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深度解讀：半導體的“雕刻刀”——刻蝕設備的發(fā)展與突破

發(fā)布時間：2022-01-27發(fā)布人：

深度解讀：半導體的“雕刻刀”——刻蝕設備的發(fā)展與突破

半導體工藝與設備 2022-01-05 11:05

一，刻蝕設備：半導體制造工藝的核心設備之一


作為大部分的電子產(chǎn)品中的核心單元主要材料，半導體在消費電子、通信系統(tǒng)、醫(yī)療儀器等領域有廣泛應用。完整的半導體產(chǎn)業(yè)鏈包括半導體設計公司、半導體制造公司、半導體封測公司和半導體設備與材料公司。

其中，半導體設備的主要應用階段為半導體的制造與封測工藝流程。半導體的制造工藝流程包括晶圓制造、晶圓加工和封裝測試三個部分。

晶圓制造：將半導體材料開采并根據(jù)半導體標準進行提純后，通過一系列化學反應和表面處理，形成帶有特殊粒子和結(jié)構(gòu)參數(shù)的晶體，經(jīng)過一系列處理后制成晶圓薄片（主要是硅晶圓），過程中主要運用單晶爐、CMP、清洗機等設備。

晶圓加工：制成晶圓后，在表面上形成器件或集成電路，其中，前端工藝線（FEOL）是晶體管和其他器件在晶圓表面上的形成，后端工藝線（BEOL）是以金屬線把器件連在一起并加一層最終保護層。加工過程中主要運用光刻機、刻蝕機、薄膜沉積設備、離子注入機、清洗機等設備。


封裝測試：晶圓上的芯片需要經(jīng)過多道工序才能分隔開，并要進行針對性的測試和封裝，得到應用于不同電子單元、不同下游領域的成品芯片，過程中主要運用各類測試和封裝設備。



不同過程所需投資額以及相應半導體設備不同。根據(jù)Gartner和SEMI等機構(gòu)的統(tǒng)計，按工程投資分類潔凈室投資占比約為20-30%左右，其余的70%主要為半導體相關(guān)設備采購。

其中晶圓加工環(huán)節(jié)（即賦予晶圓相應的電學特性）所需設備投資價值占比最高，約占80%左右。封裝測試環(huán)節(jié)和晶圓制造環(huán)節(jié)受先進制程工藝影響較小，對于設備精度需求相對較低，因此所需設備投資價值量占比較低，分別為20% 和0.5%。

晶圓加工環(huán)節(jié)設備又可進一步分為刻蝕設備、光刻設備、薄膜沉積設備、化學機械拋光設備、檢測設備和其他沉積設備等。根據(jù)SEMI的統(tǒng)計，其中刻蝕設備投資占比第一，2017年占晶圓加工環(huán)節(jié)設備銷售額的24%。


在半導體制造工藝中，薄膜沉積、光刻、刻蝕三大工藝是半導體制造流程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接決定了芯片的分層結(jié)構(gòu)、表面電路圖形等，顯著影響芯片的電學參數(shù)和應用性能。

其中，刻蝕是用化學或者物理方法將晶圓表面不需要的材料逐漸去除的過程， 決定了晶圓上的芯片電路能否與光掩模版上的芯片電路保持一致，是圖形化工藝中的重點。主要考慮的參數(shù)有刻蝕速率、刻蝕剖面（各向同性/各向異性）、刻蝕偏差、選擇比（對兩種不同材料刻蝕速率的比值大小）、均勻性、殘留物等。


按照工藝劃分，刻蝕主要分為濕法刻蝕和干法刻蝕兩大類。

濕法刻蝕：濕法刻蝕主要利用化學試劑與被刻蝕材料發(fā)生化學反應進行刻蝕，由于采用化學方法刻蝕，因此其刻蝕是各向同性的（橫向縱向的材料均會被腐蝕），側(cè)壁容易產(chǎn)生橫向刻蝕造成刻蝕偏差，通常用于工藝尺寸較大的應用（局限于3μm以上的圖形尺寸）；此外，濕法刻蝕還存在后續(xù)沖洗和干燥、液體化學品有毒害、潛在的工藝污染等問題。

干法刻蝕：干法刻蝕主要利用反應氣體與等離子體進行刻蝕，具有各向異性（刻蝕的時候可以控制僅垂直方向的材料被刻蝕，而不影響橫向的材料）的優(yōu)點，適用于尺寸較小的先進制造工藝。同時其以氣體為主要媒介，不需要液體化學品或沖洗。干法刻蝕進一步又可以分為等離子體、離子銑和反應離子刻蝕三種技術(shù)，其中以干法等離子體刻蝕為主導。

按照刻蝕的材料劃分，刻蝕可分為介質(zhì)刻蝕、硅刻蝕和金屬刻蝕三大類。根據(jù)BARRON’S的統(tǒng)計，針對氧化硅、氮化硅等介質(zhì)材料刻蝕的介質(zhì)刻蝕設備占比約48%、針對單晶硅、多晶硅、硅化物等硅材料刻蝕的硅刻蝕設備占47%，占據(jù)了市場的主導地位。


二，刻蝕設備市場空間大，國外廠商目前占據(jù)主導地位

刻蝕設備成長驅(qū)動力之一：
長期看，受益全球半導體需求增加與產(chǎn)線產(chǎn)能的擴充。

全球半導體產(chǎn)業(yè)空間廣闊，根據(jù)全球半導體貿(mào)易統(tǒng)計組織（WSTS）的數(shù)據(jù)，2018年全球半導體（含分立器件、光電子、傳感器、集成電路）市場規(guī)模高達4687.8億美元，同比增13.7%，十年復合增速達6.5%。

展望未來，我們認為在5G、AI、汽車電子等新興領域的驅(qū)動下，半導體的長期成長空間有望進一步拉大。從半導體的應用結(jié)構(gòu)來看，根據(jù)賽迪顧問的統(tǒng)計，2018年半導體下游應用領域分別為通信（32.4%）、計算機（30.8%）、工業(yè)（12%）、消費電子（12%）、汽車（11.5%）、政府（1%），每個領域均有相應的成長點，5G網(wǎng)絡的建設、人工智能的應用與產(chǎn)品升級、智能終端的技術(shù)創(chuàng)新以及自動駕駛的持續(xù)滲透等，都帶來了半導體產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模的進一步提升。


刻蝕設備成長驅(qū)動力之二：


先進制程與存儲技術(shù)帶來刻蝕設備增長機遇。

一方面，在14納米到10納米、7納米甚至5納米的制程演進中，現(xiàn)在市場上普遍適用的沉浸式光刻機受光波長的限制，關(guān)鍵尺寸無法滿足要求，因此需要通過多次沉積+刻蝕的方式來實現(xiàn)更小的尺寸，多重模板工藝顯著增加了刻蝕設備的需求。同時由于關(guān)鍵尺寸的減小，對刻蝕的各項指標的要求也更加嚴苛，隨著制程的不斷演進，刻蝕設備的占比近年來也呈現(xiàn)快速提升趨勢。

另一方面，2D存儲器件線寬接近物理極限，NAND閃存進入3D時代，而3D NAND需要增加堆疊的層數(shù)，需要刻蝕加工更深的孔以及更深的挖槽，增加了對刻蝕設備的投資需求。根據(jù)東京電子的統(tǒng)計，3D NAND中刻蝕設備的支出占比達到 50%，遠高于此前工藝NAND的15%。

從市場規(guī)模的數(shù)據(jù)來看，根據(jù)Wind的統(tǒng)計，2018年全球半導體設備達到645.3億美元，同比增14%，其中晶圓處理設備為502億美元，占比78%，同比增52%。其中，假定2018年刻蝕設備占晶圓處理設備比例與SEMI披露的2017年的24%相同，則2018年刻蝕設備的全球市場規(guī)模突破百億美元級別，達120.5億美元，同比增56%。

半導體設備整體、以及細分的刻蝕設備行業(yè)屬于典型的技術(shù)密集型行業(yè)，產(chǎn)品技術(shù)含量高、附加值高、對企業(yè)研發(fā)提出較高要求。同時配套產(chǎn)業(yè)要求高、客戶認證周期長，對采購、銷售等業(yè)務管理能力也提出了較高的要求。國外巨頭由于起步早，資金、技術(shù)、客戶資源、品牌等方面具備優(yōu)勢，目前占據(jù)較高市場份額。根據(jù)VLSI Research的統(tǒng)計，2018年全球前五大半導體設備制造廠商，占據(jù)了全球半導體設備市場65%的市場份額。

在需求增長較快的刻蝕設備領域，行業(yè)集中度更高，根據(jù)The Information Network的數(shù)據(jù)，泛林半導體、東京電子、應用材料2017年市場占有率分別為55%、20%和19%，合計占據(jù)94%的市場份額。國內(nèi)刻蝕設備廠商為中微公司和北方華創(chuàng)。

三，國內(nèi)刻蝕設備迎來突破，成為國產(chǎn)替代先鋒

首先，政策、資金、市場助力，國內(nèi)半導體設備迎來密集投資期。

當前中國半導體設備迎來發(fā)展機遇，從需求端的角度來看，政策、資金、市場是三大助力因素：

政策扶持：早在2008年出臺的“02專項”實現(xiàn)國產(chǎn)半導體設備從零到一大跨越。取得了顯著階段成果，包括服務全球的65-28nm先進制程工藝、高密度封裝技術(shù)、30多種高端設備和上百種關(guān)鍵材等。

同時誕生了以北方華創(chuàng)、中微電半導體等國內(nèi)半導體設備龍頭廠商。近幾年政府也先后出臺《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》、《鼓勵集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展企業(yè)所得稅政策》等政策，從稅收、資金等各個維度為半導體產(chǎn)業(yè)給予扶持，并對半導體設備產(chǎn)業(yè)提出了明確的發(fā)展目標要求。

資金支持：大基金一期投資完畢，注資領域重點在晶圓代工領域，投資方向主要集中在先進工藝產(chǎn)線和存儲器設計。其中代工企業(yè)晶圓廠擴產(chǎn)以及先進制程工藝提升均需采購跟多數(shù)量以及更為先進的半導體設備，目前國內(nèi)半導體設備在300mm晶圓以及28nm工藝已經(jīng)具備全球競爭力水平，隨著14nm工藝設備完成驗證以及商用，國內(nèi)半導體設備制造商有望新一輪晶圓制造投資。

下游市場：中國為最主要的全球半導體需求市場，根據(jù)WSTS數(shù)據(jù)，2018年中國大陸半導體銷售額占全球銷售額占比為34%，根據(jù)Wind統(tǒng)計，近年來中國半導體設備銷售額占全球比重不斷提升，但至2018年也僅有20%，仍然有不小提升空間。

三大因素助力中國內(nèi)地晶圓制造產(chǎn)線增加，帶來半導體設備投資機遇。根據(jù)我們的統(tǒng)計，中國內(nèi)地目前在建的晶圓廠：12寸晶圓廠共16條，投資額合計6,058億元；8寸晶圓廠共6條，投資額合計247億元。另外計劃建設的晶圓廠13條，其中有披露投資額的合計4,946億元。而晶圓廠設備采購時間一般為投產(chǎn)前1年左右開始，投產(chǎn)后1年完成相關(guān)晶圓廠設備采購，帶來了半導體設備的投資機遇。

其次，國內(nèi)廠商刻蝕設備迎來突破，有望顯著受益。

國內(nèi)刻蝕設備的主要廠商為中微公司和北方華創(chuàng)，近年來兩家公司分別在技術(shù)儲備以及客戶認證方面取得了良好的進展。中微公司經(jīng)過多年積累，刻蝕設備技術(shù)已接近國際領先水平，目前在65納米到7納米的加工上均有刻蝕應用，并已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前公司正在進行7納米和5納米部分刻蝕應用的客戶端驗證，進展良好。北方華創(chuàng)部分設備如硅刻蝕機也已經(jīng)在國產(chǎn)12英寸設備已經(jīng)在生產(chǎn)線上實現(xiàn)批量應用。

根據(jù)中國國際招標網(wǎng)的數(shù)據(jù)，2017年中標長江存儲刻蝕機訂單一共54臺，其中中微半導體中標7臺，占比約7%，而2018-2019年一共中標81臺刻蝕機，其中中微半導體和北方華創(chuàng)分別中標12臺和3臺，占比顯著提升至15%和4%。可以看出中微公司和北方華創(chuàng)的突破進展喜人，未來有望繼續(xù)顯著受益。

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