10月4日晚間,中芯國際(SMIC)在港交所發布公告稱,經過多日與供貨商進行詢問和討論後,中芯國際知悉,美國商務部工業與安全局(BIS)已根據美國出口管制條例EAR744.21(b),向中芯國際的部分供貨商發出信函,對於向中芯國際出口的部分美國設備、配件及原物料,會受到美國出口管制規定的進一步限制,須事前申請出口許可證後,才能向中芯國際繼續供貨。
隨著貿易戰的層層加碼,美國正逐漸將魔爪伸向先進半導體製程代工企業。半導體設備是半導體製造的關鍵,SEMI報告指出2019年全球半導體製造設備銷售總額為598億美元。最新的數據顯示,全球半導體設備TOP15的廠商中,日本企業佔大頭,共有8家日本企業排在前15之列,美國企業有4家,歐洲企業2家,還有一家在中國香港上市的新加坡企業。2019年,美國設備企業銷售收入在全球半導體設備行業佔49%,排在第一位的應用材料,其產品橫跨CVD、 PVD、刻蝕、CMP、RTP等除光刻機外的幾乎所有半導體設備。此外,Lam Research、KLA居行業第四、第五位。也就是說,雖然入圍TOP15的美企數量比日企少,但是銷售收入卻不低,佔了半壁江山。這顯示了整個世界對美國半導體設備企業的強依賴性,也成為美國制裁中國半導體產業的底氣。
面對美國半導體設備的禁售封鎖,國產半導體設備廠商也在奮力尋求突破和成長。在這過程中也湧現出了一批有潛力的本土半導體設備廠商,以尋求在各種半導體設備領域實現突破,他們也將成為中國半導體設備國產化率提高的希望。
製作矽片,是晶片生產的第一道環節,矽單晶爐是製作矽片的主要裝置。半導體單晶爐以美國、德國、日本等國家為主,國際單晶爐廠商代表有美國的QUANTUM DESIGN、Kayex、德國的PVA TePla AG、Gero及日本的Ferrotec等,國內廠商代表有晶盛機電、南京晶能、京運通、華盛天龍、上海漢虹、理工晶科、中國電科二所、北方華創等。
國內半導體單晶爐設備起步於2008年推出的02專項「國產300mm矽材料成套加工設備示範線工程」,該項目面向90-65nm極大規模集成電路用矽單晶及拋光片製備技術需求,研究開發包括單晶爐在內的多種關鍵設備。該項目推出後,晶盛機電、金瑞泓、有研總院、西安理工大學等單位承擔並先後完成驗收,形成了我國矽片製造設備的技術基礎。
目前國內大部分廠商所生產的為太陽能單晶爐,在半導體單晶爐方面,部分廠商在6-8英寸已實現國產替代,但12英寸與國際水平仍存在差距,據悉目前國內可生產12英寸半導體單晶爐的廠商僅有晶盛機電和南京晶能。
晶盛機電目前已完成了8英寸硬軸直拉矽單晶爐、6 英寸碳化矽單晶爐外延設備的開發。其中碳化矽單晶爐已經交付客戶使用,外延設備、拋光設備完成技術驗證,12英寸半導體單晶爐已經在國內知名客戶中產業化應用。此外,公司增加了半導體拋光液、閥門、磁流體部件、16-32 英寸坩堝等新產品的研發和市場開拓力度,產業鏈配套優勢逐步顯現。
晶盛機電早年從光伏設備行業起步,逐步進入半導體設備領域,如今又從單一的矽單晶爐設備,向切片、拋光、外延設備等拓展,甚至研發出了第三代碳化矽半導體設備。以下為其主要半導體領域產品。
產品 | 型號 |
單晶爐 | 全自動晶體生長爐TDR135A-ZJS、區熔矽單晶爐FZ100A-ZJS、 |
截斷機 | 全自動半導體單晶矽截斷機ABS812-ZJS、金剛線半導體矽棒截斷機、全自動晶體截斷磨麵複合加工一體機SCM150S-ZJS |
滾磨機 | 全自動半導體單晶矽滾磨機AGR812-ZJS、全自動晶體滾磨一體機EDP150-ZJS、半導體單晶矽棒滾磨一體機RGM8C1000-ZJS |
拋光機 | 全自動單片式8英寸半導體矽片拋光機6DZ-ZJS、半導體單晶矽拋光機 |
研磨機 | 雙面研磨機32B-ZJS |
熱處理設備包括臥式爐、立式爐和快速升溫爐(RTP)等,主要是對矽片進行氧化、擴散、退火等工藝處理。
氧化是將矽片放置於氧氣或水汽等氧化劑的氛圍中進行高溫熱處理,在矽片表面發生化學反應形成氧化膜的過程,是集成電路工藝中應用較廣泛的基礎工藝之一。氧化膜的用途廣泛,可作為離子注入的阻擋層及注入穿透層(損傷緩衝層)、表面鈍化、絕緣柵材料以及器件保護層、隔離層、器件結構的介質層等等。
擴散是在高溫條件下,利用熱擴散原理將雜質元素按工藝要求摻入矽襯底中,使其具有特定的濃度分布,達到改變材料的電學特性,形成半導體器件結構的目的。在矽集成電路工藝中,擴散工藝用於製作PN結或構成集成電路中的電阻、電容、互連布線、二極體和電晶體等器件。
退火也叫熱退火,集成電路工藝中所有在氮氣等不活潑氣氛中進行熱處理的過程都可稱為退火,其作用主要是消除晶格缺陷和消除矽結構的晶格損傷。為了使金屬(Al和Cu)和矽基行成良好的基礎,以及穩定Cu配線的結晶結構並去除雜質,從而提高配線的可靠性,通常需要把矽片放置在惰性氣體或氬氣的環境中進行低溫熱處理,這個過程被稱為合金。以上工藝廣泛用於半導體集成電路、先進封裝、電力電子、微機械、光伏電池製造,北方華創的立式爐、臥式爐設備達到國內半導體設備的領先水平,成為了主流廠商擴散氧化爐設備的優選。
北方華創不僅是熱處理設備的龍頭,還是光伏、鋰電、半導體的矽刻蝕、薄膜沉積、清洗設備,甚至第三代碳化矽半導體設備的龍頭之一。其產品覆蓋半導體裝備、真空裝備、新能源鋰電池裝備和精密元器件。其中半導體裝備產品如下,
產品 | 型號 |
等離子刻蝕設備 | NMC508C矽刻蝕機 NMC508DTE矽深槽刻蝕機 NMC508M鋁金屬刻蝕機 NMC612C矽刻蝕機 NMC612D矽刻蝕機 NMC612G 刻蝕機 NMC612M氮化鈦金屬硬掩膜刻蝕機 HSE系列等離子刻蝕機 BMD P230等離子去膠機 ELEDE® 380G+/G380C刻蝕機 ELEDE® 380E PSS刻蝕機 DSE200系列等離子刻蝕機 GDE C200系列等離子刻蝕機 GSE C200系列等離子刻蝕機 |
物理氣相沉積設備 | eVictor AX30 Al pad 物理氣相沉積系統 exiTin H630 TiN 金屬硬掩膜物理氣相沉積系統 Promi 系列ALD 系統 Polaris G620系列通用濺射系統 Polaris T系列矽通孔物理氣相沉積系統 Polaris B系列 Bumping 物理氣相沉積系統 eVictor GX20系列通用濺射系統 iTops i233濺射系統 iTops A230 氮化鋁濺射系統 |
化學氣相沉積設備 | HORIS L6371 多功能 LPCVD HORIS P8571A 管式PECVD設備 SES630A 矽APCVD系統 Esther 200單片矽外延系統 EPEE550 等離子化學氣相沉積系統 EPEE i800 等離子體增強化學氣相沉積系統 APS 系列 SiC晶體生長系統 THEORIS 302 / FLOURIS 201立式低壓化學氣相沉積系統 |
氧化擴散設備 | THEORIS 302/FLOURIS 201 立式氧化爐 THEORIS 302/FLOURIS 201 立式退火爐 THEORIS 302/FLOURIS 201 立式低壓化學氣相沉積系統 THEORIS 302/FLOURIS 201 立式合金爐 HORIS L6371 多功能 LPCVD HORIS D8572A 臥式擴散/氧化系統 HORIS D8573AL 臥式低壓擴散爐 SiC-650系列高溫爐 |
清洗設備 | Bcube系列WE1200A槽式黑矽制絨清洗機 Bcube系列WC1000A 槽式清洗機 Bcube系列WC3000A、WC2000A、WC1000A 全自動槽式清洗機 Bcube系列WE3000A、WE2000A、WE1000A全自動溼法腐蝕設備 Bcube系列WC2000M、WC1000M手動槽式清洗機 Bcube系列WE2000M、WE1000M 手動溼法腐蝕設備 Bpure系列 石英舟/管清洗機 Bpure系列 WE3000A、WE2000A全自動槽式清洗機 D-Ark系列 在線式多晶制絨清洗機 D-Ark系列 在線式溼法刻蝕設備 EGC 磨邊後清洗機 Saqua系列 SC3000A單片清洗機 Saqua系列 SC3000A 堆疊式單片清洗機 |
紫外固化設備 | UVC 紫外線固化爐 |
原子層沉積設備 | Polaris PE系列PEALD 設備 Polaris A系列ALD 設備 Promi+ 系列手動ALD 設備 |
全球光刻機市場處於寡頭壟斷狀態,2017年全球光刻膠銷售額中,ASML(荷蘭)佔據全球76%的市場份額、尼康(日本)11%、佳能(日本)6%。而高端7nm製程的EUV極紫外光光刻機設備領域,完全被ASML壟斷,目前世界上最先進的ASML EUV極紫外光光刻機單價達到一億美元以上,且供不應求。
光刻是晶圓生產的核心環節,包括光刻機和塗膠顯影機。我國的光刻機技術比較落後,最先進的上海微電子也只能量產90nm的沉浸式光刻機。據報導,上海微電子將在2021年完成首臺28nm國產光刻機的交付。以下為其半導體領域主要產品
領域 | 產品 |
IC領域 | 600系列光刻機 500系列光刻機 晶圓缺陷自動檢測設備 晶圓對準/鍵合設備 矽片邊緣曝光設備 |
平板顯示 | 200系列光刻機 雷射封裝設備 長短寸測量設備 STW260張網設備 金屬掩模測量設備 |
LED/MEMS/功率器件 | LED/MEMS/功率器件 300系列光刻機 雷射退火設備 |
作為光刻機的輸入即曝光前光刻膠塗覆和輸出即曝光後圖形的顯影,塗膠顯影機的性能不僅對細微曝光處的形成造成直接影響,而且其顯影工藝的圖形質量和誤差控制對後續蝕刻、離子注入工藝中的圖形轉移結果也有著深刻的影響。目前國際上前道晶圓加工領域中塗膠顯影設備主要被日本東京電子(TEL)所壟斷。TEL在中國大陸的塗膠顯影設備市場中,處於絕對壟斷地位。據統計,在中國大陸的塗膠顯影設備市場中,TEL的市佔率超過90%,國內廠商佔比4%。
國內企業在塗膠顯影機領域,芯源微是行業龍頭,是我國唯一能突破28nm技術的公司。其自2018年實現量產突破,前道 I-line 塗膠顯影機在長江存儲上線進行了工藝驗證,前道 Barc(抗反射層)塗膠設備在上海華力通過了驗證。近年公司也開始切入溼法清洗設備領域,跟盛美股份,至純科技和北方華創等展開競爭。以下為其半導體領域產品,
產品 | 型號 |
塗膠顯影設備 | KS-FT200/300前道8/12寸塗膠顯影機 KS-C30012寸集束型塗膠顯影機 KS-S30012寸星型塗膠顯影機 KS-S300-SP12寸噴霧式塗膠機 KS-S150星型全自動塗膠顯影機 KS-M300半自動機臺 |
清洗設備 | KS-CF300/200-8SR全自動SCRUBBER清洗機 KS-S300-SR單片清洗機 |
去膠設備 | KS-S300-ST單片溼法去膠機 KS-S150-4ST星型去膠機 |
刻蝕設備 | KS-S300-E單片溼法刻蝕機 |
刻蝕是矽片進行光刻之後最重要的流程,包括矽刻蝕、金屬刻蝕和介質刻蝕設備等。2019年全球刻蝕機市場份額由三家國際廠商瓜分,來自美國矽谷的泛林半導體佔53%,位於日本的東京電子東京電子佔19%,同樣是美國矽谷的應用材料佔18%。儘管近年來刻蝕行業的後起之秀如雨後春筍,但這三家國際巨頭仍共佔全球九成以上的市場份額。
目前,我國的刻蝕設備是比較先進的,中微公司的第二代電介質刻蝕設備已廣泛應用於28到7nm後段製程以及10nm前段製程,北方華創的矽刻蝕機也在14nm工藝上取得了重大進展。中微公司是該領域的龍頭,是國內半導體設備研發投入強度最大的公司之一,最新定增融資約100億元,用於研發7nm 以下製程的 CCP 刻蝕設備、介質刻蝕設備、高端 MEMS 等離子體刻蝕設備、先進3nm技術的多晶矽刻蝕、3D NAND 多層臺階刻蝕、ALE 原子層刻蝕設備、CVD 設備等。以下為半導體產品,
產品 | 型號 |
刻蝕機 | Primo D-RIE® Primo AD-RIE® Primo SSC AD-RIE™ Primo iDEA® Primo HD-RIE™ Primo TSV® Primo nanova® |
MOCVD | Prismo D-BLUE® Prismo A7® Prismo HiT3™ |
矽片刻蝕後,需要將一些特殊的雜質離子注入到矽襯底去,這就是離子注入機。離子注入機是半導體晶圓製造設備中,難度和單價僅次於光刻機的關鍵設備,
目前,全球離子注入機仍以大束流離子注入機為主,據Gartner數據披露,大束流離子注入機佔離子注入機市場總份額的61%,中低束流離子注入機和高能離子注入機分別佔20%和18%。全球離子注入機根據其下遊應用不同,可以分為IC離子注入機和光伏離子注入機,IC離子注入機方面,美國的應用材料幾乎壟斷了市場,佔據了70%左右的市場份額,其次為Axcelis(亞克士),佔據了近20%的市場份額。
我國該領域的龍頭是萬業企業旗下的凱世通。凱世通2009年成立,早期主要從事光伏行業的離子注入設備研發,出貨量排名世界第一。近兩年,公司開始切入半導體領域,全力推進「高能離子注入機關鍵技術研究及樣機驗證」的研發工作2019年,凱世通的晶圓離子注入機已獲得國內12英寸晶圓廠和主流存儲器晶片廠的產線驗證,產品在束流強度指標上表現優秀。
另外,中國電子科技集團旗下的電科裝備也已經研製出了大束流28nm高能離子注入機,並在中芯國際12英寸生產線現場進行使用。
沉積是半導體製造工藝中的一個非常重要的技術,其是一連串涉及原子的吸附、吸附原子在表面擴散及在適當的位置下聚結,以漸漸形成薄膜並成長的過程。
薄膜沉積工藝,分為物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)和外延三大類。在CVD設備市場中,應用材料全球佔比約30%,加上泛林半導體的21%和TEL的19%,三大廠商佔據了全球70%的市場份額;在ALD設備市場中,ALD設備龍頭TEL和ASM分別佔據了31%和29%的市場份額,剩下40%的份額由其他廠商佔據;在PVD設備市場中,應用材料則基本壟斷了PVD市場,佔85%的比重,處於絕對龍頭地位。
北方華創的PVD設備已經用於28nm生產線中,14nm工藝設備也已實現重大進展。瀋陽拓荊的PECVD設備已在中芯國際40-28nm產線使用,ALD設備也在14nm工藝產線通過驗證。以下為瀋陽拓荊的薄膜沉積相關產品,
產品 | 型號 |
PECVD | PF-300T PF-200T |
ALD設備 | FT-300T |
3D NANM設備 | NF-300H |
CMP設備為CMP技術應用的載體,為集機械學、流體力學、材料化學、精細化工、控制軟體等多領城最先進技術於一體的設備,一般由檢測系統、控制系統、拋光墊、廢物處理系統等組成,是集成電路製造設備中較為複雜和研製難度較大的設備之一。
全球CMP設備市場的龍頭企業主要為應用材料和荏原機械,兩家龍頭企業近乎壟斷了全球CMP設備的市場,其中應用材料佔據了全球CMP設備市場近70%的市場份額,荏原機械則佔據了近25%。
國內該設備該領域的龍頭是華海清科。華海清科成立於2013年,實際控制人為清華大學,核心團隊成員來自清華大學摩擦學國家重點實驗室。華海清科參與了國家02專項項目——「28-14nm拋光設備及工藝、配套材料產業化」項目,是我國在拋光設備領域的領軍企業。華海清科的CMP設備目前主要有Universal-300 Dual、Universal-300 Plus、Universal-300、Universal-300B、Universal-200 Plus、Universal-200,具有完全自主智慧財產權。
幾乎所有工藝流程都需要清洗環節,這就用到了清洗設備。清洗設備在半導體設備市場中價值量佔比約5-6%,相較光刻、刻蝕等核心設備價值量較低,同時技術門檻較低,比較容易首先實現全面國產化。
盛美半導體是該領域的龍頭,目前在國內的國產清洗設備市場中,盛美佔據80%左右的市場份額,其餘20%則由北方華創、芯源微和至純科技三家公司瓜分。除了盛美,北方華創的清洗設備也能滿足28nm技術節點的需求。作為行業龍頭,盛美半導體在2009年就研發出了第一款兆聲波清洗技術SAPS。此後,陸續研發出了TEBO、Tahoe等全球領先的半導體清洗技術,技術節點正向5nm、3nm等先進位程工藝不斷突破。
半導體檢測是保證產品良率和成本管理的重要環節,分為前道量測(又稱半導體量測設備)和後道測試(又稱半導體測試設備)。前道檢測設備領域中,科磊、應用材料、日立合計佔比76%。在後道測試設備領域,日本愛德萬、美國泰瑞達兩家國際測試機龍頭企業產品線齊全,營收規模大,合計佔有80%的份額;中高端晶片測試機幾乎被國外企業壟斷,國內華峰測控和長川科技在部分細分領域也有所突破,北京冠中集創深耕CIS晶片測試機,開始向Memory領域滲透。
總的來看,雖然我國在半導體產業鏈中許多設備距離世界先進水平還有差距,但都有相應的追趕者,目前研發進度喜人,未來有望組建出一條先進半導體製程的「去美化」晶片生產線。