半導體先進制造設備發(fā)展趨勢與設備自主化狀況漫談

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2022-03-17 08:19:23 5

半導體已經(jīng)進入原子級加工水平，在這個精度上進行半導體器件制造，需要集合50多個學科的知識與技術。而且，加工精度只是一個維度，良率對半導體制造生死攸關，因此均勻性、穩(wěn)定性、重復性、可靠性和潔凈性都很重要，先進半導體加工環(huán)節(jié)超過1000個，哪個環(huán)節(jié)出了問題，都難以制造出符合產(chǎn)品性能與良率要求的芯片。

根據(jù)市場研究機構SEMI的統(tǒng)計，2020年中國大陸*成為全球最大半導體設備區(qū)域市場，銷售額年增39%，達到187.2億美元；中國臺灣排名第二，2020年設備商在臺灣地區(qū)銷售額達到171.5億美元；韓國排名第三，銷售額年增61%至160.8億美元；日本排名第四，銷售額也有75.8億美元。東亞地區(qū)成為全球半導體軍備競賽高地，2020年合計砸出595.3億美元，占當年全球半導體設備支出總額（712億美元）比例高達83.6%。（溫馨提示：半導體設備相關資料可至后臺回復【半導體設備】領取）

由于地緣政治對于半導體供應鏈影響加劇，2021年各區(qū)域市場對半導體產(chǎn)能投資競爭白熱化。臺積電和三星均將2021年在半導體上的資本支出計劃調至300億美元以上，兩家在先進工藝量產(chǎn)進度上拼死相爭，都預計2022年量產(chǎn)3納米工藝，而在美國政府召喚下，臺積電和三星也將赴美設廠。毫無疑問，2021年又將是半導體設備廠商的一個豐收年，而中國大陸由于受到相關限制，無法購買高端EUV光刻機等設備，恐難守住最大設備市場寶座。

在臺灣工業(yè)技術研究院（以下簡稱臺灣工研院）看來，不同區(qū)域市場對半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標不同：作為全球最大半導體應用市場，中國大陸在供應鏈安全受到威脅的背景下，無疑更希望加快技術追趕，以緩解在制造、設備與材料等關鍵環(huán)節(jié)受控于人的現(xiàn)狀；而美國作為全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈主導者，將繼續(xù)加強高端芯片制造設備對中國大陸的出口管制，美國也將出臺新政以應對近年來美國晶圓制造能力下降的局面；作為全球晶圓制造密度最高的兩個地區(qū)，中國臺灣與韓國將有希望繼續(xù)引領晶圓制造工藝發(fā)展趨勢，這兩個區(qū)域也將借助強大的制造能力，改善上游的材料與設備自主狀況。

先進工藝發(fā)展方向

在28納米之后，平面晶體管工藝達到極限，F(xiàn)inFET（鰭式晶體管）延續(xù)了摩爾定律，將工藝節(jié)點推進到現(xiàn)在的10納米以下。不過FinFET路線也已經(jīng)接近極限，三星將在3納米工藝上率先采用GAA（全環(huán)繞柵極）結構，臺積電則在3納米節(jié)點繼續(xù)FinFET結構，到2納米節(jié)點再采用GAA結構。臺灣工研院認為，英特爾在晶圓制造上遇到了麻煩，7納米工藝（注：三家對工藝尺寸定義各有區(qū)別，不適合直接拿數(shù)字對比）或將延至2023年才能量產(chǎn)，預計英特爾在5納米節(jié)點也將改為GAA架構。

資料來源：臺灣工業(yè)技術研究院

GAA 全稱 Gate-All-Around ，是一種環(huán)繞式柵極技術晶體管，也叫做 GAAFET。其概念提出很早，比利時 IMEC Cor Claeys 博士及其研究團隊于 1990 年發(fā)表文章中提出。GAAFET 相當于 3D FinFET 的改良版，這項技術下的晶體管結構又變了，柵極和漏極不再是鰭片的樣子，而是變成了一根根 “小棍子”，垂直穿過柵極，這樣，柵極就能實現(xiàn)對源極、漏極的四面包裹。

資料來源：臺灣工業(yè)技術研究院

對比FinFET，原來源極漏極半導體是鰭片（Fin），而現(xiàn)在柵極變成了鰭片。所以 GAAFET 和 3D FinFET 在實現(xiàn)原理和思路上有很多相似的地方——這對晶圓廠而言是很大優(yōu)勢。從三接觸面到四接觸面，并且還被拆分成好幾個四接觸面，顯然柵極對電流的控制力又進一步提高了。

相比FinFET工藝，GAA結構具備更大的柵極接觸面積，從而提升了晶體管對導電通道的控制能力，并顯著改善電容等寄生參數(shù)，因而可以降低工作電壓，減少漏電流，降低功耗與工作溫度，從而有利于提高集成度，以繼續(xù)延續(xù)摩爾定律。

由于新的結構所需的生產(chǎn)工藝與鰭式晶體管相似，關鍵工藝步驟幾乎一樣，可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的設備以及技術成果，對臺積電和三星而言，這無疑是代價最低的技術路線更換方案。但GAA對加工精度要求進一步提高，需要區(qū)域選擇性沉積技術與原子級加工能力，因而材料工程重要性提升，也將帶動更多沉積與蝕刻設備商機。

五巨頭把控的半導體前道設備市場

雖然2020年全球超過8成設備銷往東亞地區(qū)，但除了日本，中（大陸加臺灣）韓在設備業(yè)上影響力都不大。全球前五大半導體前道（即晶圓制造，封裝為后道）設備廠商應用材料（AMAT）、阿斯麥（ASML）、泛林（Lam）、東京電子（TEL）和科磊（KLA）占據(jù)市場份額超過七成，其中只有東京電子總部在東亞，其余都是美歐企業(yè)。

資料來源：臺灣工業(yè)技術研究院

具體來看，應用材料排名*。其2020年營收172億美元，其中半導體業(yè)務約占7成。應用材料在半導體設備上布局極廣，其中PVD（薄膜沉積）設備全球占比38%，CMP（研磨拋光）設備占比70%，蝕刻設備占比15%，離子注入機占比67%。

阿斯麥排名第二，2020年營收139.8億歐元。阿斯麥是光刻機大廠，在EUV（極紫外光）光刻機上更是目前全球*的供應商，得益于臺積電、三星和英特爾對先進工藝的追求，2020年阿斯麥銷售31臺EUV光刻機，共計45億歐元，僅這31臺EUV光刻機就占其總營收32%。當前，ASML正聯(lián)合供應鏈伙伴共同研發(fā)以推進更精細光刻加工技術，例如2020年推出多條電子束檢測掃描系統(tǒng)，并將電子束與電子束之間的干擾限制在了2%以下，適用于5納米節(jié)點以上的制程。阿斯麥還與泛林和imec合作開發(fā)干光刻膠技術，以提升EUV解析度，并減少光刻膠用量。并聯(lián)合Lasertec研發(fā)新一代EUV光罩檢測技術以降低成本，與臺積電合作開發(fā)新一代EUV光罩潔凈技術以降低成本。

東京電子2020年設備銷售額為103.7億美元，排名第三。東京電子涂膠顯影設備市場份額占全球比例高達91%，其中EUV涂膠顯影機更是獨占全部市場份額，蝕刻機占全球比例為25%，沉積設備37%，清洗設備27%。2020年至2022年，東京電子計劃投入4000億日元研發(fā)經(jīng)費，重點投入在選擇性沉積、智能蝕刻、超臨界流體清洗等技術方向。

泛林半導體2020年營收為100.5億美元，排名第四。泛林是全球蝕刻設備龍頭，其中存儲器制造業(yè)務占比57%，邏輯工藝占比43%，是前五大設備廠商中，*存儲器業(yè)務占比超五成的公司。如前所述，泛林和阿斯麥與imec在開發(fā)EUV干式光刻膠技術。

科磊半導體2020年營收為58.1億美元，排名第五。科磊是全球晶圓檢測設備龍頭，市場份額約占五成以上。科磊在應力變形量測、多光束檢測，也投入力量開發(fā)小于5納米結構的電子束缺陷量測技術。

資料來源：臺灣工業(yè)技術研究院

根據(jù)臺灣工研院的估計，全球關鍵半導體設備在今后幾年成長勢頭都非常好，除了DUV（深紫外）光刻設備，其余設備均呈正增長態(tài)勢。其中ALD（原子層沉積）增長率最高，預計2020年至2025年期間，年均增長率達到26.3%，EUV設備增長率排名第二，年均增長率也達兩位數(shù)。而以金額計EUV設備則獨占鰲頭，預計2025年EUV設備銷售額達到125.5億美元，超過蝕刻機，成為各細分方向銷售額最高的半導體設備。

資料來源：臺灣工業(yè)技術研究院

中國設備廠商任重道遠

與國際廠商相比，無論是銷售規(guī)模上，還是技術上，中國設備廠商差距都很大。根據(jù)電子專用設備工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2019年國產(chǎn)半導體設備銷售額為161.82億元，只有前五大守門的科磊2019年收入（46億美元）的一半左右，該協(xié)會在2020年10月估算，2020年國產(chǎn)半導體設備銷售額總計可達213億元，與科磊（58億美元）相比，仍不足其60%。

國內外主要半導體設備公司對比（截至2021年1月6日）

資料來源：德邦證券

技術上，我國半導體設備基本還未參與到先進制程（3納米及以下）研發(fā)階段中，目前也尚不能支持28納米這樣的準主流工藝實現(xiàn)全國產(chǎn)化，大部分國產(chǎn)設備廠商現(xiàn)在能商用的產(chǎn)品還是以成熟工藝產(chǎn)線為主。以社會關注度較高的光刻機為例，國內主要是上海微電子裝備有限公司（簡稱“上海微電子”），上海微電子主流產(chǎn)品還只能滿足90納米、110納米等制程的光刻工藝要求。

但也有部分領域已經(jīng)參與到先進工藝競賽中。比如中微半導體在CCP刻蝕領域已經(jīng)獲得臺積電認可，進入其7納米/5納米產(chǎn)線；北方華創(chuàng)，則在ICP刻蝕設備上較為*，28納米級以上刻蝕設備已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在先進制程方面，硅刻蝕設備已經(jīng)突破14納米技術，進入上海集成電路研發(fā)中心。

根據(jù)《中國制造2025》目標，2020年半導體核心基礎零部件、關鍵基礎材料應實現(xiàn)40％的自主率，2025年要達到70％國產(chǎn)化率。但根據(jù)長江存儲、華力微電子等國內十家晶圓制造企業(yè)2017年至2021年一季度的公開招標信息來看，國產(chǎn)化率距離目標還很遠。2017至2019年，這十家廠商合計開標4197臺設備，其中國產(chǎn)設備為431臺，國產(chǎn)化率約為10.3%；而2020年至2021年一季度這十家晶圓廠合計開標1862臺設備，其中國產(chǎn)設備達315臺，推算目前國產(chǎn)化率在17%，較2017至2019年增長超過6個百分點。

左：2017-2019年十大晶圓廠設備國產(chǎn)化率

右：2020-2021年一季度十大晶圓廠設備國產(chǎn)化率

資料來源：德邦證券

但國產(chǎn)半導體設備在過去幾年也呈現(xiàn)出非常積極的變化。在技術上，以中微半導體、北方華創(chuàng)和屹唐半導體等為首的企業(yè)在刻蝕、沉積、干法去膠、清洗、離子注入等領域已經(jīng)接近國際*廠商。在市占率上，部分產(chǎn)品市占率已經(jīng)超過20%，對國際半導體設備廠商市場地位發(fā)起了有力沖擊。

在十大晶圓廠公布的招標信息中可以看出，2017年至2021年一季度，干法去膠設備國產(chǎn)化率達到45.5%，而清洗設備（30.6%）、刻蝕設備（22.2%）、拋光設備（21.6%）國產(chǎn)化率均高于20%，爐管設備（14.7%）和涂膠顯影設備（10.0%）均高于10%，沉積設備（8.5%）和前道檢測設備（5.2%）國產(chǎn)化率就比較低了，僅在5%至10%之間，差距最大的是離子注入機（2.4%）、后道測試設備（1.9%）和光刻機（1.6%）。

而進入2020年以后，國產(chǎn)化率提升更快。從十大晶圓廠開標數(shù)據(jù)來看，在2020至2021一季度，拋光設備、刻蝕設備、爐管設備和涂膠顯影設備的國產(chǎn)化率均比2017至2019階段國產(chǎn)化率增長超過兩位數(shù)。

從全球半導體設備業(yè)發(fā)展趨勢來看，隨著半導體工藝接近物理極限，開發(fā)新一代設備越來越難。以EUV光刻機為例，早在上世紀九十年代就立項，全球四十多個*近200個研究機構（歐洲貢獻了100多個）參與其中，從基礎研究、技術攻關到系統(tǒng)集成，整個研發(fā)系統(tǒng)投入超過千億人民幣，超過我國過去十年設備業(yè)總收入。

中微半導體董事長尹志堯在接受媒體采訪時也表示，半導體已經(jīng)進入原子級加工水平，在這個精度上進行半導體器件制造，需要集合50多個學科的知識與技術。他指出，等離子體刻蝕已刻出人頭發(fā)絲直徑幾千分之一到上萬分之一的細孔，孔直徑的準確度、均勻性和重復性已可達到頭發(fā)絲的幾萬到十萬分之一。一臺刻蝕機每年加工超過百萬萬億個又細又深的接觸孔，幾乎百分之百的孔要被完全打開。

半導體設備不僅要能實現(xiàn)非常精細的加工，最重要的是均勻性、穩(wěn)定性、重復性、可靠性和潔凈性。只要做到這些，才能滿足芯片合格率這個晶圓制造的核心訴求。要保證可以接受的合格率（例如90%），就要求每個加工制造環(huán)節(jié)都有極高的合格率，因為目前先進制程芯片需要1000個工藝步驟，如果每一步合格率為99.9%，則1000個步驟后最終合格率只有36.77%。

而作為現(xiàn)代智能制造的代表，全球信息化產(chǎn)業(yè)的底層支撐，芯片制造很少給新設備廠商試錯機會。歷經(jīng)千辛萬苦開發(fā)出樣機只完成了開發(fā)生產(chǎn)設備的一小部分，要說服晶圓制造廠商冒著合格率與產(chǎn)能下降的風險幫忙試車才是更難的部分，尹志堯表示，樣機做出來，客戶愿意配合，還要通過至少80多個嚴苛測試項目，才能最終達到晶圓廠的要求。

從國際廠商發(fā)展歷史經(jīng)驗來看，設備業(yè)要站穩(wěn)市場，來不得半點冒進，一定要做好長期研發(fā)投入，夯實技術基礎。如尹志堯說，半導體設備需要50個學科協(xié)同，難度不亞于兩彈一星。“半導體工業(yè)關鍵核心零部件之一的磁懸浮分子泵，在國際上只有兩三家能做，每一件事情都需要長期的技術積累。”

得益于全球化，半導體產(chǎn)業(yè)才發(fā)展到如今的規(guī)模，但自特朗普政府上臺之后，美國以半導體產(chǎn)業(yè)為武器，對中國發(fā)動科技戰(zhàn)，已經(jīng)嚴重影響了全球電子信息產(chǎn)業(yè)之前建立的供應鏈互信機制。作為全球最重要的電子信息產(chǎn)業(yè)制造基地，打造不受地緣政治影響的新型半導體供應鏈至關重要，而每當一項技術真正實現(xiàn)真正的市場突破（例如市占率達到20%），《瓦森納協(xié)定》中的對應限制項目也就失去了意義。當前，設備國產(chǎn)化率能否有效提升，已經(jīng)成為全球電子信息產(chǎn)業(yè)能否良性發(fā)展的關鍵因素。中國在晶圓制造上的快速擴張，為國產(chǎn)半導體設備廠商提供了廣闊的市場空間與試錯機會，對國產(chǎn)半導體設備廠商而言，這是*的歷史機遇。

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