂化,工艺检测设备在先进前段生产线中发挥着越来越重要的作用。目前工艺检测设备投资占前端设备总投资的 11%。


检测设备主要分类和应用

国内前道检测企业主要有中科飞测、上海精测、上海睿励等。中科飞测目前产品覆盖无图形晶圆缺陷检测设备、图形晶圆缺陷检测设备、三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备,已广泛应用在中芯国际、长江存储、士兰集科、长电科技、华天科技、通富微电等国内主流集成电路制造产线。

上海精测目前主要收入来源于平板显示领域,半导体量测设备覆盖膜厚量测系统、光学关键尺寸量测系统、电子束缺陷检测系统、光学缺陷检测系统等。上海睿励致力于集成电路生产前道工艺检测,主要产品为光学膜厚测量设备和光学缺陷检测设备,以及硅片厚度及翘曲测量设备等,同时开发了应用在LED领域的检测设备。

5、清洗设备:清洗设备为半导体制造的重要设备之一,清洗步骤的约占整体步骤的 1/3。半导体清洗是指针对不同的工艺需求对晶圆表面进行无损伤清洗以去除半导体制造过程中的颗粒、自然氧化层、金属污染、有机物、牺牲层、抛光残留物等杂质的工序。

为减少杂质对芯片良率的影响,实际生产中不仅需要提高单次清洗效率,还需在几乎所有制程前后进行频繁清洗。按照清洗原理来分,清洗工艺可分为干法清洗和湿法清洗,目前90%以上的清洗步骤以湿法工艺为主。在湿法清洗工艺路线下,主要包括单片清洗设备、槽式清洗设备、组合式清洗设备和批式旋转喷淋清洗设备等,其中以单片清洗设备为主流。

 

半导体清洗设备约为半导体设备总规模的5%,2021年起半导体清洗设备市场增长迅速,市场规模达到42亿美元,预计2022年将达到47亿美元。全球半导体清洗设备市场高度集中,Screen、TEL、LAM与SEMES四家公司合计市场占有率达到90%以上,其中Screen市场份额最高,超过50%。我国半导体清洗领域的重要参与者包括盛美上海、至纯科技、北方华创、芯源微等,其中,盛美单片清洗设备最高可单台配置18腔体,达到国际先进水平;芯源微单片物理清洗设备国内领先,持续开拓单片化学清洗设备市场。


 

全球半导体清洗设备市场规模


▲中国半导体清洗设备企业产品及相关技术情况

6、涂胶显影设备:涂胶显影设备是集成电路制造过程中不可或缺的关键处理设备。涂胶显影设备是与光刻机配合进行作业的关键处理设备,主要负责涂胶、烘烤及显影。

涂胶/显影机作为光刻机的输入(曝光前光刻胶涂覆)和输出(曝光后图形的显影)设备,主要通过机械手使晶圆在各系统之间传输和处理,从而完成晶圆的光刻胶涂覆、固化、显影、坚膜等工艺过程,其直接影响到光刻工序细微曝光图案的形成,从而影响后续蚀刻和离子注入等工艺中图形转移的结果。

在早期的集成电路和较低端的半导体制造工艺中,此类设备往往单独使用,随着集成电路制造工艺自动化程度及客户对产能要求的不断提升,多与光刻设备联机作业,KrF、ArF以及ArFi工艺设备逐渐占领市场。

 

涂胶显影设备约为半导体设备总规模4%,2021年全球涂胶显影设备行业市场规模为 34亿美元。东京电子在涂胶显影设备市场一家独大,2019年市场份额87%。


全球涂胶显影设备市场规模及预测

芯源微为前道涂胶显影设备国内唯一供应商,产品可覆盖PI、Barc、SOC、SOD、I-line、KrF、ArF等工艺,ArFi工艺设备也正在研发验证过程中,有望按照I-line→KrF→ArF→ArFi的路径实现对海外涂胶显影设备的替代,同时在胶膜涂覆均匀性、平均故障间隔时间、产能等核心技术指标方面有望逐步追平甚至赶超海外厂商。

7、CMP设备:CMP技术即化学机械抛光,通过化学腐蚀与机械研磨的协同配合作用,实现晶圆表面多余材料的高效去除与全局纳米级平坦化。CMP设备一般由检测系统、控制系统、抛光垫、废物处理系统等组成,是集成电路制造设备中较为复杂和研制难度较大的设备之一。

 

其工作过程是:抛光头将晶圆抵在粗糙的抛光垫上,借助抛光液腐蚀、微粒摩擦、抛光垫摩擦等耦合实现全局平坦化,抛光盘带动抛光垫旋转,通过先进的终点检测系统对不同材质和厚度的磨蹭实现3-10nm分辨率的实时厚度测量防止过抛。CMP设备约为半导体设备总规模3%,2021年全球CMP设备市场估计为24亿美元。目前全球CMP设备市场处于高度集中状态,主要由美国应用材料和日本荏原两家设备制造商占据,合计拥有超过90%的市场份额。


▲全球CMP设备市场规模及预测

国内市场中,华海清科CMP设备可广泛应用于12英寸和8英寸的集成电路大生产线,是目前国内唯一一家能够提供12英寸CMP商业机型的高端半导体设备制造商,并采用与国际大厂差异化的技术路线。

8、热处理设备:热处理主要包括氧化、扩散和退火工艺。氧化是将硅片放入高温炉中,加入氧气,在晶圆表面形成二氧化硅。扩散是在硅衬底中掺杂特定的掺杂物,从而改变半导体的导电率。

 

退火是一种加热过程,通过加热使晶圆产生特定的物理和化学变化,并在晶圆表面增加或移除少量物质。半导体热处理设备包括快速热处理、氧化/扩散炉和栅栏堆叠设备,热处理炉管设备分为卧式炉、立式炉和快速热处理炉三类。半导体热处理设备约为半导体设备总规模2%,2021年全球热处理设备市场规模20亿美元。全球热处理设备整体市场呈现出寡头垄断的格局,应用材料、东京电子和日立国际电气2019年的市占率分别为46%、21%和15%。屹唐半导体2019年全球市占率达5%;另外,北方华创立式炉、卧式炉达到国内半导体设备的领先水平。


全球热处理设备市场规模及预测

9、离子注入机:离子注入是一种掺杂技术,以离子加速的方式将掺

 

杂元素注入到半导体晶片内部,改变其导电特性并最终形成所需的器件结 构。根据离子束电流和束流能量范围,一般可以把离子注入机分为低能大束流离子注入机、高能离子注入机和中低束流离子注入机。


离子注入设备分类

 

目前,全球离子注入机仍以大束流离子注入机为主,Gartner数据显示,大束流离子注入机占离子注入机市场总份额的61%。

 

全球离子注入机市场呈现增长态势,2019年全球离子注入机市场规模达11亿美元,2021年市场规模超过22亿美元。应用材料几乎垄断了全球离子注入机市场,占据了 70%的市场份额,其次为Axcelis,占20%。


▲全球离子注入设备市场规模

10、去胶设备:去胶即刻蚀或离子注入完成之后去除残余光刻胶的过程。去胶工艺类似于刻蚀,操作对象是光刻胶。去胶工艺可分为湿法去胶和干法去胶,湿法去胶工艺使用溶剂对光刻胶等进行溶解,干法去胶工艺可视为等离子刻蚀技术的延伸,主要通过等离子体和薄膜材料的化学反应完成,目前主流工艺是干法去胶。

随着先进芯片制造工艺的发展,干法去胶设备的技术不断提高,逐渐成为先进光刻中关键步骤,市场规模也在逐渐扩大,2021年,全球干法去胶设备市场规模超过7亿美元。

 

全球干法去胶设备领域呈现多寡头竞争的发展趋势,前五大厂商的市场份额合计超过 90%。屹唐半导体市占率位居全球第一,已全面覆盖全球前十大芯片制造商和国内行业领先芯片制造商,可用于90nm-5nm逻辑芯片、1y到2x纳米系列DRAM芯片以及 32层到128层3D闪存芯片制造中若干关键步骤的大规模量产。


▲全球干法去胶设备市场格局-2020

03.国产替代,空间广阔

半导体设备市场持续增长的底层逻辑是科技产业发展对半导体需求量的提升,直接驱动因素是下游晶圆制造厂商的扩产。2021年半导体市场规模实现同比增长26%,达5530亿美元。全球半导体产业资本支出保持强劲增长,根据IC Insights数据,2021 年,全球半导体行业资本支出达到1539亿美元,预计2022年将达到1904亿美元。

根据摩尔定律演进,每隔18-24个月芯片性能将提升一倍。先进制程IC产能具有强劲的增长势头,IC Insights预测,2024年先进制程(<10nm)的IC产能预计增长并在全球产能占比提升至30%。每更新一代工艺制程,则需更新一代更为先进的制程设备,更加精密的制程带来半导体设备难度直线上升,行业壁垒不断提高。

制程和工艺升级推动芯片复杂度提升,更复杂的结构需要更多的制造工序完成,各类设备的用量显著增加。以刻蚀环节为例,14nm制程所需使用的刻蚀步骤达到64次,7nm所需刻蚀步骤达140次,较14nm提升118%。设备用量方面,以中芯国际180nm 8寸产线和90nm 12寸产线所用到的薄膜沉积设备为例,每万片月产能所需的CVD设备、PVD设备分别增加3倍和4倍左右。

随着技术节点的不断缩小,集成电路制造的设备投入呈大幅上升的趋势,5万片月产能的5nm技术节点的投资成本高达156亿美元,是14nm的两倍以上。一条新建生产线最大的资本支出来自于半导体设备,新建产线资本支出中晶圆制造设备占比达65%。

全球半导体产业向中国大陆转移,中国的半导体行业正高速增长,成为世界上最大的区域,根据SEMI数据,仅从2015年到2020年,中国IC行业收入以20%的复合年增长率快速增长至1280亿美元。大陆在半导体制造方面保持强劲增长,预计我国将在十年中增加全球40%的新半导体制造能力。集微咨询统计,目前大陆12英寸晶圆月产能约为104万片,预计2026年底,总月产能将超过276万片,提高165%。

大基金一期重点投资集成电路芯片制造业,占比达到67%,国家大基金二期投资向半导体产业链上游的设备和材料领域倾斜,将对在刻蚀机、薄膜设备、测试设备和清洗设备等领域已布局的企业保持高强度的持续支持,推动龙头企业做大做强,形成系列化、成套化装备产品。

中国大陆半导体设备企业经过多年的技术研发和工艺积累,在部分领域实现了技术突破和创新,成功通过部分集成电路制造企业的验证,成为制造企业的设备供应商。去胶设备已基本实现国产化,CMP设备、清洗设备、热处理设备、刻蚀设备等的国产化率为20%左右;涂胶显影设备、离子注入设备、光刻设备也实现了突破。

国产半导体设备进入生产线后,在不同产线持续测试和应用,可以及时掌握晶圆厂的技术需求,有针对性的对设备进行研发、升级,推动其技术的不断完善、进步和创新。目前国内晶圆厂积极扩产,极大拉动国内半导体设备需求;终端半导体产品的不断迭代推动晶圆厂开发新的工艺,随着国内晶圆制造产业的迅速发展,国产半导体设备种类将不断增加,性能也将不断提升,国产设备厂商将迎来增长机遇,进入加速成长阶段。

芯东西认为,我国正开启晶圆制造产能大规模扩张的周期,在国际环境不确定性增加、政策、资本、本土客户的支持下,我国国产半导体设备在本土客户验证和导入进度得到提速。产品已通过验证、正在或即将量产导入的本土公司有望在本轮国内晶圆制造产能扩张周期内实现业绩显著提升。

 

注:本文摘自芯东西内参战略前沿技术,文章内容不代表本网站观点和立场,仅供参考。


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