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巨头把持的半导体清洗市场,国内玩家如何突破窘境,叩响自主替代的“敲门砖”

时间:2022-08-01

来源:半导体产业纵横

导语:半导体一直是技术壁垒高、知识产权错杂的领域,长期市场运作下细分市场会呈现仅剩1~2家、至多3~4家企业的局面,居于寡头的厂商会采取峰价措施与潜在竞争者间博弈,半导体清洗领域亦如此。

  芯片制造过程中,“清洗”步骤虽然不起眼,但它占整个制造工序步骤30%以上。

  近日,中国半导体设备市场又传来一则重要信息,本土清洗设备厂商盛美上海推出新型化学机械抛光后(Post-CMP)清洗设备,这是该公司的第一款Post-CMP清洗设备,用于制造高质量衬底化学机械抛光工艺之后的清洗。该清洗设备6英寸和8英寸的配置适用于碳化硅(SiC)衬底制造;8英寸和12英寸配置适用于硅晶圆制造。

  在CMP步骤之后,需要在低温下使用稀释的化学品进行物理预清洗工艺,以减少颗粒数量。Post-CMP清洗设备能够满足这些要求。

  在用于晶圆加工的各种前道半导体设备当中,中国市场使用的清洗设备国产化率还是比较高的,达到38%,仅次于去胶设备的74%。38%的市占率,既拥有了一定规模,又具有比较大的发展空间,是很值得关注的一个品类。

  1、清洗工艺的重要性

  在晶圆加工的各个环节,清洗工艺必不可少,它主要用于去除晶圆加工过程中上一道工序遗留的超微细颗粒污染物、金属残留、有机物残留,以及光阻掩膜残留,也可根据需要进行硅氧化膜、氮化硅或金属等薄膜材料的湿法腐蚀,为下一步工序准备好晶圆表面条件。

  根据介质不同,半导体清洗技术主要分为干法清洗和湿法清洗两类。目前,湿法清洗是主流,占总清洗步骤数量的90%以上,湿法清洗针对不同的工艺需求,采用特定化学药液和去离子水,对晶圆表面进行无损伤清洗,以去除晶圆制造过程中的杂质,常辅以超声波、加热、真空等技术手段。干法清洗是指不使用化学溶剂的清洗技术,可清洗污染物比较单一,在28nm及以上制程技术的逻辑和存储芯片制造过程中有应用。

  工艺技术和应用条件上的区别使得市场上的清洗设备也有明显差异,目前,主要清洗设备有单晶圆清洗设备、自动清洗台和洗刷机三种,其它清洗设备还包括超声/兆声清洗设备、晶圆盒清洗设备、干法清洗设备(如等离子清洗设备)等,但这些设备的市场占比较小。

  随着大规模集成电路的发展,晶圆加工过程中清洗的重要性愈加凸出,且精度要求越来越高。在制程工艺节点为35nm时,参数要求已经较高,需要保证硅晶圆表面颗粒及COP密度小于0.1个/每平方厘米。而当下的先进制程节点在5nm以下,这对晶圆提出了更高的清洁参数要求。另外,经济效益也要求半导体公司在清洗工艺上不断突破,提高清洗设备的参数水平。随着制程节点不断缩小,对于那些寻求先进制程工艺芯片生产方案的制造商来说,有效的无损清洗将是一个重大挑战,尤其是7nm、5nm甚至更小制程节点的芯片,晶圆厂必须能够从平坦的晶圆表面除去更小的随机缺陷,还要适应更复杂、更精细的3D芯片架构,以免造成损害或材料损失,从而保证良率和利润。

  随着制程节点不断缩小,在晶圆加工过程中,良率随线宽缩小而下降,而提高良率的方式之一就是增加清洗工艺的步骤。在80nm-60nm制程中,约有100个清洗步骤,而到了20nm及以后的先进制程,清洗步骤上升到了200 个以上。

  2、巨头把持市场

  清洗设备约占半导体设备市场总规模的5%。2021年,清洗设备市场增长迅速,市场规模达到42亿美元,预计2022年将达到47亿美元。

  长期以来,全球清洗设备市场都被迪恩士(SCREEN)、TEL、LAM与细美事(SEMES,三星子公司)把持着,这四家公司合计市场占有率达到90%以上,其中,迪恩士市场份额最高,超过50%。多年来,迪恩士开发出了适于多种环境的各类清洗设备,并在清洗工艺的三个主要领域均获得第一的市场占有率。2014年后,盛美公司也进入该领域,占有较小的市场份额。

  由于自动清洗台技术门槛相对低,市场参与者更多,但市场份额由迪恩士和东京电子牢牢把持。洗刷机设备也基本由迪恩士和东京电子两家公司主导,迪恩士占据60%-70%的份额。

  迪恩士的市场领导地位源于其技术壁垒,该公司一直引领着最为先进的清洗技术。以单晶圆清洗设备为例,迪恩士不断实现技术改进和突破,开发新的清洗设备产品,从SU-2000、SU-3100到SU-3200,再到SU-3300,不断追求更大的晶圆清洗产能,同时有效降低晶圆厂成本。SU-3200可以集成12腔室,处理能力达到800片每小时,而SS-3300能够集成24腔室,处理能力更高,有效地解决了单晶圆清洗设备产能较低的缺陷,并充分发挥优异的清洗性能,符合10nm、7nm清洗参数要求。尤其是在存储芯片领域,随着DRAM厂商追求更小工艺节点、不断加大3D-NAND产线投资,SU-3300可以提供精细化的清洗技术,同时能够实现与自动清洗站接近的产能。

  迪恩士认为,清洗设备的未来发展集中在三个方面:一是晶圆代工厂和逻辑芯片厂不断布局更小工艺节点时的产线扩张,重点为高清洗精度单晶圆清洗设备;二是3D结构存储芯片,重点为高产能单晶圆清洗设备和高清洗精度自动清洗台;三是重视中国市场,这将是未来半导体世界的主场。

  3、国内玩家的窘境

  半导体制造设备有十一类,具体包括光刻机、过程检测设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备、离子注入设备、CMP设备、清洗设备、氧化退火设备、其它晶圆制造设备九类前道工艺设备,测试设备和封装设备两类后道工艺设备。这其中,清洗设备必不可缺。

  在制造半导体整体设备中,清洗设备的价值比其它制造设备低,约为5%~6%。但它会参与到芯片制造的各个环节,是其它赛道的敲门砖,也是芯片制造绕不开的环节。

  在芯片缺乏和芯片潮双重影响下,清洗设备市场规模将持续增加。据Marketwatch预计,2022年全球半导体清洗设备规模将达到55.91亿美元,至2028年达77.94亿美元,年复合增长率5.7%。

  与光刻机类似,清洗设备单台售价高、毛利率较高。以盛美为例,其单片清洗设备单价超过2500万元,毛利率约45%。

  从国际和国内清洗设备现状来看,马太效应显著。与光刻机类似,国产清洗设备的国产化率也不是非常高,但比其它种类半导体设备情况要乐观许多。数据显示,清洗设备的国产化率从2015年的15%提升到了2020年的20%,反观光刻机的国产化率一直小于1%,同时所有种类国产设备的总和仅占全球半导体供应链的5%。

  国产清洗设备的困难较大,导致赛道玩家极少,无外乎以下几方面因素:

  半导体最先进制程的研发的材料和晶圆厂商深度绑定,久而久之难免会集中度会愈加严重;

  市场客户会优先选择成熟设备,减少磨合时间和机会成本,降低经营风险,后进者要证明自己很难,特别是芯片这种生产成本极高的产业;

  除了清洗设备本身存在很高的技术壁垒,国产化核心部件供应大部分需要进口,关键材料国产化也是一大心病;

  半导体产业大部分工艺技术都存在专利,后发企业稍有不慎就会踏入侵权的射程;

  半导体人才严重缺乏,上游设备的领军人才尤甚。

  半导体一直是技术壁垒高、知识产权错杂的领域,长期市场运作下细分市场会呈现仅剩1~2家、至多3~4家企业的局面,居于寡头的厂商会采取峰价措施与潜在竞争者间博弈,半导体清洗领域亦如此。

  除此之外,地缘政治摩擦也成为不稳定因素之一:2022年3月,美国证监会(SEC)将纳斯达克与A股两地上市的盛美半导体列入“预摘牌”名单。

  4、国产化替代正逐步进行

  全球半导体清洗设备龙头主要有迪恩士、东京电子、韩国 SEMES、拉姆研究等。

  其中迪恩士处于绝对领先地位,2020 年占据了全球半导体清洗设备 45.1%的市场份额,东京电子、SEMES 和拉姆研究分别占据约 25.3%、14.8%和12.5%。

  我国半导体清洗领域的重要参与者包括至纯科技、盛美半导体、北方华创、芯源微等,国内厂商虽然起步较晚,但追赶势头强劲。

  目前半导体清洗设备国产化率维持在 10%~20%,突破速度最快,国产化率超过了其他大部分设备。

  再加上国家大基金二期加大了对设备厂商的投资,而且投资力度比一期更大,国内设备厂商迎来发展良机。

  成立大基金投资要比补贴政策能更精准地扶持有需要的企业,今天看到的很多半导体知名企业,都是大基金一期的投资标的,相信二期也会带动一大批公司持续走强。

  来源:半导体产业纵横,价值盐选,宽禁带联盟

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