6月,国内半导体公司的涨价函再次袭来,包括比亚迪、晶丰明源、必易微、集创北方等在内的多家半导体公司都发布了涨价函。

这样如此疯狂涨价的热浪中,我国在大陆内加大力度投资建立了晶圆厂,所购买的半导体设备就花费了差不多两百亿美元,在全世界的市场排名中位列第一位。可见,我国对于半导体产业的重视程度可见一斑。【更多阅读】

什么是半导体设备?

半导体产业的核心在于制造,制造的核心是工艺,工艺的核心是设备和材料,因此就有“一代设备,一代工艺,一代产品”的说法。

半导体设备即主要应用于半导体制造和封测流程的设备,广义上也包括生产半导体原材料所需的机器设备,半导体设备是半导体制造的基石,是半导体行业的基础和核心。

从产业链来看,半导体设备的上游主要是单晶硅片制造以及IC设计,下游则主要为IC封测。

根据半导体设备在IC制造中应用的场景不同,一般可以分为氧化炉、涂胶显影设备、光刻机、刻蚀机、离子注入机、清洗设备、质量/电学检测设备、CMP设备、CVD设备和PVD设备等。

中国是半导体设备最大市场

代表全球电子产品设计与制造供应链的行业协会SEMI近日发布报告称,全球半导体制造设备的销售额从2019年的598亿美元飙升19%,至2020年的712亿美元,创下历史新高。

中国大陆首次成为新半导体设备的最大市场,销售额增长39%,达到187.2亿美元。第二大设备市场中国台湾的销售额在2019年出现强劲增长后,在2020年保持平稳,销售额为171.5亿美元。韩国经济增长61%,达到160.8亿美元,保持第三位。日本和欧洲的年度支出也分别增长了21%和16%,这两个地区都在从2019年的萎缩中复苏。北美的收入在连续三年增长之后,在2020年下降了20%。

全球半导体设备制造商分布

全球知名的半导体设备制造商主要分布在美国、荷兰、日本等地。

其中,美国的等离子刻蚀设备、离子注入机、薄膜沉积设备、检测设备、测试设备、表面处理设备等设备的制造技术位于世界前列;荷兰则是凭借ASML的高端光刻机在全球处于领先地位;在刻蚀设备、晶圆清洗设备、检测设备、测试设备、氧化设备等方面,日本极具竞争优势。

美国半导体产业调查公司VLSI(美国加利佛洛尼亚州)公布了2020年半导体设备厂商销售量排行榜。2020年,市场规模同比增长18%,达到924亿美元(约人民币6035亿元),印证了半导体市场即使在新冠疫情影响下,也因数字化进程发展而表现强劲。美国半导体产业调查公司VLSI(美国加利佛洛尼亚州)公布了2020年半导体设备厂商销售量排行榜。2020年,市场规模同比增长18%,达到924亿美元(约人民币6035亿元),印证了半导体市场即使在新冠疫情影响下,也因数字化进程发展而表现强劲。

2020年Applied Materials(AMAT)公司依旧保持首位。除了在2011年败给ASML公司外,AMAT公司多年来一直保持榜首位置。与2019年相比,除第三、第四名互换、Lam Research公司位置上升之外,Kokusai Electric公司也上升了一位。此外,曾跌出排行榜的韩国SEMES公司销量大幅增长,取代了2019年第15位的佳能,自2018年以来首次进入TOP15。

在前15位公司中,有7家日本公司上榜,分别是:Tokyo Electron、Advantest、SCREEN、Hitachi Higt-Tech、Kokusai Electric、Nikon、Daifuku。

此外,排名前15位的公司中,只有两家公司的销售额同比下降。入选的中国企业是ASM Pacific Technology,排在第十四位。

公开资料显示,ASM太平洋科技有限公司是一家主要从事半导体及电子行业机械及材料生产业务的香港投资控股公司,于1989年香港上市,目前其54%的股份由ASM International N.V. 所有。总部设在中国香港特别行政区,但是却同时在中国深圳,新加坡和马来西亚拥有生产和研发基地。

2020 Rank AOW COMPANY 2019 2020 Growth 2020 Share
1 USA Applied Materials 13468 16365 21.5% 17.7%
2 Europe ASML 12770 15396 20.6% 16.7%
3 USA Lam Research 9549 11929 24.9% 12.9%
4 Japan Tokyo Electron 9552 11321 18.5% 12.3%
5 USA KLA 4704 5443 15.7% 5.9%
6 Japan Advantest 2470 2531 2.5% 2.7%
7 Japan SCREEN 2200 2331 6% 2.5%
8 USA Teradyne 1553 2259 45.5% 2.4%
9 Japan Hitachi High-Tech 1490 1717 15.2% 1.9%
10 Europe ASM international 1261 1516 20.2% 1.6%
11 Japan Kokusai Electric 1127 1455 29.1% 1.6%
12 Japan Nikon 1104 1085 -1.7% 1.2%
13 Korea SEMES 489 1056 116% 1.1%
14 Row ASM Pacific Technology 894 1027 14.9% 1.1%
15 Japan Daifuku 1107 940 -15.1% 1%
Others 14294 16034 12.2% 17.4%
TOTAL 78032 92405 18.4% 100%

source:VLSI Research

半导体设备细分产品结构

从产品细分结构来看,目前供应的半导体设备主要为晶圆加工设备,其占市面上半导体设备的比重约为80%;

在这些晶圆加工设备中,以光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备为主,这三类半导体设备分别约占市面上半导体设备的24%、20%和20%。

半导体设备类别
硅片制造设备 光刻机 刻蚀机 薄膜生长设备 扩散及离子注入 湿法设备 工艺检测设备 封装测试设备

硅片制造设备

硅片是半导体、光伏电池生产的主要原材料,90%以上的集成电路都是制作在高纯、优质的硅片上的。

1、半导体硅片的制造难度大于光伏硅片。半导体硅片纯度要求达到99.99999999999%,即11个9以上,而普通太阳能级多晶硅材料纯度通常在5-8个9左右。

2、硅片直径越大制造难度越大。硅片制备工艺流程包括:单晶生长→截断→外径滚磨(定位槽或参考面处理)→切片→倒角→表面磨削→(刻蚀)→边缘抛光→双面抛光→单面抛光→最终清洗→(外延/退火)→包装等。

硅片制造过程中涉及到单晶炉、滚磨机、切片机、倒角机、研磨设备、CMP抛光设备、清洗设备、检测设备等多种生产设备。其中单晶炉、抛光机、测试设备是主要设备,分别约占硅片厂设备投资的25%、25%、20%。日本在硅片制备设备产业中占有相对优势,其产品覆盖了硅片制造的全套设备。

晶圆制造设备——光刻机

在集成电路制造工艺中,光刻是决定集成电路集成度的核心工序,该工序的作用是将电路图形信息从掩模版上保真传输、转印到半导体材料衬底上。光刻工艺的基本原理是,利用涂敷在衬底表面的光刻胶的光化学反应作用,记录掩模版上的电路图形,从而实现将集成电路图形从设计转印到衬底的目的。

光刻机分为无掩模光刻机和有掩模光刻机两大类。无掩模光刻机又称直写光刻机,按照所采用的辐射源的不同可分为电子束直写光刻机、离子束直写光刻机、激光直写光刻机,分别用于不同的特定应用领域。

例如,电子束直写光刻机主要用于高分辨率掩模版、集成电路原型验证芯片的制造,以及特种器件的小批量制造;激光直写光刻机主要用于特定的小批量芯片的制造。 有掩模光刻机又分为接触/接近式光刻机和投影式光刻机。接触式光刻出现于20世纪60年代,是小规模集成电路(SSI)时代的主要光刻手段,主要用于生产制程在5μm以上的集成电路。

接近式光刻机于20世纪70年代在小规模集成电路与中规模集成电路(MSI)时代早期被广泛应用,主要用于生产制程在3μm以上的集成电路。目前接触接近式光刻机的国外生产商主要有德国的苏斯公司、奥地利EVG公司,国内生产商主要有中电科45所、中科院光电技术研究所等

投影光刻机自20世纪70年代中后期开始替代接触接近式光刻机,是先进集成电路大批量制造中的唯一光刻形式。早期的投影光刻机的掩模版与衬底图形尺寸比例为1:1,通过扫描方式完成整个衬底的曝光过程。随着集成电路特征尺寸的不断缩小和衬底尺寸的增大,缩小倍率的步进重复光刻机问世,替代了图形比例为1:1的扫描光刻方式。

当集成电路图形特征尺寸小于0.25μm时,由于集成电路集成度的进一步提高,芯片面积更大,要求一次曝光的面积增大,促使更为先进的步进扫描光刻机问世。在0.18μm工艺节点后,高端光刻机厂商基本采用步进扫描技术,并一直沿用至今。

步进扫描投影光刻机的主要生产厂商包括ASML(荷兰)、尼康(日本)、佳能(日本)和SMEE (中国)。ASML于2001年推出了TWINSCAN系列步进扫描光刻机,采用双工件台系统架构,可以有效提高设备产出率,已成为应用最为广泛的高端光刻机。

ASML在光刻机领域一骑绝尘,一家独占全球70%以上的市场份额。国内厂商上海微电子 (SMEE)研制的90nm高端步进扫描投影光刻机已完成整机集成测试,并在客户生产线上进行了工艺试验。

晶圆制造设备——刻蚀机

刻蚀是使用化学或者物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程。通常的晶圆加工流程中,刻蚀工艺位于光刻工艺之后,有图形的光刻胶层在刻蚀中不会受到腐蚀源的显著侵蚀,从而完成图形转移的工艺步骤。刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种。早期普遍采用的是湿法刻蚀,但由于其在线宽控制及刻蚀方向性等多方面的局限,3μm之后的工艺大多采用干法刻蚀,湿法刻蚀仅用于某些特殊材料层的去除和残留物的清洗。

干法刻蚀也称等离子刻蚀。干法刻蚀是指使用气态的化学刻蚀剂(Etchant)与圆片上的材料发生反应,以刻蚀掉需去除的部分材料并形成可挥发性的反应生成物,然后将其抽离反应腔的过程。刻蚀剂通常直接或间接地产生于刻蚀气体的等离子体,所以干法刻蚀也称等离子体刻蚀。

等离子体刻蚀机可以根据等离子体产生和控制技术的不同而大致分为两大类,即电容耦合等离子体(capacitivelycoupled plasma,CCP)刻蚀机和电感耦合等离子体(Inductively coupled plasma,ICP)刻蚀机。

在集成电路生产线上,等离子体刻蚀设备通常按照被刻蚀材料的种类分为硅刻蚀设备、金属刻蚀设备和电介质刻蚀设备三大类。

CCP刻蚀机主要用于电介质材料的刻蚀工艺,如逻辑芯片工艺前段的栅侧墙和硬掩模刻蚀,中段的接触孔刻蚀,后段的镶嵌式和铝垫刻蚀等,以及在3D闪存芯片工艺(以氮化硅/氧化硅结构为例)中的深槽、深孔和连线接触孔的刻蚀等。

ICP刻蚀机主要用于硅刻蚀和金属刻蚀,包括对硅浅沟槽(STI)、锗(Ge)、多晶硅栅结构、金属栅结构、应变硅(Strained-Si)、金属导线、金属焊垫(Pad)、镶嵌式刻蚀金属硬掩模和多重成像(Multiple Patteming)技术中的多道工序的刻蚀等。另外,随着三维集成电路(3D IC)、CMOS图像传感器(CIS)和微机电系统(MEMS)的兴起,以及硅通孔(TSV)、大尺寸斜孔槽和不同形貌的深硅刻蚀应用的快速增加,多个厂商推出了专为这些应用而开发的刻蚀设备。

随着工艺要求的专门化、精细化,刻蚀设备的多样化,以及新型材料的应用,上述分类方法已变得越来越模糊。除了集成电路制造领域,等离子体刻蚀还被广泛用于LED、MEMS及光通信等领域。随着芯片集成度的不断提高,生产工艺越来越复杂,刻蚀在整个生产流程中的比重也呈上升趋势。因此,刻蚀机支出在生产线设备总支出中的比重也在增加。

国际巨头泛林集团、东京电子、应用材料均实现了硅刻蚀、介质刻蚀、金属刻蚀的全覆盖,占据了全球干法刻蚀机市场的80%以上份额。国内厂商中微半导体在介质刻蚀领域较强,其产品已在包括台积电、海力士、中芯国际等芯片生产商的20多条生产线上实现了量产;

晶圆制造设备——薄膜生长设备

采用物理或化学方法是物质(原材料)附着于衬底材料表面的过程即为薄膜生长。薄膜生长广泛用于集成电路、先进封装、发光二极管、MEMS、功率器件、平板显示等领域。

PVD领域,AMAT一家独大,约占全球市场份额的80%以上;CVD领域,AMAT、LAM、TEL三家约占全球市场份额的70%以上。

国内设备厂商中北方华创薄膜设备产品种类最多,目前其28nm 硬掩膜PVD已实现销售,铜互连PVD、14nm 硬掩膜PVD、Al PVD、LPCVD、ALD设备已进入产线验证。中微半导体的MOCVD在国内已实现国产替代。沈阳拓荆的65nm PECVD已实现销售。

晶圆制造设备——扩散及离子注入设备

在集成电路制造过程中,掺杂主要有扩散和离子注入两种工艺,扩散属于高温工艺,而离子注入工艺属于低温工艺。

扩散工艺是向硅材料中引人杂质的一种传统方法,控制圆片衬底中主要载流子的类型、浓度和分布区域,进而控制衬底的导电性和导电类型。扩散工艺设备简单,扩散速率快,掺杂浓度高,但扩散温度高,扩散浓度分布控制困难,难以实现选择性扩散。

离子注入工艺是指使具有一定能量的带电粒子(离子)高速轰击硅衬底并将其注入硅衬底的过程。离子注入能够在较低的温度下,可选择的杂质种类多,掺杂剂量控制准确,可以向浅表层引人杂质,但设备昂贵,大剂量掺杂耗时较长,存在隧道效应和注人损伤。

离子注入机是集成电路装备中较为复杂的设备之,根据注入离子的能量和剂量的不同,离子注入机大体分为低能大束流离子注入机、中束流离子注入机和高能离子注入机3种类型。其中,低能大束流离子注入机是目前占有率最高的注入机,适用于大剂量及浅结注入,如源漏极扩展区注入、源漏极注入、栅极掺杂以及预非晶化注入等多种工艺。中束流离子注入机可应用于半导体制造中的沟道、阱和源漏极等多种工艺。高能离子注入机在逻辑、存储、成像器件、功率器件等领域应用广泛。

离子注入设备厂商主要有美国的AMAT、Axcelis等。国内生产线上使用的离子注入机多数依赖进口,国内北京中科信、中电科48所、上海凯世通等也能提供少量产品。其中,中科信公司已具备不同种类(低能大束流、中束流和高能)离子注入机上线机型的量产能力。

晶圆制造设备——湿法设备

湿法工艺是指在集成电路制造过程中需要使用化学药液的工艺,主要有湿法清洗、化学机械抛光和电镀三大类。

湿法清洗是指针对不同的工艺需求,采用特定的化学药液和去离子水,对圆片表面进行无损伤清洗,以去除集成电路制造过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层、抛光残留物等物质。

湿法清洗机主要分为槽式清洗机和单圆片清洗机。槽式清洗技术是由美国无线电公司(RCA)于1970年提出的,它是通过多个化学槽体、去离子水槽体和干燥槽体的配合使用,完成圆片清洗工艺。

槽式圆片清洗机主要厂商有日本的迪恩士(SCREEN)、东京电子(Tokyo Electron)和JET,三家约占全球75%以上的市场份额。韩国的SEMES和KCTECH主要供给韩国市场。

单圆片清洗设机主要厂商有日本的迪恩士、东京电子和美国泛林集团提供,三家约占全球70%以上的市场份额。

在国内的单圆片湿法设备厂商中,盛美半导体独家开发的空间交变相位移(SAPS)兆声波清洗设备和时序气穴振荡控制(TEBO)兆声波清洗设备已经成功进入韩国及中国的集成电路生产线并用于大规模生产。北方华创的清洗机也成功进入中芯国际生产线。

化学机械抛光(CMP)是指圆片表面材料与研磨液发生化学反应时,在研磨头下压力的作用下进行抛光,使圆片表面平坦化的过程。

CMP设备主要生产商有美国AMAT和日本Ebara,其中AMAT约占CMP设备市场60%的份额,Ebara约占20%的份额。国内CMP设备的主要研发单位有天津华海清科和中电科45所,其中华海清科的抛光机已在中芯国际生产线上试用。

电镀是指在集成电路制造过程中,用于加工芯片之间互连金属线所采用的电化学金属沉积。随着集成电路制造工艺的不断发展,目前电镀已经不限于铜线的沉积,还涉及锡、锡银合金、镍等金属的沉+积,但金属铜的沉积仍是其中最主要的部分。

电镀设备主要的生产商包括Lam Research、AMAT以及TEL。其中,Lam Research在前道的镶嵌式技术电镀铜设备中占据90%以上的市场份额,日本的东京电子在先进封装领域约占据50%市场。盛美半导体设备已经掌握了电镀机的核心专利技术,包括多圆环阳极技术和兆声波辅助电镀技术等, 自主开发了Utra ECP系列电镀机。

晶圆制造设备——工艺检测设备

工艺检测设备是应用于工艺过程中的测量类设备和缺陷(含颗粒)检查类设备的统称。随着芯片结构的不断细微化和工艺的不断复杂化,工艺检测设备在先进的前段生产线中起着越来越重要的作用。目前工艺检测设备投资占整个前端工艺设备总投资的10%~15%。

工艺检测设备的供应商主要有科磊半导体、应用材料、日立高新等,国内厂商主要有上海睿励科学仪器和深圳中科飞测科技。

封装测试设备

封装和组装可分为四级,即芯片级封装(0级封装)、元器件级封装(1级封装)、板卡级组装(2级封装)和整机组装(3级封装)。

为加快集中检测电学参数的速度,降低集成电路的测试成本,半导体产业界开发了相关的自动测试设备(ATE)。利用计算机控制, ATE能够完成对集成电路的自动测试。

近年来,测试设备商经过不断整合,形成了以日本爱德万测试(ADVANTEST)和美国泰瑞达(TERADYNE)两大公司,其产品约占全球半导体企业测试设备市场份额的80%以上。国内测试设备厂商有长川科技、华峰测控、广立微等。

每大类设备市场中,最终都形成了寡头竞争的格局,前三名厂商占据了绝大部分的市场份额,呈现强者恒强大者恒大的特点。

我国半导体设备政策扶植

从政策环境上来看,我国对于半导体设备行业较为重视。其主要表现在对于整个IC产业链企业的政策优待以及对于半导体设备行业的相关规划与推动。

其中较为突出的是《极大规模集成电路制造装备及成套工艺》项目(02专项),其以专项的形式组织了一批国内半导体设备公司进行了一系列重点工艺和技术的攻关,有效促进了我国半导体设备行业的发展,使得我国半导体设备行业涌现出了一批拥有国际竞争力的龙头企业。

政策 解读
《中国制造2025》 着力提升集成电路设计水平,学握高密度封装及三维(3D)微组装技术。提升封装、测试产业的自主发展能力,形成关健制造设备的供贷能力。
《我国集成电路产业“十三五”发展规划建议》 到2020年,集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩小,全行业销售收入年复合增长率为20%,达到9300亿元; 16/14nm 制造工艺实现规模量产,封装测试技术进人全球第-梯队。关键装备和材料进人国际采购体系,基本建成技术先进、安全可靠的集成电路产业体系。
《国家高新技术产业开发区“十三五”规划》 优化产 业结构,推进集成电路及专用装备关键核心技术突破和应用。
《“十三五”国家科技创新规划》 攻克14nm刻蚀设备、薄膜设备、掺杂设备等高端制造装备及零部件, 突破28nm浸没式光刻机及核心部件,研发14nm逻辑与存储芯片成套工艺及相应系统封测技术,形成28-14nm装备、材料、工艺、封测等较完整的产业链。
《极大规模集成电路制造装备及成套工艺》项目(02专项) 构建光刻设备和封测等产业技术创新联盟,集合产业链上制造工艺、装备、相关零部件和材料等上下游企业、相关研究机构和高等院校达200多家单位共同开展产学研用协同攻关,引导地方和社会的产业投资跟进,扶植专项支持的企业做大做强,推动成果产业化,形成产业规模,提高整体产业实力。
——“02专项”阶段性进展情况 ——
  • 北方华创

    阶段性进展

    “45- -32mm LPCVD设备产业化”项目、“14nm立体栅等离子体刻蚀机研发及产业化”项目、"28-14nm 原于层沉积系统( ALD)产品研发及产业化”项目、14-7m CuBS多工艺腔室集成装备研发及产业化”项目等4个项目有序开展。

  • 上海徽电子

    阶段性进展

    02专项“浸没光刻机关键技术预研项目”通过国家验收;“90mm 光刻机样机研制”任务通过了02专项专家组现场测试。

  • 晶方科技

    阶段性进展

    建立了全球首条基于国产关键设备与材料的12英寸晶圈级硅通孔封装量产线,项目设备国产化率约80%,真正推动了国产设备及材料的全面产业化应用。

  • 北方微电子

    阶段性进展

    65m硅刻蚀机已经完成中芯国际生产线的全部工艺考核和认证,各项技术参数均达到国际主流设备水平,65nm- 45nm铜PVD (物理气相沉积)设备也依照项目计划节点进行工艺测试。

  • 中微半导体

    阶段性进展

    开发出12英寸能加工65纳米到40纳米的等离子体刻蚀设备;介质刻蚀设备已被10家亚湘芯片厂商的生产线接受,已经在5条生产线上生产出150多万片合格的芯片。