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2020年全球及中國半導體設備行業市場規模、投資規模及行業發展機遇分析[圖]

2020年04月20日 13:31:19字號:T|T

    一、全球市場:2020年全球半導體設備市場有望回暖

    1、2018-2019年存儲器供過于求投資削減致使設備市場遇冷

    半導體設備指半導體產品在制造和封測環節所要用到的所有機器設備,廣義上也包括生產半導體原材料所需的機器設備。主要有:光刻機、刻蝕機、薄膜沉積設備、離子注入機、測試機、分選機、探針臺等。根據半導體行業內“一代設備,一代工藝,一代產品”的經驗,半導體產品制造要超前電子系統開發新一代工藝,而半導體設備要超前半導體產品制造開發新一代產品。因此半導體設備行業是半導體芯片制造的基石,擎起了整個現代電子信息產業,是半導體行業的基礎和核心。

    根據國際貨幣基金組織測算,每1美元半導體芯片的產值可帶動相關電子信息產業10美元產值,并帶來100美元的GDP,這種價值鏈的放大效應奠定了半導體行業在國民經濟中的重要地位。半導體與信息安全的發展進程息息相關,世界各國政府都將其視為國家的骨干產業,半導體產業的發展水平逐漸成為了國家綜合實力的象征。

半導體設備支撐10倍大的芯片制造產業,對信息產業有成百上千倍的放大作用

數據來源:公開資料整理

    隨著半導體行業的迅速發展,半導體產品的加工面積成倍縮小,復雜程度與日俱增,生產半導體產品所需的制造設備需要綜合運用光學、物理、化學等科學技術,具有技術壁壘高、制造難度大及研發投入高等特點。半導體設備價值普遍較高,一條制造先進半導體產品的生產線投資中設備價值約占總投資規模的75%以上,半導體產業的發展衍生出巨大的設備需求市場。

    智研咨詢發布的《2020-2026年中國半導體行業發展現狀調查及投資發展潛力報告》顯示:受資本開支削減影響,2019年全球半導體設備市場銷售額同比下降10.8%。2019年全球半導體設備市場規模為576億美元,受資本開支削減的影響,較2018年646億美元下降10.8%。其中,中國臺灣地區半導體設備市場規模156億美元,占比27.0%,超越韓國成為全球最大的半導體設備市場;中國大陸市場規模129億美元,占比22.4%,連續兩年位居第二;韓國市場規模105億美元,占比18.3%,因縮減資本支出下滑至第三。北美、日本、歐洲則分別以78、60、22億美元的市場規模位居榜后。

2012-2021年全球半導體設備市場規模及增長情況(億美元)

數據來源:公開資料整理

2019年全球半導體設備市場中國臺灣居首(億美元)

數據來源:公開資料整理

    中國臺灣半導體設備市場規模同比大增53.3%,韓國大幅萎縮40.6%,中國基本持平。2019年,中國臺灣半導體設備市場銷售額同比增長53.3%,北美增長率其次,達33.4%;除中國臺灣與北美外,全球其他地區市場規模都有不同程度的萎縮,其中韓國降幅最大,約40.6%,中國大陸微降1.5%。2017年,全球半導體市場受到智能手機及數據中心用存儲器需求的拉動,實現了罕見的高增長,存儲器廠商也不斷增加投資以擴大產能;2018年下半年開始,全球存儲器的供給量增加,智能手機和數據中心的半導體需求低迷,供過于求逐漸明顯,各廠商開始調整增產計劃。隨著三星、SK等放緩投資,推遲產能擴充計劃,2019年韓國半導體設備市場出現了較大幅度的下滑。受存儲器市場放緩、貿易緊張等多種因素影響,SK、SMIC以及UMC等晶圓廠都放緩了在中國大陸市場的投資支出,導致2019年中國大陸設備市場小幅下滑。中國臺灣代工廠受先進制造的拉動,在7nm、5nm及3nm等先進制程的資本支出加大,設備市場規模出現較大幅度增長,躍居至第一位。

    近5年半導體設備市場的增長主要由中國大陸、中國臺灣以及韓國驅動。20142019年,全球半導體設備市場規模的CAGR為9.0%,其中中國大陸、中國臺灣以及韓國半導體設備市場規模的CAGR依次為24.2%、10.6%以及9.0%,是驅動全球增長的主要動力。

2014-2019年半導體設備市場的增長主要由中國大陸、中國臺灣及韓國驅動

數據來源:公開資料整理

    在整個半導體制造流程中,晶圓制造所使用的前道設備占比超過80%。半導體制造流程包括硅片制造、晶圓制造、封裝測試三個主要環節, 2018年晶圓制造設備占比最高約81.5%、檢測設備占8.3%、封裝設備占6.0%、硅片制造及其他設備(如掩膜制造設備)占4.2%。

前道設備占半導體制造設備比例超過80%(2018年)

數據來源:公開資料整理

    全球半導體設備市場在2020年將逐漸回暖,并于2021年再創歷史新高。自2019年10月至今,北美半導體設備出貨額已連續4個月同比正增長,2020年1月實現增長22.9%,給出了半導體產業回暖的信號。此外,作為全球半導體設備主要供應地之一的日本,其半導體設備的進出口狀況頗具代表性,2019年12月,日本半導體設備的出口額激增26%,為全球半導體需求的好轉再添佐證。預計,2020年全球半導體設備銷售額將同比增加5.5%,達到608億美元;且此成長態勢可望延續至2021年,創下668億美元的歷史新高。還預計,2020年中國臺灣將維持全球第一大設備市場的位置,銷售金額將達154億美元,中國大陸以149億美元居次,韓國則以103億美元排名第三;展望2021年,中國大陸將以160億美元的銷售額躍升至全球第一大設備市場。

2020/01北美半導體設備出貨額同比增長22.9%

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    存儲器廠及代工廠增加資本支出是拉動半導體設備市場規模增長的直接因素,5G、AI、IoT、云計算以及汽車電子等新興領域對半導體產品的需求才是本質原因。全球半導體巨頭三星電子、臺積電、英特爾一致調高2020年的資本支出力度。臺積電表示將2020年資本開支計劃由原訂的110億美元上調至150-160億美元;三星電子將在未來十年中投入1160億美元推動其在邏輯芯片制造領域的擴張;英特爾將2020年的資本支出設定為170億美元(+4.9%),不僅要增加現有14/10nm工藝的產能,還要使用一半以上的支出對下一代7/5nm工藝進行投資。三大半導體巨頭增加資本支出固然是拉動半導體設備產業增長的直接因素,深層次的原因則是5G、AI、IoT、云計算以及汽車電子等新興領域的崛起對先進工藝半導體產品產生了需求。

2020-2021年半導體設備市場規模預期增加

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    2、競爭格局高度集中市場由海外廠商主導

    全球半導體設備產業高度集中,且“大者愈大”趨勢明顯。2019年,全球半導體制造設備市場規模576億美元,其中前五大半導體設備廠合計實現銷售收入456億美元,市占率高達79.3%,前十大半導體設備廠合計實現銷售收入544億元,市占率達94.4%。國際半導體企業歷經50年的發展,由全盛時期的數百家,通過并購整合等措施縮減至目前的數十家,細分領域的壟斷程度越來越高,形成“大者愈大”的局面。

    全球主要半導體設備制造商主要集中在美國、日本、荷蘭等國。從企業分布來看,全球知名的半導體設備制造商主要集中在美國、日本、荷蘭等國家;從企業主要的半導體設備產品看,美國主要控制等離子刻蝕設備、離子注入機、薄膜沉積設備、掩膜版制造設備、檢測設備、測試設備、表面處理設備等,日本則主要控制光刻機、刻蝕設備、單晶圓沉積設備、晶圓清洗設備、涂膠機/顯影機、退火設備、檢測設備、測試設備、氧化設備等,而荷蘭則是憑借ASML的高端光刻機在全球處于領先地位。從半導體設備大廠2019年銷售排名來看,應用材料(AppliedMaterials)憑借其沉積、刻蝕、離子注入以及CMP等多領域的技術優勢繼續保持領先;而阿斯麥(ASML)則依靠其在光刻設備領域的絕對領先優勢,尤其是EUV設備,重回第二名;國內生產線已成為日本制造商的大客戶,東京電子(TokyoElectron)憑借其在沉積、刻蝕以及勻膠顯影設備等領域的競爭力,排名第三;泛林半導體(LamResearch)憑借其刻蝕、沉積以及清洗設備的表現,排名第四;科磊(KLA)依靠其檢測、量測設備排名第五。

全球半導體設備市場由海外廠商主導(收入TOP10廠商排名,百萬美元)

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    保持創新能力、持續研發投入、擇機外延并購以及全球范圍整合優質資源,是國際主流半導體設備廠商保持競爭力的主要手段。縱觀國際半導體設備產業的發展可以看出,國際主流半導體設備廠商保持其強者地位的主要途徑有以下幾點:1)大比例研發投入,持續創新。隨著摩爾定律演進,半導體制造工藝節點對設備行業更新換代和技術進步不斷提出更高的要求。設備廠商需要持續大比例的研發投入,推動創新以保持技術領先,從而確保其在設備產業的競爭力;2)并購整合,加速企業發展。并購整合在半導體設備產業中的表現日趨突出,也是各大設備廠商得以實現快速成長、提升競爭力的重要手段;3)非核心業務外包,整合全球優質資源。將非核心業務外包給在領域或環節中具有更專業技能的獨立廠商,只保留核心價值創造活動的經營模式已成為一種趨勢。

    二、中國市場:市場規模全球第二本土企業崛起可期

    1、市場規模近千億自給能力有限

    中國大陸的半導體設備需求量大,但自給率低。2010年以來,中國半導體制造的規模發展迅猛,對設備的需求不斷增長,但本土設備配套能力不足的弊端也日益突出。2018年,中國半導體設備需求激增,同比增長58.9%,超過全球設備產業增長速度的4倍;2019年,在整個半導體產業萎縮,全球半導體設備銷售額下降10.8%的大背景下,中國半導體設備市場需求仍然基本持平。2018年國產半導體設備企業實現銷售額109億元,自給率僅約13%。

2012-2021年中國半導體設備需求量增長迅猛(億美元)

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2013-2018年國產半導體設備自給率低(億元)

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    2、中國各類設備市場規模預測:硅片、晶圓產能興建將拉動設備市場增長

    半導體制造流程主要包括硅片制造、晶圓制造、封裝測試三個主要環節,在成熟市場中,晶圓制造設備占比約80%,檢測、封裝、硅片制造及其他(如掩膜制造)設備占比依次約為8%、6%、3%以及3%。

硅片制造設備
是指將半導體級硅制造成一定直徑和長度的單晶硅棒材,再經過一系列的機械加工、化學處理等工藝流程,制造成具有一定幾何精度要求和表面質量要求的硅片/外延硅片,為晶圓制造提供所需襯底的設備,主要包括單晶爐、切割機、磨片機、刻蝕機、拋光機、清洗機以及檢測設備等。
晶圓制造設備
是指在硅片上加工制作各種電路元件結構,使之最終形成具有特定電性功能所用到的設備,主要包括光刻機、刻蝕機、薄膜沉積設備、離子注入設備、熱處理設備、清洗機、拋光機以及檢測設備等。
封裝設備
是指將晶圓裸片裝配為芯片過程中所使用到的設備,包括晶圓減薄機、切割機、黏片機、引線鍵合機等設備。
測試設備
是指在整個生產過程中或幾道關鍵工序后,對硅片或晶圓的質量、性能進行量檢測的設備,主要包括厚度儀、顆粒檢測儀、硅片分選儀以及ATE等。

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IC制造產業鏈中硅片制造/芯片制造/封裝測試環節均用到相關設備

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    1)、硅片制造設備:受益大硅片產能建設

    預計硅片缺貨2021年才能緩解,全球對12英寸硅片的需求強勁。2018年,全球硅片出貨量達127億平方英尺,2019H1實現出貨量60億平方英尺。受益于近年來智能手機、IoT、人工智能等產業的快速發展,各類集成電路產品需求不斷增長,上游硅片材料的市場需求也隨之增加。2013-2018年,全球硅片出貨量穩定增長,CAGR約為7.0%。2019H1,受半導體行業整體景氣度不佳的影響,全球硅片出貨量下降3.4%。全球硅片生產廠商集中度高,TOP5廠商(日本信越、日本SUMCO、中國臺灣GlobalWafer、德國Siltronic和韓國LGSiltron)占據硅片市場94%的份額,在12英寸硅片領域的份額更是高達97.8%。當前8英寸及12英寸是硅片的主流尺寸,按出貨面積,兩者分別占據總出貨面積的26.34%及63.31%,合計近90%。預計半導體硅片的缺貨情況要到2021年才能緩解,其中12英寸硅片的需求最為強勁。

2014-2019年全球硅片出貨量穩定增長(億平方英尺)

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全球硅片生產廠商集中度高

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    為改變我國大硅片嚴重依賴進口的形勢,多項8英寸/12英寸硅片項目正在啟動中,必將帶動國內硅片制造設備生廠商的快速發展。我國硅片產能集中在6英寸及以下,4-6英寸硅片基本可以滿足需求,大硅片的生產牢牢掌控在海外廠家手中,目前12英寸硅片幾乎全部依靠進口。隨著國內晶圓廠的陸續建成,大硅片的緊缺情況將更加明顯。為彌補半導體硅片的供應缺口,降低進口依賴程度,我國正積極邁向8英寸與12英寸硅片生產,多項重大投資正在啟動中。截至2019H1宣布的12英寸硅片建設項目多達20個,總投資金額超過1400億,規劃產能至2023年前后將達650萬片/月,若加上天芯硅片、中芯環球、濟南項目,規劃產能將達800萬片/月,約是2018年全球需求的2倍。隨著大硅片項目投資的持續推進,國產硅片制造設備廠商必將迎來快速發展的機遇。

中國大陸興建8/12英寸大硅片項目

項目名稱
總投資額(億元)
8英寸(萬片/月)
12英寸(萬片/月)
上海新昇
68
-
60
超硅上海
100
-
30
超硅重慶
50
50
5
超硅成都
50
-
50
天津領先
-
30
2
中環領先無錫一期
100
75
15
中環領先無錫二期
100
-
35
金瑞泓
-
12
金瑞泓衢州
50
40
10
金瑞泓微電子
83
-
30
有研德州
80
23
30
杭州中芯
60
35
20
寧夏銀和一期
31
15
寧夏銀和二期
60
35
20
合晶鄭州
57
20
20
安徽易芯
30
-
15
奕斯偉西安
110
-
50
四川經略
50
10
40
啟世半導體
200
-
120
中晶嘉興
110
-
100
睿芯晶
20
-
10
合計
1409
345
662

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    預計2019-2020年,國內將新增硅片制造設備市場規模95(保守)/399(樂觀)/247(中性)億元。截至2018年底,中國12英寸晶圓制造廠裝機產能60萬片/月,8英寸晶圓晶制造廠裝機產能90萬片/月。預計2020年8英寸、12英寸硅片需求分別可達96.5萬片/月、105萬片/月;供給方面,預計2020年8英寸、12英寸硅片新增產能分別可達168萬片/月(其中23萬片在2018年建成)、145萬片/月,若國內大硅片產能建設計劃順利推進,2020年國內8英寸12英寸硅片產能將覆蓋國內需求。以滿足2020年對大硅片的需求量為保守預測標準,以截至2020年的新建產能作為樂觀預測標準(若硅片項目進展順利,2020年供給足以覆蓋需求,因此將其作為樂觀預測標準),以二者的均值作為中性預測,則2019-2020年國內將新增硅片制造設備市場規模95(保守)/399(樂觀)/247(中性)億元。硅片制造設備總市場規模、各類型設備的細分市場規模計算過程如下。

測算2019-2020年國內將新增硅片制造設備市場規模95(保守)/399(樂觀)/247(中性)億元

硅片類型
項目
2018
2020(保守)
2020(樂觀)
2020(中性)
12英寸
產能需求(萬片)
60
105
-
-
新建產能(萬片)
-
45
145
良品率
-
60%
60%
-
每萬片設備投資額(億元)
-
1.2
1.2
新增市場規模(億元)
-
90
290
190
8英寸
產能需求(萬片)
90
96.5
-
-
新建產能(萬片)
-
6.5
145
良品率
-
80%
80%
-
每萬片設備投資額(億元)
-
0.6
0.6
新增市場規模(億元)
-
5
109
57
合計
新增市場規模(億元)
-
95
399
247

 

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    注:1)因計算區間為2019-2020年,8寸線23萬片在2018年已建成,從“新建產能”中扣除;2)2020(樂觀)預計結果357億元非12英寸與8英寸市場規模之和,是因后兩者取四舍五入數值所致

各類型硅片制造設備新增需求占比測算

數據來源:公開資料整理

2019-2020年各類型硅片制造設備新增市場規模測算

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    2.)、半導體晶圓制造設備市場規模及投資規模分析預測

    預計,2017-2020年間全球投產的半導體晶圓廠為62座,其中26座設于中國,占全球總數42%。近年來全球各大集成電路企業,如英特爾、三星、格羅方德、IBM等已陸續在中國大陸建設工廠向中國轉移產能;中芯國際、長江存儲旗下武漢新芯、臺積電、晉華集成等都已在內地多個城市布局12寸晶圓廠。預計到2018-2021年中國大陸12寸半導體設備的市場空間約為6000億元(1130+2026+2853,測算過程如圖9-圖10),如考慮大陸12寸晶圓廠開工、投產時間及進度和每年投產的產線所對應的投資總額(設備投資總額分為三部分計入未來三年的實際投資額中,當年20%、第二年40%、第三年40%),經過測算預測2018年中國大陸晶圓投資空間為1130億元,同比增長60%,2019年為2026億元,同比增長78.8%,2020年為2853億元,同比增40%。依上預測2020年廠務端對應潔凈系統市場空間約為85億,設備端對應潔凈系統空間為約37億,合計國內半導體領域組件設備市場空間約為122億元。

集成電路晶圓制造投資比例估測

數據來源:公開資料整理

集成電路晶圓制造設備投資比例估測

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集成電路晶圓制造廠房投資比例估測

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    2017-2020年中國大陸大舉興建晶圓廠,多條產線將陸續進入設備采購高峰期。2017-2020年全球將有62座新晶圓廠投產,其中將有26座新晶圓廠座落中國,占比達到42%。一條新建產線最大的資本支出來自于半導體設備,資本支出占比高達80%,而廠房建設占比僅20%。未來兩年,大陸存儲器/晶圓廠產線將陸續進入設備采購高峰期,本土晶圓制造設備廠商迎來加速獲取訂單的重要時期。

中國大陸FAB廠興建多條晶圓生產線

狀態
項目名稱
晶圓尺寸
產能(千片/月)
投資
投產
SK海力士半導體(中國)有限公司
12英寸
80
86億美元
中芯國際集成電路制造(天津)有限公司二期
8英寸
100
15億美元
在建
中芯南方集成電路制造有限公司
12英寸
35
102.4億美元
華虹半導體(無錫)有限公司一期
12英寸
40
25億美元
三星(中國)半導體有限公司二期一階段
12英寸
80
70億美元
廣州粵芯半導體技術有限公司
12英寸
40
70億元
上海積塔半導體有限公司
12英寸
50
359億美元
上海積塔半導體有限公司
8英寸
60
-
上海積塔半導體有限公司(碳化硅)
6英寸
-
江蘇時代芯存半導體有限公司
12英寸
10
43億元
重慶萬國半導體科技有限公司
12英寸
20
塞萊克斯微系統科技(北京)有限公司
8英寸
30
中芯集成電路制造(紹興)有限公司
8英寸
-
58.8億元
海辰半導體(無錫)有限公司
8英寸
100
67.9億
中芯集成電路(寧波)有限公司二期
8英寸
30
39.9億元
規劃
濟南富能半導體有限公司
8英寸
30
50億元
華潤微電子重慶項目
12英寸
-
-
矽力杰半導體青島項目
12英寸
40
180億元
吉林華微電子股份有限公司
12英寸
20
10億
四川中科晶芯集成電路制造有限公司
8英寸
-
-

數據來源:公開資料整理

    預計2020/2021年晶圓制造設備市場規模接近千億元。晶圓制造環節是生產鏈條里最重資產的一環,晶圓制造設備投入占總設備投入的80%左右。數據顯示:在晶圓加工設備投資中,光刻機投資占比最高達到30%,其次為CVD約占20%,排名第三的是PVD占比15%,其后分別為刻蝕、氧化擴散爐、RTP、離子注入、剝離、拋光等設備。另外,檢測、封裝設備投入占總設備比例分別約為8%及6%。預測2020/2021年中國半導體設備銷售額將達149/164億美元,若按上述比例估算,晶圓制造、檢測、封裝設備的市場規模將依次達到119/131億美元(831/916億元)、12/13億美元(84/91億元)以及9/10億美元(63/70億元)。

測算2020/2021年晶圓制造、檢測、封裝設備將分別新增市場規模831/916億元、84/91億元、63/70億元

數據來源:公開資料整理

中國大陸半導體設備投資額測算(單位:億元人民幣)

年份
新增投資總額
用于設備的新增投資總額
新增月產能(k/月)
實際新增產能(k/月)
實際設備投資額
實際晶圓廠投資額(含廠房)
2016
735.0
588.0
90
18+
117.6+
-
2017
418.8
335.0
115
59+
302.2+
-
2018
2999.0
2399.2
385
159
849.1
1130
2019
2667.0
2133.6
450
290
1520.4
2026
2020
2040.0
1632.0
400
414
2139.5
2853
2021
542.0
433.6
130
366
1593.0
-

數據來源:公開資料整理

    三、硅片制造設備:中性預測年均124億元市場規模

    半導體硅片的生產流程包括拉晶—>整型—>切片—>倒角—>研磨—>刻蝕—>拋光—>清洗—>檢測—>包裝等步驟。其中拉晶、研磨和拋光是保證半導體硅片質量的關鍵。涉及到單晶爐、滾磨機、切片機、倒角機、研磨設備、CMP拋光設備、清洗設備、檢測設備等多種生產設備。

    1、單晶硅生長:年均31億規模

    單晶硅錠的生長普遍采用CZ直拉法,通過CZ直拉單晶爐實現。單晶硅生長是指把半導體級多晶硅塊熔煉成單晶硅錠。單晶硅錠的制備主要有兩種工藝,CZ直拉法及區熔法,當前85%以上的單晶硅是采用CZ法生長出來的。1)CZ直拉法。多塊半導體級硅被放置于石英坩堝中(非晶),并加入少量的摻雜材料以便最終可獲得n型/p型硅;使用電阻/RF加熱熔化坩堝中的材料,獲得熔體;一塊完美的籽晶于熔體表面邊旋轉邊緩慢拉起,隨著籽晶的拉出,界面向下朝著熔體方向凝固,與籽晶具有相同晶向的單晶就逐步形成了。2)區熔法。將摻雜好的多晶硅棒和籽晶固定于生長爐中的兩端,用RF線圈加熱籽晶與硅棒的接觸區域,并沿著晶棒軸向移動,經過局部加熱-熔化-重新凝固的過程實現單晶硅的制備。由于不使用坩堝,區熔法生長的硅純度更高,但典型區熔法制備的硅錠直徑相比直拉法小,只適用于150mm及以下的硅片生產,應用于功率半導體等領域。

    國內8英寸單晶爐逐步國產化,12英寸實現小批量供應。進口單晶爐廠商主要包括美國林頓晶體技術公司、日本菲洛泰克株式會社、德國普發拓普股份公司;國內單晶爐在8英寸領域已逐步實現國產化,12英寸領域實現小批量供應,代表企業包括晶盛機電(300316.SZ)、南京晶能、北方華創(002371.SZ)、京運通(601908.SH)、西安理工晶體等。晶盛機電(300316.SZ)承擔的“02專項——300mm硅單晶直拉生長設備的開發”、“8英寸區熔硅單晶爐國產設備研制”兩大項目均已通過專家組驗收,8寸直拉和區熔單晶爐均已實現產業化,客戶覆蓋有研半導體、環歐半導體、金瑞泓等企業;12英寸半導體級單晶爐已量產。南京晶能則率先實現12英寸直拉單晶爐的國產化,,已進入新昇半導體大硅片產線。

    (2)整型:年均12億規模

    硅錠生長完成后、切片工作進行前需要進行整型工作,所需設備主要包括滾磨機、截斷機。硅錠在拉晶爐中生長完成后,要經過系列處理以達到切片前的所需狀態,包括去掉兩端、徑向研磨以及定位邊/定位槽制作。1)去掉兩端。截斷籽晶端及非籽晶端。2)徑向研磨。由于在晶體生長過程中硅錠直徑及圓度的控制難以達到十分精確,因此硅錠都需長得稍大些再通過徑向研磨來產生精確的材料直徑。3)制作定位邊/定位槽。定位邊/定位槽用來標記硅片的晶向以及導電性能,200mm以上的硅片以定位槽為主。

    目前,國內滾磨機的制造廠商主要有晶盛機電(300316.SZ)、京儀世紀等;國外廠商主要有日本東京精機工作室。

    (3)切片:年均6億規模

    200mm以下硅錠多用內圓切割機完成切片,300mm采用線切割。切片是指將硅錠切割成一定厚度的硅片,目前主要采用內圓切割及線切割兩種方式進行。當前對于200mm及以下尺寸的硅片,主要采用帶有金剛石切割邊緣的內圓切割機來切片;對于300mm的硅片,采用線切割機來切片,線切割通過一組鋼絲帶動碳化硅研磨料進行研磨加工切片。內圓切割屬于一類傳統的硅片加工方法,它的局限在于材料利用率只有40%~50%,同時由于結構的限制,也無法加工直徑大于200mm的硅片;與內圓切割相比,線切割具有切割效率高、刀損小、成本低、切片表面質量好、可加工硅碇直徑大、每次加工硅片數多等諸多優點。

    由于切片機對精度控制和穩定性有很高的要求,國內外技術差別較大,目前多數依賴進口。內圓切割機方面,國外廠商主要為日本東京精密,多線切割機方面,國外廠商主要有日本小松株式會社(NTC)、瑞士SlicingTech公司;國內中電科45所在內圓切割機及多線切割機方面均有所布局。

    (4)磨片及倒角:年均12億規模

    磨片和倒角使切割后的硅片提高平整度、降低邊緣缺陷,相關設備包括磨片機及倒角機。切片完成后,要進行雙面的機械磨片以去除切片時留下的損傷,達到硅片兩面高度的平行和平坦,即磨片。在硅片制備過程的許多步驟中,平整度是關鍵的參數。通過硅片邊緣拋光修整使硅片邊緣獲得平滑的半徑周線,即倒角。硅片邊緣的裂痕和小縫隙會在后續的加工中產生應力及位錯,平滑的邊緣半徑會將這些影響降到最低。磨片及倒角所使用的設備分別為研磨機/磨片機及倒角機。
倒角機以國外廠商為主,研磨機/單面磨片機國內廠商已有布局。倒角機方面,國外品牌主要為日本東京精密以及日本SPEEDFAM,國內暫無大批量生產廠商。研磨機方面,國外廠商主要包括日本SPEEDFAM、日本浜井(HAMAI)、德國萊瑪特•奧爾特斯、美國PRHOFFMAN、英國科密特(kemet)等,國內主要廠商有晶盛機電(300316.SZ)、宇晶股份(002943.SZ)及赫瑞特等。雙面磨片機方面,國外主要廠商為日本光洋(Koyo)等,國內暫無規模化生產廠商。單面磨片機方面,國外主要廠商主要包括日本迪斯科(Disco)、日本光洋(Koyo)、日本岡本機械(Okamoto)以及美國Revasum等,國內廠商主要為中電科電子裝備有限公司。SEMICONChina2018展會上,晶盛機電(300316.SZ)成功推出了6-12英寸半導體級的單晶硅滾圓機、單晶硅截斷機、雙面研磨機、全自動硅片拋光機等新產品。

    (5)刻蝕:年均12億規模

    為消除硅片表面的損傷及沾污,需利用硅片刻蝕機選擇性去除硅片表面的物質,屬于濕法刻蝕工藝。經過一系列處理的硅片表面和邊緣存在著損傷及沾污。為消除硅片表面的損傷和沾污,需采用濕法化學刻蝕工藝選擇性去除硅片表面的物質,通常要腐蝕掉硅片表面約20μm的硅,以保證所有損傷都被去掉。進行硅片刻蝕工藝的設備稱為硅片刻蝕機。

    硅片刻蝕機制造廠商較多,已實現部分國產替代。國外廠商主要包括日本創新(JAC)、美國MEI及韓國GlobalZeus;國內廠商包括中電科45所、江蘇華林科納及蘇州晶淼等。

    (6)拋光:年均19億規模

    硅片制備的最后一步需要進行CMP拋光以獲得平坦光滑的表面,200mm及以下采取單面拋光,300mm采取雙面拋光,使用設備為CMP拋光機。硅片制備的最后一步是化學機械拋光(CMP),目的是得到高平整度的光滑表面。對于200mm及以下的硅片,采用傳統的CMP方式,僅對上表面進行拋光,另一側仍需保留刻蝕后相對粗糙的表面以便于器件傳送;對于300mm的硅片,需采用CMP進行雙面拋光,拋光后的硅片表面平坦、雙面平行,兩面都會像鏡子一樣。進行化學機械拋光的設備稱為CMP拋光機,也廣泛應用在后續的晶圓制造環節。

    CMP拋光機仍以國外為主,國內廠商正積極布局。國外廠商主要有日本SPEEDFAM、日本不二越機械公司(FUJIKOSHI)、美國PRHOFFMAN以及德國萊瑪特•奧爾特斯,國內廠商如中電科45所、晶盛機電(300316.SZ)及赫瑞特等。晶盛機電(300316.SZ)2018年成功研發出6-8英寸全自動硅片拋光機,有望繼續拓展12英寸拋光設備。

    (7)清洗:年均12億規模

    為達到超潔凈狀態需要對硅片進行清洗,目前廣泛使用的工藝為濕法清洗,使用濕法清洗設備進行。在將硅片發送給晶圓制造廠商之前,需要進行清洗以到達超潔凈狀態。硅片清洗的目標是去除所有表面沾污:顆粒、有機物、金屬和自然氧化層。目前占統治地位的清洗方法是濕法化學,采用濕法清洗機進行。

    硅片清洗機國產化正在進行中,國內已涌現一批優質企業。國外廠商主要包括日本創新(JAC)、美國Akrion、美國MEI以及韓國GlobalZeus,國內廠商如北方華創(002371.SZ)、中電科45所等。

    (8)檢測:年均19億規模

    在包裝硅片之前,需要檢測是否已達到客戶要求的質量標準,如物理尺寸、平整度、為粗糙度、氧含量、晶體缺陷、顆粒以及體電阻率等,所涉及的檢測裝備包括厚度儀、顆粒檢測儀、透射電鏡、硅片分選儀等。此處硅片檢測將在下文中與“工藝檢測”、“晶圓中測”及“終測”合并介紹。

    2、晶圓制造設備:2020年831億元市場規模

    晶圓制造設備從類別上講可以分為刻蝕、光刻、薄膜沉積、檢測、涂膠顯影等十多類,其合計投資總額通常占整個晶圓廠投資總額的75%左右,其中刻蝕設備、光刻設備、薄膜沉積設備是集成電路前道生產工藝中最重要的三類設備。按全球晶圓制造設備銷售金額占比類推,目前刻蝕設備、光刻機和薄膜沉積設備分別占晶圓制造設備價值量約24%、23%和18%。

集成電路各類設備銷售額占比

數據來源:公開資料整理

集成電路各類設備銷售額占比

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    隨著集成電路芯片制造工藝的進步,線寬不斷縮小、芯片結構3D化,晶圓制造向7納米、5納米以及更先進的工藝發展。由于普遍使用的浸沒式光刻機受到波長限制,14納米及以下的邏輯器件微觀結構的加工將通過等離子體刻蝕和薄膜沉積的工藝組合——多重模板效應來實現,使得相關設備的加工步驟增多。未來,刻蝕設備和薄膜沉積設備有望正成為更關鍵且投資占比最高的設備。

    晶圓制造過程主要包括擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、化學機械拋光、金屬化七個相互獨立的工藝流程,這些工藝流程都會有相對應的晶圓制造設備來完成芯片制造流程。典型的集成電路制造需要花費6-8周時間,涵蓋350道或者更多的步驟來完成所有的制造工藝,雖然過程復雜,但所有步驟只是多次運用了有限的幾種工藝,如薄膜沉積、光刻、刻蝕、注入、拋光等。

    晶圓制造設備主要包括光刻機、刻蝕機、薄膜設備、擴散/離子注入設備、清洗設備、CMP拋光設備、過程檢測七大類。通常晶圓制造廠可以分成6個獨立的廠區:擴散、光刻、刻蝕、薄膜、離子注入以及拋光。擴散區,一般認為是進行高溫工藝及薄膜沉積的區域,主要設備是高溫擴散爐和濕法清洗設備;光刻區,主要設備是光刻機以及涂膠/顯影設備等用來配合完成光刻流程的一系列工具組合;刻蝕區,常見設備包括等離子刻蝕機(部分仍采用濕法刻蝕機)、等離子去膠機和濕法清洗設備;離子注入區,主要設備是亞μm工藝中最常見的摻雜工具離子注入機;薄膜區,主要負責生產各個步驟或在那個介質層與金屬層的沉積,所采用的溫度低于擴散區中設備的工作溫度,核心設備包括CVD以及PVD,可能用到的其他設備還包括SOG系統、RTP以及濕法清洗設備;拋光區,主要設備為CMP拋光機,輔助設備包括刷片機、清洗裝置以及測量工具。

    以下對于工藝及設備的介紹并非完全按照芯片制造工藝的先后順序進行,對于制造流程中的重復工藝不再介紹。

    (1)氧化:臥式爐/立式爐/RTP等熱處理設備59億元市場規模

    芯片制造的第一步工藝,是在擴散區將硅片進行高溫氧化,在表面生長一層二氧化硅薄膜。氧化在芯片制造工藝的發展過程中扮演了重要角色,實際上,硅片上氧化物的生長主要有兩種方式:1)熱生長,發生在擴散區,是在升溫環境中,通過外部供給高純氧使之與硅襯底反應,在硅片表面得到一層熱生長的氧化層;2)沉積,發生在薄膜區,是通過外部供給的氧氣及硅源在腔體中反應,在硅片表面上沉積一層薄膜。

    200mm及以上的熱處理步驟中,臥室爐已基本被立式爐及快速熱處理系統(RTP)替代。熱處理設備主要有三種:臥室爐、立式爐以及快速熱處理系統(RTP)。除這里涉及的氧化工藝外,這三種熱處理設備還可應用于摻雜、退火等用途(后兩者將在摻雜工藝中詳細介紹)。臥式爐是產業發展早期廣泛應用的熱處理設備,目前大部分已被立式爐及RTP取代。臥式和立式爐是較為傳統的熱處理設備,工作中硅片和爐壁被同時加熱,硅片升溫/降溫速率小于20°C/分,單批硅片處理數量在100~200片。RTP是種小型的快速加熱系統,工作中只對硅片進行加熱,升溫速率可達每秒幾十度甚至上百度,通常一次處理一片硅片。RTP在芯片制造中最常見的用途是離子注入后的退火,目前已擴展到氧化金屬、硅化物的形成以及快速熱CVD和外延生國內150mm以下擴散設備基本自給自足;300mm以上立式爐仍主要依賴進口,僅有北方華創(002371.SZ)可批量供應;RTP以進口為主。在尺寸小于150mm的IC制造領域,我國的擴散設備基本能實現自給自足,國內知名的設備廠商有北方華創(002371.SZ)、中電科48所等。在300mm的IC制造領域,立式爐仍主要依賴進口,國外廠商有東京電子(TEL)、日立國際(HKE)等,國內只有北方華創(002371.SZ)能夠批量供應。北方華創(002371.SZ)的氧化爐目前已供應給中芯國際(0981.HK)、華力微電子、長江存儲等廠商使用。在RTP設備方面,目前IC生產線上普遍采用美國的應用材料、AxcelisTechnology、MattsonTechnology和ASM的設備(約占90%的市場份額),國內發展相對滯后。

    (2)光刻:光刻機249億元市場規模

    在集成電路制造工藝中,光刻是決定集成電路集成度的核心工序,在整個硅片加工成本中占到1/3。光刻的本質是把掩膜版上臨時的電路結構復制到以后要進行刻蝕和離子注入的硅片上。光刻工藝的原理:利用光刻機光源發出的光通過具有圖形的掩膜版,對涂有光刻膠的硅片上未被掩膜版遮蓋的區域進行曝光,被照射部分的光刻膠性質發生改變,可溶解(或不溶解)于顯影液,通過顯影后去除可溶解部分,則掩膜版的圖形被復制于硅片上。光刻工藝可劃分為八個基本步驟:氣相成底膜、旋轉涂膠、軟烘、對準和曝光、曝光后烘焙(或有)、顯影、堅膜烘焙以及顯影檢查。轉移到硅片表面的圖形與光刻目的相關,可以是半導體器件、隔離槽、接觸孔、連接金屬層的通孔以及金屬互聯線,這些圖形轉移到硅片上,為后續的刻蝕或離子注入做準備。

    光刻工序需要用到兩種工藝設備,即勻膠顯影設備和光刻機。先進的半導體工藝通常將勻膠顯影設備與光刻機直接對接,協同工作,通過光刻膠涂覆、光刻、顯影過程中嚴格的工藝時間控制,確保光刻后轉印在襯底上的集成電路圖形達到質量要求。

    光刻機是集成電路生產線中最昂貴、最復雜的核心設備。目前常用的光刻機主要有兩種,分步重復光刻機及步進掃描光刻機,后者更為多見。光刻機的發展歷經過五代:1)接觸式光刻機:最早的光刻機,即掩膜貼在硅片上進行光刻,容易產生污染、降低掩膜版使用壽命。2)接近式光刻機:對接觸式光刻機進行改良,掩膜與硅片不再直接接觸,但受氣墊影響,成像的精度不高。3)掃描式光刻機:利用基于反射的光學系統將掩膜版圖形1:1地投影到硅片表面,掩膜版與晶圓同步相對窄光束移動,通過兩者的掃描運動實現逐步曝光,最終將掩膜版上的圖形全部復制到晶圓上;局限是“1倍”掩膜版需要與芯片有相同的特征尺寸,制造難度很大。4)分步重復光刻機:基于折射光學系統(降低掩膜版制造難度),單次只曝光硅片上的一塊區域,然后步進到硅片上的另一位置重復曝光。5)步進掃描光刻機:結合了掃描式光刻機與分步重復光刻機的技術,單場曝光采用動態掃描方式,即掩膜版與晶圓相對窄光束同步完成掃描運動;完成當前曝光后,晶圓由工作臺承載步進至下一步掃描場位置,繼續進行重復曝光;重復步進并掃描曝光多次,直至整個晶圓所有場曝光完畢。目前,接觸式光刻機與接近式光刻機應用很少。對于接觸式光刻機,由于其簡單、經濟性,且可實現亞微米級特征尺寸圖形的曝光,因為仍應用于小批量產品制造和實驗室研究;對于接近式光刻機,仍然可用于特征尺寸在3μm以上的集成電路中。分布重復光刻機與步進掃描光刻機較為常用,后者為當前主流光刻機。分布重復光刻機主要應用于0.25μm以上工藝(當前IC制造的非關鍵工藝),以及先進封裝領域及其他新應用領域。IC工藝進入0.25μm后,步進掃描光刻機由于其在掃描場尺寸及曝光均勻性上的優勢,在0.25μm以下的深紫外光刻中占據主導地位。通過配置不同波長的光源(如i線、KrF、ArF、EUV),步進掃描光刻機可支撐半導體前道工藝所有的技術節點。ArF光源光刻機是目前使用范圍最廣、最具有代表性的一代光刻機。減小紫外光源波長,是提高光刻技術分辨能力的重要手段,隨著光源波長的降低,光刻機有望獲得更高的成像分辨率。ArF干法曝光最大可支撐65nm的成像分辨率。對于45nm以下及更高的成像分辨率的要求,ArF干法曝光已無法滿足,故引入了浸沒式光刻方法。浸沒式光刻通過將投影物鏡下表面及硅片上表面間充滿液體(通常為1.44折射率的超純水)以提升成像體統的有效數值孔徑,使光刻機的分辨能力得到延伸。在此基礎上,結合多重圖形和計算光刻技術,ArFi光刻機得以在22nm及以下工藝節點應用,并可支撐7nm節點工藝,在EUV光刻機量產前得到了廣泛的應用。

    EUV光刻機被普遍認為是7nm以下工藝節點最佳選擇,需求持續攀升。相對于ArFi光刻機,EUV光刻機的單次曝光分辨率大幅提升,可有效避免因多次光刻、刻蝕方能獲得高分辨率的復雜工藝,從工藝技術和制造成本綜合因素考量,EUV設備被普遍認為是7nm以下工藝節點的最佳選擇。同時,5nm及以下工藝必須依靠EUV光刻機才能實現。隨著半導體制造工藝向7nm以下持續延伸,EUV光刻機的需求將進一步增加。

    除上述有掩膜光刻機外,還有一類光刻機在工作中無需使用掩膜版,即無掩膜光刻機,又稱直寫光刻機。無掩膜光刻機可柔性制作集成電路,但生產效率低,一般只適用于器件原型的研制驗證、掩膜版以及小批量特定芯片的制作,在光刻機中所占比例較低。

    勻膠顯影設備是指光刻工藝過程中與光刻機配套使用的勻膠、顯影及烘烤設備。在早期的集成電路工藝和較低端的半導體工藝中,勻膠顯影設備往往單獨使用;隨著自動化程度提高,在200mm及以上的大型生產線上,勻膠顯影設備一般都與光刻機聯機作業完成精細的光刻工藝流程。勻膠顯影設備主要由勻膠、顯影、烘烤三大系統組成,通過機械手使硅片在各系統之間傳遞和處理,完成光刻膠涂覆、固化、光刻、顯影以及堅膜等工藝流程。

    光刻機廠商集中度高,ASML地位不可撼動;國內技術水平差距巨大,SMEE目前可量產90nm工藝節點光刻機。全球最大的光刻機廠商為荷蘭的ASML,市占率超過80%,在EUV領域處于完全壟斷的地位。除ASML以外,日本佳能(CANON)、尼康(NIKON)也是國外知名的光刻機生產商。ASML可以覆蓋所有檔次光刻機產品,尼康、佳能的產品分別僅停留在了28nm和90nm的節點上。國內集成電路產業起步較晚,在光刻機制造領域與國際差距巨大。近年來上海微電子裝備(集團)股份有限公司(SMEE)通過積極研發,已實現90nm節點光刻機的量產,并正在研究適用于65nm節點的設備。SMEE主要有兩個系列的產品:1)600系列步進掃描光刻機,可滿足IC前道制造90nm、110nm、280nm關鍵層和非關鍵層的光刻工藝需求,用于8寸線或12寸線的大規模工業生產;2)500系列步進光刻機,可滿足IC后道先進封裝的光刻工藝,如晶圓級封裝(Fan-In/Fan-OutWLP)的重新布線(RDL),倒裝(FC)工藝中常用的金凸塊(GoldBump)、焊料凸塊(SolderBump)、銅柱(Copper)等,也可通過選擇背面對準滿足MEMS和2.5D/3D封裝的TSV光刻工藝需求。

光刻機市場由ASML主導(2019年)

光刻機類型
ASML
 
NIKON
 
CANON
 
 
銷量
占比
銷量
占比
銷量
占比
EUV
26
100%
-
-
-
-
A
rFi
82
88%
11
12%
-
ArF
22
63%
13
37%
-
-
KrF
65
71%
4
4%
22
24%
i-Line
34
30%
18
16%
62
54%
合計
229
64%
46
13%
84
23%

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    勻膠顯影設備方面,日本東京電子占據高端市場主要份額;國內芯源微(688037.SH)逐漸具備了國產替代能力。勻膠顯影設備的國外廠商主要有日本的東京電子(TEL)、DNS,以及德國的蘇斯等,其中TEL在高端產品領域占據主要的市場份額。芯源微(688037.SH)在國內的高端封裝、LED制造等領域占有主要的市場份額,在前道高端設備方面也取得了突破性進展,產品技術參數與性能已達國際先進水平,逐步具備了進口替代的能力。

    (3)刻蝕:刻蝕機100億元市場規模

    刻蝕是用化學或者物理方法,有選擇地從硅片表面去除不需要材料的過程,通常在顯影檢查后進行,目的是在涂膠的硅片上正確復制掩膜圖形。光刻膠層在刻蝕工藝中不受顯著侵蝕,被光刻膠覆蓋的部分因受到保護而未被刻蝕,沒有覆蓋的部分將被刻蝕掉。刻蝕可以看做在硅片上復制所需圖形最后的轉移工藝步驟。

    在半導體制造中有兩種基本的刻蝕工藝,干法刻蝕和濕法刻蝕,其中干法刻蝕是亞微米尺寸下刻蝕器件最主要的方法。干法刻蝕也稱等離子體刻蝕,是指使用氣態的化學刻蝕劑與硅片上未被光刻膠覆蓋的材料發生物理或化學反應(或兩者均有),以去除暴露的表面材料的過程。通常,反應生成物具有可揮發性,可被抽離出反應腔。濕法刻蝕,是指采用液體化學試劑(酸、堿和溶劑等)以化學方式去除硅片表面材料的過程。早期的刻蝕工藝多采用濕法刻蝕,但因其在線寬控制和刻蝕方向性等多方面的局限,3μm之后的工藝大多采用干法刻蝕,濕法刻蝕僅用來腐蝕硅片上的某些層或殘留物的清洗(濕法刻蝕在下文清洗設備部分闡述)。干法刻蝕系統中,刻蝕作用是通過化學作用或物理作用,或者共同作用來實現的,其中物理和化學混合作用能使刻蝕獲得好的線寬控制和較好的選擇比,因而在大多數干法刻蝕工藝中被采用。

    根據被刻蝕材料的種類,刻蝕設備可分為硅刻蝕設備、金屬刻蝕設備和介質刻蝕設備三大類。以等離子體產生和控制技術進行區分,電容耦合等離子體刻蝕設備(CCP)和電感耦合等離子體刻蝕設備(ICP)是各類等離子體刻蝕設備中應用最廣泛的兩類設備。硅刻蝕用于去除硅的場合,如刻蝕多晶硅柵及硅槽電容;金屬刻蝕主要是在金屬層上去除合金復合層,制作出互聯線;介質刻蝕用于介質材料的刻蝕,如制作接觸孔或通孔結構時SiO2的刻蝕。傳統的硅刻蝕及金屬刻蝕偏向于使用離子能量較低的設備,如ICP刻蝕設備;介質刻蝕偏向于使用離子能量較高的設備,如電容耦合等離子體刻蝕設備CCP刻蝕設備。刻蝕設備種類很多,除上述CCP與ICP刻蝕設備外,還有離子束刻蝕設備(IBE)、等離子刻蝕設備(PE)、反應離子刻蝕設備(RIE)、原子層刻蝕設備(ALE)、電子回旋共振等離子體刻蝕設備(ECR)、螺旋波等離子體刻蝕設備(HWP)以及表面波等離子體刻蝕設備(SWP)等。

    刻蝕設備也是集成電路制造工藝中最復雜、難度最大且使用比例最高的設備之一。隨著芯片集成度不斷提高,生產工藝越發復雜,刻蝕在整個生產流程中所占的比重也呈現上升趨勢。

    (4)沉積:PVD100億元市場規模,CVD166億元市場規模

    在本節第一部分已經提過,集成電路制造工藝中氧化膜的生成主要有氧化及沉積兩種方式,其中沉積是各類薄膜形成的最主要的方式,包含絕緣薄膜(如SiO2)、半導體薄膜(如多晶硅)或者導電薄膜(如金屬),這些薄膜有的作為器件結構中一個完整的部分,另一些則充當了工藝過程中的犧牲層在后續的工藝中被去掉。薄膜沉積設備是一種集合了多種學科最先進技術的設備,也是各種芯片生產設備中比較復雜、難度較大且使用率較高的設備。

    集成電路薄膜沉積工藝可分為物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)和外延三大類。PVD是指通過熱蒸發或者靶表面受到粒子轟擊時發生原子濺射等物理過程,實現上述物質原子轉移至硅片表面并形成薄膜的技術,多應用于金屬的沉積;CVD是指通過氣體混合的化學反應在硅片表面沉積薄膜的工藝,可應用于絕緣薄膜、多晶硅以及金屬膜層的沉積;外延是一種在硅片表面按照襯底晶向生長單晶薄膜的工藝。

薄膜沉積主要分為物理工藝、化學工藝以及外延工藝三大類

數據來源:公開資料整理

    磁控濺射是PVD中使用最廣泛的設備,離子PVD在制作具有高深寬比的通孔、狹窄溝道的工藝中占據了主導地位。PVD可分為真空蒸鍍和濺射兩種類型。1)真空蒸鍍。普通燈絲蒸鍍工藝簡單、容易操作,但難以滿足蒸發某些難容金屬和氧化物材料,于是發展了電子束蒸鍍;電子束加熱蒸鍍可以獲得極高的能量密度,可蒸鍍W、Mo、Ge、SiO2、Al2O3等材料。

    蒸鍍最大的缺點是不能產生均勻的臺階覆蓋,目前主流IC工藝已不再用此類設備進行薄膜沉積,有時仍然被應用于芯片封裝過程。隨著產業向超大規模和極大規模集成電路發展,濺射技術迅速取代了蒸鍍技術。2)濺射。傳統直流物理氣相沉積(DCPVD)的靶材只能是導體;射頻物理氣相沉積(RFPVD)能夠解決絕緣靶材濺射的問題,但沉積效率低;磁控濺射(MagnetronPVD)因可以實現極佳的沉積效率、大尺寸范圍的沉積厚度控制、精確的成分控制以及較低的啟輝電壓等優勢,成為了應用最廣泛的傳統濺射系統。對于高性能IC,傳統的濺射技術存在一個普遍問題,當特征尺寸縮小時,濺射進入具有高深寬比的通孔和狹窄溝道的能力受到限制,為克服這個問題,離子化物理氣相沉積(IonizedPVD)被引入。離子PVD是磁控濺射的一種新技術,在制作具有高深寬比的孔隙、溝槽的集成電路工藝領域中,已占據了主導地位。

    常用CVD設備包括APCVD、LPCVD、PECVD、HDPCVD以及FCVD等,適用于不同工藝節點對膜質量、厚度以及孔隙溝槽填充能力等的不同要求。常壓化學氣相沉積(APCVD)是最早的CVD設備,結構簡單、沉積速率高,至今仍廣泛應用于工業生產中。低壓化學氣相沉積(LPCVD)是在APCAD的基礎上發展起來的,由于其工作壓力大大降低,薄膜的均勻性和溝槽覆蓋填充能力有所改善,相比APCVD的應用更為廣泛。在IC制造技術從亞微米發展到90nm的過程中,等離子體增強化學氣相沉積設備(PECVD)扮演了重要的角色,由于等離子體的作用,化學反應溫度明顯降低,薄膜純度得到提高,密度得以加強。到90nm技術時代,為改善PECVD薄膜的致密性、溝槽填充能力以及生長速率,引入了高密度等離子體增強化學氣相沉積(HDPCVD)設備。隨著集成電路技術發展到28nm以下,HDPCVD已無法滿足FinFET器件結構對隔離溝槽填充技術的要求,流體化學氣相沉積技術(FCVD)應運而生,其可完成對細小溝槽及孔隙的無縫填充,并滿足10nm以及7nm技術節點的工藝要求。CVD不僅可以用于絕緣薄膜和半導體材料的沉積,還可用于金屬薄膜的沉積,由于CVD具有優良的等角臺階覆蓋以及對高深寬比接觸和通孔無間隙的填充,在金屬薄膜沉積方面的應用正在增加。

    ALD設備沉積的薄膜具有非常精確的膜厚控制和非常優越的臺階覆蓋率,隨著器件集成技術的提升,應用愈加廣泛。從45nm技術開始,為了減小器件的泄漏電流,新的高k材料和金屬柵工藝被應用到集成電路工藝中,由于膜層很薄(通常在數納米量級內),所以引入了原子層沉積(ALD)。ALD在每個周期中生長的薄膜厚度是一定的,所以可以有非常精確的膜厚控制和非常優越的臺階覆蓋率。隨著IC集成技術的發展,不斷縮小的器件尺寸對薄膜生長的熱預算、致密度及臺階覆蓋率都有了更高的要求,未來ALD技術在薄膜生長領域會有更多的應用。

    在某些情況下,需要在單晶襯底表面外延生長一薄層單晶材料,這層外延層與襯底具有相同晶體結構,可根據器件要求實現對雜質類型和濃度的控制,為設計者在優化器件性能方面提供了很大的靈活性。外延有時也能輔助達到高性能IC的要求。外延可分為分子束外延(MBE)、氣相外延(VPE)、液相外延(LPE)以及固相外延(SPE),其中后三者屬于化學外延技術,可歸為廣義的CVD技術。

    薄膜沉積設備也已開啟進口替代,北方華創是國內PVD/CVD設備的領軍企業。美國、歐洲和日本在薄膜沉積設備領域處于領先地位,主要廠商包括美國的應用材料(AppliedMaterials)、泛林(LamResearch),荷蘭的先進半導體材料(ASM),日本的東京電子(TEL)等。國內在薄膜沉積領域已有長足進步,北方華創(002371.SZ)自主開發的系列PVD設備已經用于28m生產線中,用于14m工藝的PVD設備實現重大進展;沈陽拓荊和北方華創(002371.SZ)的PECVD設備也在芯片及MEMS生產線上得到應用。

    (5)離子注入:離子注入機33億元市場規模

    實現摻雜的方式包括擴散及離子注入,后者現代IC制造中摻雜的主要工藝。離子注入后需要進行退火處理以修復缺陷并激活雜質。本征硅(晶格完整且不含雜質的硅單晶)的導電性能很差,只有加入少量雜質(主要摻雜ⅢA族和ⅤA族的雜質),使其結構和導電率發生改變時,才能成為一種有用的半導體,這個過程被稱為摻雜。在IC制造工藝中,有兩種方法可以向硅片引入雜質元素,即熱擴散和離子注入。熱擴散利用高溫驅動雜質穿過硅的晶格結構,離子注入是通過高壓離子轟擊將雜質引入硅片。相對于擴散,離子注入的主要優點在于能在較低的溫度下,準確地控制雜質摻入的濃度和深度,重復性好。早期熱擴散是摻雜的主要手段,隨著特征尺寸及相應器件的不斷縮小,現代IC制造中大多摻雜工藝都是利用離子注入實現的。由于離子注入采用高速轟擊的工作方式,會將注入區原子撞出晶格而形成局部損傷區,且被注入離子大多并不占據硅的晶格點,而是停留在晶格間隙位置,因此需要進行退火處理以部分或全部消除因離子注入產生的損傷以及激活被注入的離子。離子注入廣泛應用于IC制造,包括MOS柵閾值調整、倒摻雜阱、源漏注入、超淺結、輕摻雜漏區、多晶硅柵、深埋層、穿通阻擋層、溝槽電容器和SIMOX等。

    熱處理設備主要包括臥式爐、立式爐以及快速熱處理設備(RTP),應用于不同要求的摻雜和退火工藝。對于200mm以下的摻雜和退火,主要使用臥式爐;對于200mm及以上的摻雜,立式爐有部分應用,而市場主要由離子注入設備所主導;對于200mm及以上的退火,主要使用立式爐及快速熱處理設備(RTP/RTA)。RTP是一種單片熱處理設備,能夠快速升/降溫,在快速熱退火(RTA)中應用最為普遍,同時也開始應用于快速熱氧化(RTO)、快速熱氮化(RTN)、快速熱擴散(RTD)、快速熱化學氣相沉積(RTCVD)等領域,在先進IC制造領域的應用越來越廣泛。

    離子注入機是現代集成電路制造工藝中最主要的摻雜設備,其中大束流離子注入機市占率最高。離子注入機是集成電路裝備中較為復雜的設備之一,是現代IC制造工藝中最主要的摻雜設備。離子注入機大體可分為低能大束流離子注入機、中束流離子注入機和高束流離子注入機三類。中束流離子注入機可應用于半導體制造中溝道摻雜、阱摻雜和漏/源摻雜等多種工藝。相比中束流設備,大束流離子注入機具有較高的束流和較低的能量,適用于大劑量淺結注入,如源/漏擴展區注入、源/漏注入、柵極摻雜等工藝,是目前半導體制造領域中市占率最高的離子注入機。高能離子注入機用于注入掩埋雜質層,如倒摻雜阱和三阱,在某些領域中可以替代中束流離子注入機。

擴散及離子注入均可實現摻雜目的

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    (6)拋光:CMP拋光機25億元市場規模

    化學機械拋光(CMP)能獲得金屬和介質層的局部或全局平坦化,廣泛應用于極大規模IC制造中。無應力拋光(SFP)不會產生任何機械應力,尤其適用于低k/超低k介質銅互連結構的平坦化過程。CMP結合了化學作用與機械作用,使硅片表面材料與研磨液發生化學反應的同時,在研磨頭的壓力作用下進行拋光,最終使硅片表面實現平坦化。CMP設備集成了機械學、流體力學、材料化學、精細化工、控制軟件等多領城最先進的技術,是IC制造設備中較為復雜和研制難度較大的設備之一。CMP設備在IC制造中的應用包括淺槽隔離平坦化、多晶硅平坦化、層間截至平坦化、金屬間介質平坦化以及銅互連平坦化等。SFP基于電化學原理,在拋光過程中硅片僅與拋光液接觸,是一種不會產生任何機械應力的拋光工藝。SFP能夠很好地解決低k/超低k介質銅互連結構平坦化過程中因機械應力造成的損傷問題,從而避免互連結構斷路或短路。

    CMP設備領域被國際廠商高度壟斷,華海清科及中電科45所設備在主流晶圓制造廠中處于試用及驗證階段。目前,美國和日本在CMP設備制造領域處于領先地位,生產廠商主要包括美國的應用材料(AppliedMaterials)和日本的荏原機械(Ebara),兩家企業占據全球98%的市場份額,呈現高度壟斷的競爭格局。國內CMP設備的主要研發生產單位有天津華海清科和中電科45所,其中華海清科的設備已在中芯國際生產線上試用,中電科45所8英寸設備已進入中芯國際生產線進行工藝驗證,12英寸設備也在研發當中。

    (7)清洗機及濕法刻蝕設備等剝離設備:33億元市場規模

    濕法清洗設備可以去除IC制造過程中所產生的顆粒、自然氧化層、有機物、金屬污染、犧牲層以及拋光殘留物等雜質。目前濕法清洗的主流設備包括單圓片清洗設備、單圓片刷洗設備以及單圓片刻蝕設備(濕法刻蝕設備)。濕法清洗在硅片表面清洗方法中占統治地位。濕法清洗是指針對不同的工藝需求,采用特定的化學試劑和去離子水,對硅片表面進行無損清洗,去除IC制造過程中顆粒、自然氧化層、有機物、金屬污染、犧牲層以及拋光殘留物等物質,可配合使用液體快速循環流動、兆聲波和氮氣輔助噴射等物理方式提升清洗效果。先進的IC制造技術對硅片表面污染物控制的指標要求越來越高,因此在每項工藝前都需要進行清洗。集成電路誕生以來,主要由槽式清洗機和槽式刻蝕機來完成硅片的清洗及薄膜刻蝕工藝,隨著集成電路線寬的縮小,對清洗要求越來越嚴格,上述兩種清洗設備已逐漸被單圓片濕法設備所取代。目前,槽式圓片清洗機、槽式清洗刻蝕機在整個清洗流程中分別僅占20%及2%的步驟。根據不同的工藝目的,單圓片濕法設備可以分為三大類:1)單圓片清洗設備,清洗目標物包括顆粒、有機物、自然氧化層、金屬雜質等污染物;2)單圓片刷洗設備,主要用于去除圓片表面顆粒;3)單圓片刻蝕設備(濕法刻蝕設備),主要用于去除薄膜。單圓片清洗設備廣泛應用于IC制造的前道和后道工藝過程,包括成膜前/后的清洗、等離子體刻蝕后清洗、離子注入后清洗、化學機械拋光后清洗和金屬沉積后清洗等,已基本可以兼容所有的清洗工藝(除高溫磷酸工藝)。單圓片刻蝕設備一般用于去除硅、氧化硅、氮化硅及金屬膜層等薄膜材料。此外,隨著IC制造工藝的進步,單槽體圓片清洗機、低溫超臨界圓片清洗機等多種清洗機也陸續獲得一些應用。

晶圓制造過程中可產生的六種主要雜質類型

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典型硅片濕法清洗包含多道工序

清洗步驟
目的
H2SO4/H2O2(piranha)
有機物和金屬
UPW清洗(超純水)
清洗
HF/H2O(稀HF)
自然氧化層
UPW清洗
清洗
NH4OH/H2O2/H2O(SC-1)
顆粒
UPW清洗
清洗
HF/H2O
自然氧化層
UPW清洗
清洗
HCl/H2O2/H2O(SC-2)
金屬
UPW清洗
清洗
HF/H2O
自然氧化層
UPW清洗
清洗
干燥
干燥

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