繼續「半導體復仇者聯盟」系列。
前面說了EDA&coreIP、IC設計,本文說晶元製造設備。
根據SEMI(國際半導體產業協會)數據:2023年,全球半導體設備市場規模1062.5億美元。其中,中國大陸市場366億美元(同比增長29%),佔比34.43%;中國台灣市場196.2億美元(同比下降27%)。
同時,SEMI預估:2024年全球半導體設備市場規模1130億美元。其中,中國大陸市場超400億美元,佔比超35%,連續5年成為全球最大的半導體設備市場。
半導體生產分為前道工藝和後道工藝。其中:
-前道工藝是指晶圓製造廠的加工過程,簡單地說,就是把電路加工在空白的矽片上,出廠時還是完整的圓形矽片。
-後道工藝是指封測廠的封裝、測試過程,簡單地說,就是把前道工序的矽片切割成單獨的晶元顆粒,然後完成外殼封裝和終端測試,出廠時就成為正式的晶元成品。
因此,半導體設備就分為前道設備和後道設備。其中:
-前道設備主要有熱處理設備、光刻設備、塗膠顯影設備、去膠設備、刻蝕設備、離子注入設備、薄膜沉積設備、研磨設備、清洗設備、量測設備等。
-後道設備主要有封裝設備(減薄機/劃片機/裝片機/引線鍵合機)、測試設備(測試機/探針台/分選機)等。
主要的半導體設備
從價值上看,前道設備的價值約佔85%,後道設備的價值約佔15%。從技術難度上看,後道設備相較於前道設備的技術難度較低。
一、熱處理設備
熱處理過程是將晶圓放置在充滿特定氣體的環境中,對其加熱能以實現所需的化學反應和物理變化,主要有快速熱處理/氧化/擴散/退火等設備。
在該領域中,主要由應用材料(AMAT,美國)、東京電子(TEL,日本)、日立高新(HHT,日本)三大廠商主導,約佔全球市場份額的55%。
我國大陸在熱處理設備領域與國際廠商的差距正在縮小,國產化率已經達到30%以上,代表企業有屹唐、北方華創等。
二、光刻設備
光刻設備是在特定波長的光線作用下,將設計好的在掩膜版上的集成電路圖形,轉印到矽片表面的光刻膠上,說白了就是「畫圖」。
在該領域中,阿斯麥(ASML,荷蘭)、尼康(Nikon,日本)、佳能(Canon,日本)三巨頭基本壟斷了全球市場,分別佔比約81%、9%和7%。其中,在光刻機深紫外(KrFi/ArFdry)領域,ASML市佔率為95%/87%;在光刻機極紫外(EUV領)域,ASML一家獨佔,當前最先進的3nm製程,只有通過EUV光刻機才能生產出來。
我國大陸在光刻機領域與國際廠商差距極大,國產化率不足 1%,只能生產一部分低端光刻機,國內可實現量產製程為90nm/65nm,正在研發製程28nm,代表企業是上海微電子。
三、塗膠顯影設備
塗膠顯影設備是指在晶圓表面塗蓋光刻膠(曝光前光刻膠塗覆),並對光刻膠進行顯示影像操作((曝光後圖形的顯影),以形成所需的電路圖案。
在該領域中,主要由東京電子(TEL,日本)、迪恩士(DNS,日本)、蘇斯微(SUSS,德國)主導,其中又以東京電子一家獨大,約佔全球市場份額的85%。
我國大陸在塗膠顯影設備領域與國際廠商差距巨大,國產化率約7%,國內可實現量產製程為90nm/65nm/28nm,代表企業是芯源微。
四、去膠設備
去膠設備是刻蝕或離子注入完成之後,用於去除殘餘的光刻膠。
去膠設備是我國大陸實現國產化最高的半導體設備,國產化率達到80%以上。全球去膠設備廠商主要為屹唐(中國)、北方華創(中國)、比思科(BiSK,韓國)、日立高新(HHT,日本)、泛林半導體(Lam,美國)、泰仕半導體(TES,韓國)等,佔全球市場份額的90%以上。
五、刻蝕設備
刻蝕設備是將光刻膠上的電路圖形轉移到光刻膠下層的薄膜材料上,並通過化學或物理方法,去除薄膜材料未被光刻膠掩蓋的部分。
在該領域中,國外廠商主要有泛林半導體(Lam,美國)、東京電子(TEL,日本)、應用材料(AMAT,美國)、科磊(KLA,美國)、細美事(SEMES,韓國)、日立高新(HHT,日本)等。
我國大陸在刻蝕機領域已經迎頭趕上,不過在先進位程方面還有差距,國產化率達到55%以上,國內可實現量產製程65nm/45nm/28nm/14nm/7nm/5nm(硅刻蝕)、65nm/45nm/28nm/14nm(介質刻蝕),代表企業有中微公司、北方華創、屹唐半導體等。
六、離子注入設備
離子注入設備是將離子注入到半導體材料中,改變其電學性能。
在該領域中,主要由應用材料(AMAT,美國)、亞舍利(Axcelis,美國)主導,約佔全球市場份額的75%。
我國大陸在離子注入設備領域與國際廠商差距較大,國產化率10%-20%,國內可實現量產製程為65nm/45nm/28nm,代表企業有凱世通、中科信等。
七、薄膜沉積設備
薄膜沉積設備是一般通過物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)技術,在晶圓表面塗上幾納米至幾微米不等厚度的金屬或其他介質薄膜。
在該領域中,PVD市場由應用材料(AMAT,美國)主導,佔市場份額的80%以上;CVD市場由泛林半導體(Lam,美國)、東京電子(TEL,日本)、應用材料(AMAT,美國)三大廠商主導,約佔市場份額的65%;ALD市場由東京電子(TEL,日本)和先晶(ASMI,荷蘭)主導,約佔市場份額的60%。
我國大陸在薄膜沉積設備領域與國際廠商還有較大差距,國產化率約15%,國內客實現量產製程為65nm/45nm/28nm/14nm,代表企業有北方華創、拓荊科技、中微公司等。
八、清洗設備
清洗設備貫穿晶圓製造的全過程,用於清掃晶圓加工和封測工序步驟過程中存在的雜質。
在該領域中,國外廠商主要有迪恩士(DNS,日本)、東京電子(TEL,日本)、斯克林(SCREEN,日本)、泛林半導體(Lam,美國)、西門子(Siemens,德國)等,約佔全球市場份額的40-50%。
我國大陸在清洗設備領域中已經具有了競爭力,國產化率超50%,國內可實現量產製程為65nm/45nm/28nm/14nm,代表企業有盛美半導體、北方華創、芯源微、至純科技等。
九、研磨設備
研磨設備是通過CMP技術(化學腐蝕+機械拋光),對晶圓表面進行納米級平坦化處理。
在該領域中,主要由應用材料(AMAT,美國)、荏原(Ebara,日本)兩家公司主導,約佔全球市場份額的60%,在14nm以下製程,幾乎是由這兩家壟斷。
我國大陸在研磨設備領域與國際廠商的差距正在縮小,國產化率30-40%,國內可實現量產製程為28nm/14nm,代表企業是華海清科。
十、量測設備
量測設備是驗證晶元的性能、質量和可靠性,對其進行顆粒污染、表面劃傷、開短路等檢測,以及對薄膜厚度、關鍵尺寸、刻蝕深度等測量。
在該領域中,主要由科磊(KLA,美國)、應用材料(AMAT,美國)、雷泰光電(Raytek,美國)、日立高新(HHT,日本)、阿斯麥(ASML,荷蘭)、先進科技(ASMPT,新加坡)六大廠商主導,約佔全球市場份額的78%。
我國大陸在量測設備設備領域與國際廠商差距巨大,國產化率約7%,國內可實現量產製程為65nm/28nm/14nm,代表企業有中科飛測、上海精測、東方晶源等。
十一、封測設備
在封裝機領域,主要由庫利索法(K&S,新加坡,美國控股)、先進科技(ASMPT,新加坡)和佰瑟(BESI,荷蘭)三大廠商主導。
在測試機領域,主要由泰瑞達(Teradyne,美國)、愛德萬(ADVANTEST,日本)和科休(Cohu,美國)三大廠商主導,約佔全球市場份額的90%。國內廠商代表有華峰測控、長川科技等。
在探針台領域,主要由日本東京電子和東京精密兩家廠商主導,約佔全球市場份額的85%。國內廠商代表是長川科技。
在分選機領域,市場格局相對分散,外部廠商主要有科休、Xcerra、愛德萬、台灣鴻勁等,國內廠商代表有長川科技,我國大陸國產化率已達到 70% 以上。
綜上,全球半導體製造設備主要由美日荷企業主導,特別是在中高端設備領域。
同時也可以看到,國產設備廠商正在搶佔中低端市場,初步形成產業鏈成套布局,取得了良好的進展。同時,在重點設備環節已能實現 28nm 製程突破,部分刻蝕、清洗環節已推進至先進位程節點。
根據SEMI數據,中國大陸半導體設備國產化率從2014年的14%上升到2023年的23.3%,預計到2027年將達到26.6%。
根據TrendForce數據,中國大陸半導體前道主要設備國產化率和主要代表廠商如下表:
由上可見,我國大陸半導體設備廠商在去膠、清洗、刻蝕設備領域表現良好,國產化率已經超過一半以上;在CMP、熱處理設備領域正在追趕,不久之後就會實現一半的國產化率;在薄膜沉積、離子注入、塗膠顯影設備領域比較落後,但也實現了很大的突破;在量測、光刻設備領域非常落後,是接下來重點突破的領域。
不管怎麼說,從工藝覆蓋角度來看,我國大陸廠商已經涉足半導體製造工藝各個階段,除了高精尖領域外,國產設備在成熟製程上可以滿足各方面需求。
在美國對我國半導體高端設備禁運封鎖背景下,隨著國家在資金政策等要素資源扶持力度加大、企業技術攻關突破、上下游產業鏈協同效應增強,半導體設備自主可控進程將加速推進。
在以上半導體設備中,光刻設備、刻蝕設備和薄膜沉積設備是最關鍵的三類設備,分別占設備價值總額的21%、25%和22%。這其中,又以光刻機為關鍵中的關鍵,被冠以「工業皇冠上的明珠」。
根據SEMI數據,光刻機在半導體設備中的價值佔比約21%,加上配套的塗膠顯影設備和光刻工藝需要用到的掩模版、光刻膠等耗材,整體光刻工藝的費用約佔晶元生產成本的1/3,耗費時間約佔40%~50%。
依照不同光源,光刻機可分為UV(紫外)、DUV(深紫外)、EUV(極紫外)三種類型。
- UV(紫外光刻):早期晶元,光源波長365nm/436nm,製程節點250nm-800nm之間;
-DUV(深紫外光刻):成熟製程技術,光源波長193nm/248nm,製程節點7nm-180nm之間,主流用於28nm以上的晶元工藝;
-EUV(極紫外光刻):光源波長13.5nm,製程節點7nm以下,是當前最先進的光刻工藝。
光刻機零件極多,越高端的光刻機其結構越複雜,如極紫外(EUV)光刻機,其內部零部件超8萬個。同時,當製程達到7納米以下時,所涉及的刻蝕機、離子注入機、研磨機等設備面臨極高的技術壁壘和驗證壁壘。
EUV光刻機總體結構及主要組成系統(圖源網路,侵刪)
全球範圍內,僅有荷蘭的ASML公司具備提供這一高端設備的能力,並且其技術主要依賴美國、日本等國的精密元件,受美國掌控。
荷蘭ASML公司(圖源網路,侵刪)
上世紀90年代末,光刻機工藝被卡在193nm光源波長,遇到難以突破的瓶頸。為此,美國牽頭組建了EUV LLC聯盟,成員有英特爾、摩托羅拉、IBM等美國最頂尖的科技企業,以及勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、桑迪亞國家實驗室、勞倫斯伯克利實驗室3個美國最頂尖的實驗室,陣容豪華。
當時,美國沒有合適的光刻機製造企業,於是就選擇了荷蘭的ASML,約束條款是:
-ASML必須把研發中心設在美國,50%以上的核心零部件必須採購自美國企業或美國指定的其他國家企業,無條件接受美國定期或不定期技術和商業有關審查。
此後,ASML依託EUV LLC聯盟,成為全球最大的光刻機製造商,並壟斷了EUV光刻機。也可以這樣理解,荷蘭ASML實際上是美國的總代,美國不同意,ASML就不能向我國出售最先進的EUV 光刻機。
那麼,目前國產光刻機與ASML差距有多大呢?
2024年9月,我國工信部發布重大技術裝備推廣目錄,國產氟化氬光刻機赫然在列。國產ArF光刻機採用的光源波長為193nm,解析度≤65nm,套刻≤8nm。該技術參數與ASML在2015年出貨的ArF光刻機TWINSCAN XT:1460K(解析度為≤65nm,套刻≤5nm)較為接近。換句話說,在ArF光刻機領域,我國與ASML的差距是9年。
既然國產ArF光刻機已納入推廣目錄,那麼製程節點7nm以下的EUV光刻機就在路上了,估計就是一個五年計劃的時間。
晶元製造的背後,還有一批關鍵材料,如高純矽片、光刻膠、靶材、電子氣體、CMP材料、光罩、先進封裝材料等。下一篇,說說晶元晶圓製造材料。