半导体已经进入原子级加工水平,在这个精度上进行半导体器件制造,需要集合50多个学科的知识与技术。而且,加工精度只是一个维度,良率对半导体制造生死攸关,因此均匀性、稳定性、重复性、可靠性和洁净性都很重要,先进半导体加工环节超过1000个,哪个环节出了问题,都难以制造出符合产品性能与良率要求的芯片。
文︱罗艺
图︱网络
根据市场研究机构SEMI的统计,2020年中国大陆首次成为全球最大半导体设备区域市场,销售额年增39%,达到187．2亿美元;中国台湾排名第二,2020年设备商在台湾地区销售额达到171．5亿美元;韩国排名第三,销售额年增61%至160．8亿美元;日本排名第四,销售额也有75．8亿美元。东亚地区成为全球半导体军备竞赛高地,2020年合计砸出595．3亿美元,占当年全球半导体设备支出总额(712亿美元)比例高达83．6%。
由于地缘政治对于半导体供应链影响加剧,2021年各区域市场对半导体产能投资竞争白热化。台积电和三星均将2021年在半导体上的资本支出计划调至300亿美元以上,两家在先进工艺量产进度上拼死相争,都预计2022年量产3纳米工艺,而在美国政府召唤下,台积电和三星也将赴美设厂。毫无疑问,2021年又将是半导体设备厂商的一个丰收年,而中国大陆由于受到相关限制,无法购买高端EUV光刻机等设备,恐难守住最大设备市场宝座。
在台湾工业技术研究院(以下简称台湾工研院)看来,不同区域市场对半导体产业发展目标不同:作为全球最大半导体应用市场,中国大陆在供应链安全受到威胁的背景下,无疑更希望加快技术追赶,以缓解在制造、设备与材料等关键环节受控于人的现状;而美国作为全球半导体产业链主导者,将继续加强高端芯片制造设备对中国大陆的出口管制,美国也将出台新政以应对近年来美国晶圆制造能力下降的局面;作为全球晶圆制造密度最高的两个地区,中国台湾与韩国将有希望继续引领晶圆制造工艺发展趋势,这两个区域也将借助强大的制造能力,改善上游的材料与设备自主状况。
先进工艺发展方向
在28纳米之后,平面晶体管工艺达到极限,FinFET(鳍式晶体管)延续了摩尔定律,将工艺节点推进到现在的10纳米以下。不过FinFET路线也已经接近极限,三星将在3纳米工艺上率先采用GAA(全环绕栅极)结构,台积电则在3纳米节点继续FinFET结构,到2纳米节点再采用GAA结构。台湾工研院认为,英特尔在晶圆制造上遇到了麻烦,7纳米工艺(注:三家对工艺尺寸定义各有区别,不适合直接拿数字对比)或将延至2023年才能量产,预计英特尔在5纳米节点也将改为GAA架构。
资料来源:台湾工业技术研究院
GAA 全称 Gate-All-Around ,是一种环绕式栅极技术晶体管,也叫做 GAAFET。其概念提出很早,比利时 IMEC Cor Claeys 博士及其研究团队于 1990 年发表文章中提出。GAAFET 相当于 3D FinFET 的改良版,这项技术下的晶体管结构又变了,栅极和漏极不再是鳍片的样子,而是变成了一根根 “小棍子”,垂直穿过栅极,这样,栅极就能实现对源极、漏极的四面包裹。
资料来源:台湾工业技术研究院
对比FinFET,原来源极漏极半导体是鳍片(Fin),而现在栅极变成了鳍片。所以 GAAFET 和 3D FinFET 在实现原理和思路上有很多相似的地方——这对晶圆厂而言是很大优势。从三接触面到四接触面,并且还被拆分成好几个四接触面,显然栅极对电流的控制力又进一步提高了。
相比FinFET工艺,GAA结构具备更大的栅极接触面积,从而提升了晶体管对导电通道的控制能力,并显著改善电容等寄生参数,因而可以降低工作电压,减少漏电流,降低功耗与工作温度,从而有利于提高集成度,以继续延续摩尔定律。
由于新的结构所需的生产工艺与鳍式晶体管相似,关键工艺步骤几乎一样,可以继续使用现有的设备以及技术成果,对台积电和三星而言,这无疑是代价最低的技术路线更换方案。但GAA对加工精度要求进一步提高,需要区域选择性沉积技术与原子级加工能力,因而材料工程重要性提升,也将带动更多沉积与蚀刻设备商机。
五巨头把控的半导体前道设备市场
虽然2020年全球超过8成设备销往东亚地区,但除了日本,中(大陆加台湾)韩在设备业上影响力都不大。全球前五大半导体前道(即晶圆制造,封装为后道)设备厂商应用材料(AMAT)、阿斯麦(ASML)、泛林(Lam)、东京电子(TEL)和科磊(KLA)占据市场份额超过七成,其中只有东京电子总部在东亚,其余都是美欧企业。
资料来源:台湾工业技术研究院
具体来看,应用材料排名第一。其2020年营收172亿美元,其中半导体业务约占7成。应用材料在半导体设备上布局极广,其中PVD(薄膜沉积)设备全球占比38%,CMP(研磨抛光)设备占比70%,蚀刻设备占比15%,离子注入机占比67%。
阿斯麦排名第二,2020年营收139．8亿欧元。阿斯麦是光刻机大厂,在EUV(极紫外光)光刻机上更是目前全球唯一的供应商,得益于台积电、三星和英特尔对先进工艺的追求,2020年阿斯麦销售31台EUV光刻机,共计45亿欧元,仅这31台EUV光刻机就占其总营收32%。当前,ASML正联合供应链伙伴共同研发以推进更精细光刻加工技术,例如2020年推出多条电子束检测扫描系统,并将电子束与电子束之间的干扰限制在了2%以下,适用于5纳米节点以上的制程。阿斯麦还与泛林和imec合作开发干光刻胶技术,以提升EUV解析度,并减少光刻胶用量。并联合Lasertec研发新一代EUV光罩检测技术以降低成本,与台积电合作开发新一代EUV光罩洁净技术以降低成本。
东京电子2020年设备销售额为103．7亿美元,排名第三。东京电子涂胶显影设备市场份额占全球比例高达91%,其中EUV涂胶显影机更是独占全部市场份额,蚀刻机占全球比例为25%,沉积设备37%,清洗设备27%。2020年至2022年,东京电子计划投入4000亿日元研发经费,重点投入在选择性沉积、智能蚀刻、超临界流体清洗等技术方向。
泛林半导体2020年营收为100．5亿美元,排名第四。泛林是全球蚀刻设备龙头,其中存储器制造业务占比57%,逻辑工艺占比43%,是前五大设备厂商中,唯一存储器业务占比超五成的公司。如前所述,泛林和阿斯麦与imec在开发EUV干式光刻胶技术。
科磊半导体2020年营收为58．1亿美元,排名第五。科磊是全球晶圆检测设备龙头,市场份额约占五成以上。科磊在应力变形量测、多光束检测,也投入力量开发小于5纳米结构的电子束缺陷量测技术。
资料来源:台湾工业技术研究院
根据台湾工研院的估计,全球关键半导体设备在今后几年成长势头都非常好,除了DUV(深紫外)光刻设备,其余设备均呈正增长态势。其中ALD(原子层沉积)增长率最高,预计2020年至2025年期间,年均增长率达到26．3%,EUV设备增长率排名第二,年均增长率也达两位数。而以金额计EUV设备则独占鳌头,预计2025年EUV设备销售额达到125．5亿美元,超过蚀刻机,成为各细分方向销售额最高的半导体设备。
资料来源:台湾工业技术研究院
中国设备厂商任重道远
与国际厂商相比,无论是销售规模上,还是技术上,中国设备厂商差距都很大。根据电子专用设备工业协会数据,2019年国产半导体设备销售额为161．82亿元,只有前五大守门的科磊2019年收入(46亿美元)的一半左右,该协会在2020年10月估算,2020年国产半导体设备销售额总计可达213亿元,与科磊(58亿美元)相比,仍不足其60%。
国内外主要半导体设备公司对比(截至2021年1月6日)
资料来源:德邦证券
技术上,我国半导体设备基本还未参与到先进制程(3纳米及以下)研发阶段中,目前也尚不能支持28纳米这样的准主流工艺实现全国产化,大部分国产设备厂商现在能商用的产品还是以成熟工艺产线为主。以社会关注度较高的光刻机为例,国内主要是上海微电子装备有限公司(简称“上海微电子”),上海微电子主流产品还只能满足90纳米、110纳米等制程的光刻工艺要求。
但也有部分领域已经参与到先进工艺竞赛中。比如中微半导体在CCP刻蚀领域已经获得台积电认可,进入其7纳米/5纳米产线;北方华创,则在ICP刻蚀设备上较为出色,28纳米级以上刻蚀设备已经实现产业化,在先进制程方面,硅刻蚀设备已经突破14纳米技术,进入上海集成电路研发中心。
根据《中国制造2025》目标,2020年半导体核心基础零部件、关键基础材料应实现40%的自主率,2025年要达到70%国产化率。但根据长江存储、华力微电子等国内十家晶圆制造企业2017年至2021年一季度的公开招标信息来看,国产化率距离目标还很远。2017至2019年,这十家厂商合计开标4197台设备,其中国产设备为431台,国产化率约为10．3%;而2020年至2021年一季度这十家晶圆厂合计开标1862台设备,其中国产设备达315台,推算目前国产化率在17%,较2017至2019年增长超过6个百分点。
左:2017-2019年十大晶圆厂设备国产化率
右:2020-2021年一季度十大晶圆厂设备国产化率
资料来源:德邦证券
但国产半导体设备在过去几年也呈现出非常积极的变化。在技术上,以中微半导体、北方华创和屹唐半导体等为首的企业在刻蚀、沉积、干法去胶、清洗、离子注入等领域已经接近国际一流厂商。在市占率上,部分产品市占率已经超过20%,对国际半导体设备厂商市场地位发起了有力冲击。
在十大晶圆厂公布的招标信息中可以看出,2017年至2021年一季度,干法去胶设备国产化率达到45．5%,而清洗设备(30．6%)、刻蚀设备(22．2%)、抛光设备(21．6%)国产化率均高于20%,炉管设备(14．7%)和涂胶显影设备(10．0%)均高于10%,沉积设备(8．5%)和前道检测设备(5．2%)国产化率就比较低了,仅在5%至10%之间,差距最大的是离子注入机(2．4%)、后道测试设备(1．9%)和光刻机(1．6%)。
而进入2020年以后,国产化率提升更快。从十大晶圆厂开标数据来看,在2020至2021一季度,抛光设备、刻蚀设备、炉管设备和涂胶显影设备的国产化率均比2017至2019阶段国产化率增长超过两位数。
从全球半导体设备业发展趋势来看,随着半导体工艺接近物理极限,开发新一代设备越来越难。以EUV光刻机为例,早在上世纪九十年代就立项,全球四十多个国家近200个研究机构(欧洲贡献了100多个)参与其中,从基础研究、技术攻关到系统集成,整个研发系统投入超过千亿人民币,超过我国过去十年设备业总收入。
中微半导体董事长尹志尧在接受媒体采访时也表示,半导体已经进入原子级加工水平,在这个精度上进行半导体器件制造,需要集合50多个学科的知识与技术。他指出,等离子体刻蚀已刻出人头发丝直径几千分之一到上万分之一的细孔,孔直径的准确度、均匀性和重复性已可达到头发丝的几万到十万分之一。一台刻蚀机每年加工超过百万万亿个又细又深的接触孔,几乎百分之百的孔要被完全打开。
半导体设备不仅要能实现非常精细的加工,最重要的是均匀性、稳定性、重复性、可靠性和洁净性。只要做到这些,才能满足芯片合格率这个晶圆制造的核心诉求。要保证可以接受的合格率(例如90%),就要求每个加工制造环节都有极高的合格率,因为目前先进制程芯片需要1000个工艺步骤,如果每一步合格率为99．9%,则1000个步骤后最终合格率只有36．77%。
而作为现代智能制造的代表,全球信息化产业的底层支撑,芯片制造很少给新设备厂商试错机会。历经千辛万苦开发出样机只完成了开发生产设备的一小部分,要说服晶圆制造厂商冒着合格率与产能下降的风险帮忙试车才是更难的部分,尹志尧表示,样机做出来,客户愿意配合,还要通过至少80多个严苛测试项目,才能最终达到晶圆厂的要求。
从国际厂商发展历史经验来看,设备业要站稳市场,来不得半点冒进,一定要做好长期研发投入,夯实技术基础。如尹志尧说,半导体设备需要50个学科协同,难度不亚于两弹一星。“半导体工业关键核心零部件之一的磁悬浮分子泵,在国际上只有两三家能做,每一件事情都需要长期的技术积累。”
得益于全球化,半导体产业才发展到如今的规模,但自特朗普政府上台之后,美国以半导体产业为武器,对中国发动科技战,已经严重影响了全球电子信息产业之前建立的供应链互信机制。作为全球最重要的电子信息产业制造基地,打造不受地缘政治影响的新型半导体供应链至关重要,而每当一项技术真正实现真正的市场突破(例如市占率达到20%),《瓦森纳协定》中的对应限制项目也就失去了意义。当前,设备国产化率能否有效提升,已经成为全球电子信息产业能否良性发展的关键因素。中国在晶圆制造上的快速扩张,为国产半导体设备厂商提供了广阔的市场空间与试错机会,对国产半导体设备厂商而言,这是极佳的历史机遇。
参考资料:
1．下世代半导体先进制造设备市场与技术发展趋势 台湾工研院 张雯琪
2．工欲善其事必先利其器,国产替代正当时 德邦证券 冯俊
3．半导体设备中标:缺芯背景下,国产设备迎来验证收获期 德邦证券 倪正洋
4．“难度不亚于两弹一星”,国产半导体设备业面临多项挑战 第一财经 来莎莎 邱智丽
5．拯救摩尔定律:一文讲解GAA芯片技术 IT之家 汐元
半导体先进制造设备晶圆工艺半导体制造
