半导體前道設备市場:五巨頭把控,中國廠商任重道远
半导體已進入原子级加工程度,在這個精度长進行半导體器件制造,必要调集50多個學科的常识與技能。并且,加工精度只是一個维度,良率對半导體系體例造存亡攸關,是以平均性、不乱性、反复性、靠得住性和干净性都很首要,先辈半导體加工環節跨越1000個,哪一個環節出了问题,都难以制造出合适產物機能與良率请求的芯片。文︱罗艺
圖︱收集
按照市場钻研機构SEMI的统计,2020年中國大陸初次成為全世界最泰半导體装备區域市場,贩賣额年增39%,到达187．2亿美元;中國台灣排名第二,2020年装备商在台灣地域贩賣额到达171．5亿美元;韩國排名第三,贩賣额年增61%至160．8亿美元;日本排名第四,贩賣额也有75．8亿美元。东亚地域成為全世界半导體武备比赛高地,2020年合计砸出595．3亿美元,占昔時全世界半导體装备付出总额(712亿美元)比例高达83．6%。
因為地缘政治對付半导體供给链影响加重,2021年各區域市場對半导體產能投資竞争白热化。台积電和三星均将2021年在半导體上的本錢付出规划调至300亿美元以上,两家在先辈工艺量產進度上拼死相争,都估计2022年量產3纳米工艺,而在美國當局呼唤下,台积電和三星也将赴美設廠。毫無疑难,2021年又将是半导體装备廠商的一個丰登年,而中國大陸因為遭到相干限定,没法采辦高端EUV光刻機等装备,恐难守住最大装备市場宝座。
在台灣工業技能钻研院(如下简称台灣工研院)看来,分歧區域市場對半导體财產成长方针分歧:作為全世界最泰半导體利用市場,中國大陸在供给链平安遭到威逼的布景下,無疑更但愿加速技能追逐,以减缓在制造、装备與质料等關頭環節受控于人的近况;而美國作為全世界半导體财產链主导者,将继续增强高端芯片制造装备對中國大陸的出口管束,美國也将出台新政以應答比年来美國晶圆制造能力降低的場合排場;作為全世界晶圆制造密度最高的两個地域,中國台灣與韩國将有但愿继续引领晶圆制造工艺成长趋向,這两個區域也将借助壮大的制造能力,改良上遊台北汽車借款,的质料與装备自立状态。
先辈工艺成长标的目的
在28纳米以後,平面晶體督工艺到达极限,FinFET(鳍式晶體管)持续了摩尔定律,将工艺節點推動到如今的10纳米如下。不外FinFET線路也已靠近极限,三星将在3纳米工艺上率先采纳GAA(全環抱栅极)布局,台积電则在3纳米節點继续FinFET布局,到2纳米節點再采纳GAA布局。台灣工研院認為,英特尔在晶圆制造上碰到了贫苦,7纳米工艺(注:三家對工艺尺寸界说各有區分,不合适直接拿数字比拟)或将延至2023年才能量產,估计英特尔在5纳米節點也将改成GAA架构。
GAA 全称 Gate-All-Around ,是一种環抱式栅极技能晶體管,也叫做 GAAFET。其观點提出很早,比利時 IMEC Cor Claeys 博士及其钻研團队于 1990 年颁發文章中提出。GAAFET 至關于 3D FinFET 的改進版,這項技能下的晶體管布局又變了,栅极和漏极再也不是鳍片的模样,而是酿成了一根根 “小棍子”,垂直穿過栅极,如许,栅极就可以实現對源极、漏极的四面包裹。
比拟FinFET,原来历极漏极半导體是鳍片(Fin),而如今栅极酿成了鳍片。以是 GAAFET 和 3D FinFET 在实現道理和思绪上有不少类似的處所——這對晶圆廠而言是很大上风。从三接触面到四接触面,而且還被拆分成好几個四接触面,明显栅极對電流的節制力又進一步提高了。
比拟FinFET工艺,GAA布局具有更大的栅极接触面积,从而晋升了晶體管對导電通道的節制能力,并显著改良電容等寄生参数,因此可以低落事情電压,削减泄電流,低落功耗與事情温度,从而有益于提高集成度,以继续持续摩尔定律。
因為新的布局所需的出產工艺與鳍式晶體管类似,關頭工艺步调几近同样,可以继续利用現有的装备和技能功效,對台积電和三星而言,這無疑是價格最低的技能線路改换方案。但GAA對加工精度请求進一治療鼻塞，步提高,必要區域選择性沉积技能與原子级加工能力,因此质料工程首要性晋升,也将動員更多沉积與蚀刻装备商機。
五巨擘把控的半导體前道装备市場
固然2020年全世界跨越8成装备销往东亚地域,但除日本,中(大陸加台灣)韩在装备業上影响力都不大。全世界前五泰半导體前道(即晶圆制造,封装為後道)装备廠商利用质料(AMAT)、阿斯麦(ASML)、泛林(Lam)、东京電子(TEL)和科磊(KLA)盘踞市場份额跨越七成,此中只有东京電子总部在东亚,其余都是美欧企業。
详细来看,利用质料排名第一。其2020年营收172亿美元,此中半导體营業约占7成。利用质料在半导體装备上结构极广,此中PVD(薄膜沉积)装备全世界占比38%,CMP(研磨抛光)装备占比70%,蚀刻装备占比15%,离子注入機占比67%。
阿斯麦排名第二,2020年营收139．8亿欧元。阿斯麦是光刻機大廠,在EUV(极紫外光)光刻機上更是今朝全世界独一的供给商,得益于台积電、三星和英特尔對先辈工艺的寻求,2020年阿斯麦贩賣31台EUV光刻機,总计45亿欧元,仅這31台EUV光刻機就占其总营收32%。當前,ASML正结合供给链火伴配合研發以推動更邃密光刻加工技能,比方2020年推出多条電子束检测扫描體系,并将電子束與電子束之間的滋扰限定在了2%如下,合用于5纳米節點以上的制程。阿斯麦還與泛林和imec互助開辟干光刻胶技能,以晋升EUV解析度,并削减光刻胶用量。并结合Lasertec研發新一代EUV光罩检测技能以低落本錢,與台积電互助開辟新一代EUV光罩干净技能以低落本錢。
东京電子2020年装备贩賣额為103．7亿美元,排名第三。东京電子涂胶显影装备市場份额占全世界比例高达91%,此中EUV涂胶显影機更是独有全数市場份额,蚀刻機占全世界比例為25%,沉积装备37%,洗濯装备27%。2020年至2022年,东京電子规划投入4000亿日元研發經费,重點投入在選择性沉积、智能蚀刻、超临界流體洗濯等技能标的目的。
泛林半导體2020年营收為100．5亿美元,排名第四。泛林是全世界蚀刻装备龙頭,此中存储器制造营業占比57%,逻辑工艺占比43%,是前五大装备廠商中,独一存储器营業占比超五成的公司。如前所美白藥膏，述,泛林和阿斯麦與imec在開辟EUV干式光刻胶技能。
科磊半导體2020年营收為58．1亿美元,排名第五。科磊是全世界晶圆检测装备龙頭,市場份额约占五成以上。科磊在應力變形量测、多光束检测,也投入气力開辟小于5纳米布局的電子束缺點量测技能。
按照台灣工研院的估量,全世界關頭半导體装备在此後几年發展势頭都很是好,除DUV(深紫外)光刻装备,其余装备均呈正增加态势。此中ALD(原子层沉积)增加率最高,估计2020年至2025年時代,年均增加率到达26．3%,EUV装备增加率排名第二,年均增加率也达两位数。而以金额计EUV装备则独有鳌頭,估计2025年EUV装备贩賣额到达125．5亿美元,跨越蚀刻機,成為各细分标的目的贩賣额最高的半导體装备。
中國装备廠商任重道远
與國際廠商比拟,不管是贩賣范围上,仍是技能上,中國装备廠商差距都很大。按照電子專用装备工業协會数据,2019年國產半导體装备贩賣额為161．82亿元,只有前五大守門的科磊2019年收入(46亿美元)的一半摆布,该协會在2020年10月估算,2020年國產半导體装备贩賣额共计可达213亿元,與科磊(58亿美元)比拟,仍不足其60%。
國表里重要半导體装备公司比拟(截至2021年1月6日)
技能上,我國半导體装备根基還未介入到先辈制程(3纳米及如下)研發阶段中,今朝也尚不克不及支撑28纳米如许的准主流工艺实現天下產化,大部門國產装备廠商如今能商用的產物仍是以成熟工艺產線為主。以社會存眷度较高的光刻機為例,海内主如果上海微電子設备有限公司(简称“上海微電子”),上海微電子主流產物還只能知足90纳米、110纳米等制程的光刻工艺请求。
但也有部門范畴已介入到先辈工艺比赛中。好比中微半导體在CCP刻蚀范畴已得到台积電承認,進入其7纳米/5纳米產線;北方華創,则在ICP刻蚀装备上较為超卓,28纳米级以上刻蚀装备已实現财產化,在先辈制程方面,硅刻蚀装备已冲破14纳米技能,進入上海集成電路研發中間。
按照《中國制造2025》方针,2020年半导體焦點根本零部件、關頭根本质料應实現40%的自立率,2025年要到达70%國產化率。但按照长江存储、華力微電子等海内十家晶圆制造企業2017年至2021年一季度的公然招标信息来看,國產化率間隔方针還很远。2017至2019年,這十家美白針,廠商合计開标4197台装备,此中國產装备為431台,國產化率约為10．3%;而2020年至2021年一季度這十家晶圆廠合计開标1862台装备,此中國產装备达315台,推算今朝國產化率在17%,较2017至2019年增加跨越6個百分點。
左:2017-2019年十大晶圆廠装备國產化率
右:2020-2021年一季度十大晶圆廠装备國產化率
但國產半导體装备在曩昔几年也显現出很是踊跃的變革。在技能上,以中微半导體、北方華創和屹唐半导體等為首的企業在刻蚀、沉积、干法去胶、洗濯、离子注入等范畴已靠近國際一流廠商。在市占率上,部門產物市占率已跨越20%,對國際半导體装备廠商市園地位倡议了有力打击。
在十大晶圆廠颁布的招标信息中可以看出,2017年至2021年一季度,干法去胶装备國產化率到达45．5%,而洗濯装备(30．6%)、刻蚀装备(22．2%)、抛光装备(21．6%)國產化率均高于20%,炉管装备(14．7%)和涂胶显影装备(10．0%)均高于10%,沉积装备(8．5%)和前道检测装备(5．2%)國產化率就比力低了,仅在5%至10%之間,差距最大的是离子注入機(2．4%)、後道测试装备(1．9%)和光刻機(1．6%)。
而進入2020年今後,國產化率晋升更快。从十大晶圆廠開标数据来看,在2020至2021一季度,抛光装备、刻蚀装备、炉管装备和涂胶显影装备的國產化率均比2017至2019阶段國產化率增加跨越两位数。
从全世界半导體装备業成长趋向来看,跟着半导體工艺靠近物理极限,開辟新一代装备愈来愈难。以EUV光刻機為例,早在上世纪九十年月就立項,全世界四十多個國度近200個钻研機构(欧洲進献了100多個)介入此中,从根本钻研、技能攻關到體系集成,全部研發體系投入跨越千亿人民币,跨越我國曩昔十年装备業总收入。
中微半导體董事长尹志尧在接管媒體采访時也暗示,半导體已進入原子级加工程度,在這個精度长進行半导體器件制造,必要调集50多個學科的常识與技能。他指出,等离子體刻蚀已刻出人頭發丝直径几千分之一到上万分之一的细孔,孔直径的正确度、平均性和反复性已可到达頭發丝的几万到十万分之一。一台刻蚀機每一年加工跨越百千万亿個又细又深的接触孔,几近百分之百的孔要被彻底打開。
半导體装备不但要能实現很是邃密的加工,最首要的是平均性、不乱性、反复性、靠得住性和干净性。只要做到這些,才能知足芯片及格率這個晶圆制造的焦點诉求。要包管可以接管的及格率(比方90%),就请求每一個加工制造環節都有极高的及格率,由于今朝先辈制程芯片必要1000個工艺步调,若是每步及格率為99．9%,则1000個步美國黑金,调後终极及格率只有36．77%。
而作為現代智能制造的代表,全世界信息化财產的底层支持,芯片制造很少给新装备廠商试错機遇。历經千辛万苦開辟出样機只完成為了開產生產装备的一小部門,要说服晶圆制造廠商冒着及格率與產能降低的危害帮手试車才是更难的部門,尹志尧暗示,样機做出来,客户愿意共同,還要經由過程最少80多個严苛测试項目,才能终极到达晶圆廠的请求。
从國際廠商成长汗青履历来看,装备業要站稳市場,来不得半點冒進,必定要做好持久研發投入,夯实技能根本。如尹志尧说,半导體装备必要50個學科协同,难度不亚于两弹一星。“半导體工業關頭焦點零部件之一的磁悬浮份子泵,在國際上只有两三家能做,每件事變都必要持久的技能堆集。”
得益于全世界化,半导體财產才成长到現在的范围,但自特朗普當局上台以後,美國以半导體财產為兵器,對中國策動科技战,已紧张影响了全世界電子信息财產以前創建的供给链互信機制。作為全世界最首要的電子信息财產制造基地,打造不受地缘政治影响的新型半导體供给链相當首要,而每當一項技能真正实現真实的市場冲破(比方市占率到达20%),《瓦森纳协议》中的對應限定項目也就落空了意义。當前,装备國產化率可否有用晋升,已成為全世界電子信息财產可否良性成长的關頭身分。中國在晶圆制造上的快速扩大,為國產半导體装备廠商供给了广漠的市場空間與试错機遇,對國產半导體装备廠商而言,這是极佳的汗青機會。
参考資料:
1．来世代半导體先辈制造装备市場與技能成长趋向 台灣工研院 张雯琪
2．工欲善其事必先利其器,國產替换正那時 德邦证券 冯俊
3．半导體装备中标:缺芯布景下,國產装备迎来验证收成期 德邦证券 倪正洋
4．“难度不亚于两弹一星”,國產半导體装备業面對多項挑战 第一财經 来莎莎 邱智丽
5．挽救摩尔定律:一文讲授GAA芯片技能 IT之家 汐元
半导體先辈制造装备晶圆工艺半导體系體例造
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