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转载—半导体系列报告:国内前道设备迎本土扩产东风(二)

2022-02-28 by Super User

?二、前道设备细分赛道梳理:前道设备国产化曙光渐显?

1、光刻:ASML光刻机一枝独秀,芯源微领衔涂胶/显影国产替代

光刻工艺是半导体集成电路制造的核心图形(patterning)工艺。光刻的基本原理是将对光敏感的光刻胶旋涂在晶圆上,在表面形成一层薄膜,光源透过光罩(掩模版)照射在光刻胶上,使得光刻胶选择性的曝光,接着对光刻胶显影,完成光罩上电路特定层的图形的转移。经典八步基本工艺即衬底的准备、光刻胶涂覆、软烘焙、曝光、曝光后烘培、显影、硬烘焙和显影检测,涉及主要设备有光刻机、涂胶显影设备、清洗设备和量测设备。在集成电路制造工艺中,光刻工艺的成本约为整个芯片制造工艺的 35%,并且耗费时间约占整个芯片工艺的 40%-60%。

1)光刻机:ASML一家独大地位继续稳固,上海微电子肩负国产化破局使命

光刻机是光刻工艺对准和曝光的核心设备。光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图。光刻机的主要性能指标有:支持基片的尺寸范围,分辨率、对准精度 、曝光方式、光源波长、光强均匀性、生产效率等。投影透镜的分辨率、对准精度及吞吐量是光刻机系统三大关键指标。光刻机由激光器、测量台、曝光台(双工件台)、光束矫正器、能量控制器、光束形状设置、遮光器、能量探测器、掩膜台、物镜、内部封闭框架和减振器等组件构成,随着摩尔定律延续,晶体管数量不断翻倍增加,曝光精度迅速从几微米到几纳米以内,对应光刻机制造难度急剧增加。光刻机在发展过程中,不断追求曝光更短波长辅以高精度的对准技术,确保曝光精度和套刻精度提升。根据瑞利公式:CD=k1*(λ/NA),主要改进方向就是降低波长λ,提高镜头的数值孔径NA,降低综合因素k1。由于光具有波粒二象性,波长越短粒子性越强,波性越弱,用更短的波长能有效避免波的衍射现象,确保光刻精度和成影效果。

目前,光刻机曝光波长以从436nm/365nm到238nm、193nm到13.5nm极紫外光,加工至最小3nm特征尺寸的器件。光刻机从类型上也经历了从曝光式(Aligner)、接触式(contact) 、步进式(stepper)、扫描式 scanner、浸没式(Immersion)到现在EUV光刻机。全球前道制造光刻机市场规模超130亿美元,市场份额异常集中,ASML市占率一枝独秀。根据Gartner数据,2020年全球前道光刻机市场规模为135.4亿亿美元,较2019年增长15.6%,其中包括最先进的EUV光刻机在内的步进式光刻机(stepper)占 95%市场份额。2020年ASML、尼康和佳能垄断全球前道光刻机市。渲蠥MSL以88.8%市场份额绝对领先。其他光刻机厂商如应用材料、SuSS、Veeco产品主要应用于后道封装、光罩制造等领域。从出货机型分析,ASML几乎垄断高端光刻机,市场份额有望继续巩固。从光刻机出货量来看,根据芯思想研究院数据,2020年ASML、Nikon、Cannon分别出货 258、31、122台光刻机,ASML 是唯一EUV光刻机提供商以及占据86%浸润式ArF 光刻机和67%干法ArF 光刻机,牢牢掌控全球高端光刻机市场。2021年公司出货EUV 光刻机42台,占总营收46%,浸润式ArF光刻机81台。高强度研发投入铸起ASML光刻机技术壁垒。2011年至2021年,ASML平均研发费用率达到22.8%,大幅超过全球半导体设备大厂应用材料(13.8%)和泛林(14.2%)。从绝对值上看,10年间ASML 总计投入146.2亿美元,接近应用材料161.8亿美元并大幅超过泛林86.24亿美元。通过持续高强度研发投入,ASML在高端光刻机领域构建起绝对领先的技术壁垒。根据ASML官网,ASML EUV光刻机研发时间超过17年,总计投入研发费用60亿欧元。2013年ASML 收购光刻机光源公司Cymer以提速研发EUV光源, 构建起EUV光刻机垄断地位。同时,ASML仍在不断改进浸润式ArF光刻机,从分辨率上,ASML最新浸润式ArF光刻机可支持至5nm先进逻辑工艺及先进DRAM制程;从生产效率上,最新NXT 2050i提供一天6000片晶圆生产效率,进一步领先其竞争对手。

由于先进逻辑制程、先进存储工工艺以及 28nm成熟逻辑制程全球性扩产,ASML有望凭借其高端光刻机继续稳固其绝对龙头市场地位。上海微电子为中国目前唯一前道晶圆制造光刻机整机制造商,具备制造支持90nm工艺节点光刻机。上海微电子装备(集团)股份有限公司(简称SMEE)主要致力于半导体装备、泛半导体装备、高端智能装备的开发、设计、制造、销售及技术服务。公司设备广泛应用于集成电路前道、先进封装、FPD面板、MEMS、LED、Power Devices 等制造领域。2017年4月,公司承担的国家02重大科技专项任务“浸没光刻机关键技术预研项目”通过了国家正式验收;2017年10月,公司承担的02重大科技专项“90nm光刻机样机研制”任务通过了02专项实施管理办公室组织的专家组现场测试;2018年3月,90nm光刻机项目通过正式验收,目前为国内获得验证通过的最先进前道光刻机,此外,公司目前在研可应用于28nm工艺节点制造的ArF浸润式光刻机。

2)涂胶显影设备:东京电子占全球九成份额,芯源微进入量产周期

涂胶显影设备(Track或Coater&Developer)是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备,包括涂胶机(又称涂布机、匀胶机,英文简称Spin Coater)、喷胶机(适用于不规则表面晶圆的光刻胶涂覆,英文简称Spray Coater)和显影机(英文简称Developer)。涂胶/显影机分别作为光刻机的输入(曝光前光刻胶涂覆)和输出(曝光后图形的显影),主要通过机械手使晶圆在各系统之间传输和处理,从而完成晶圆的光刻胶涂覆、固化、显影、坚膜等 工艺过程,其不仅直接影响到光刻工序细微曝光图案的形成,显影工艺的图形 质量对后续蚀刻和离子注入等工艺中图形转移的结果也有着深刻的影响,是集成电路制造过程中不可或缺的关键处理设备。全球前道涂胶显影设备整体呈现增长态势。根据VLSI数据,全球前道涂胶显影设备销售额由 2013 年的 14.07亿美元增长至2023年的24.76亿美元,另据Gartner 数据,2019年和2020年全球前道涂胶显影设备销售额已达到20.67亿美元和25.47亿美元,高于VLSI预测。东京电子占据全球近90%市场份额,为细分市场绝对龙头。根据Gartner数据,2020年东京电子(日)、SEMES(韩)、SCREEN(日)和 SUSS MicroTec(德)分别占据全球87.4%、6.9%、4.7%、1.0%前道涂胶显影机市场份额。东京电子提供从8寸到12寸、涵盖i-line到EUV全面的前道涂胶显影设备,独占细分市场第一。芯源微前道涂胶显影设备通过验证渐进规模化量产周期。公司作为项目责任单位承担并完成了两项与所处涂胶显影设备领域相关的“02重大专项”项目,分别是“凸点封装涂胶显影、单片湿法刻蚀设备的开发与产业化”项目和“300mm晶圆匀胶显影设备研发”项目,成功突破了包括凸点封装工艺相关的超厚光刻胶膜的涂覆、显影、单片湿法多工艺药液同腔分层刻蚀以及 193nm(ArF)光刻工艺超薄胶膜均匀涂敷、精细化显影、精密温控热处理等在内的多项核心关键技术,开发出国产涂胶显影设备并实现量产。公司前道涂胶显影设备已陆续获得了上海华力、长江存储、武汉新芯、中芯绍兴、厦门士兰集科、上海积塔、 株洲中车、青岛芯恩、中芯宁波、等多个客户订单。

2、刻蚀机:泛林、TEL、应材占比九成,中微、北方华创份额逐步提升

刻蚀工艺(Etch)通过选择性地移除沉积过程中添加的介电(绝缘)材料和金属(导电)材料,协助形成芯片构件,是与光刻相联系的图形化(pattern)处理的一种主要工艺。刻蚀影响图形工艺的工艺参数包括不完全刻蚀、过刻蚀、钻蚀、选择比和侧边的各项异性/各向同性刻蚀。刻蚀工艺分为导体刻蚀、介电质刻蚀或多晶硅刻蚀,分别用于去除晶圆上不同类型的薄膜。介电质刻蚀作用在刻蚀氧化层以留下“氧化绝缘体”来分隔器件;多晶硅刻蚀用于制作晶体管内的栅极;采用介电质刻蚀来刻蚀用于铺设金属导电路径的通孔和沟槽;同时,金属刻蚀可去除铝、钨或铜层,以在逐级叠加的芯片结构中生成互联导线图形。干法刻蚀是目前集成电路制造主流的刻蚀技术。刻蚀可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀,湿法刻蚀各向异性较差,侧壁容易产生横向刻蚀造成刻蚀偏差,通常用于工艺尺寸较大的应用,或用于干法刻蚀后清洗残留物等;干法刻蚀具备选择比高,可控性、灵活性、重复性好、洁净度高等特点,在半导体图像尺寸发展到2微米以下时成为主流刻蚀工艺。干法刻蚀主要包括等离子刻蚀、离子束刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)等,其中反应离子刻蚀结合了等离子刻蚀和离子束刻蚀原理。

等离子体刻蚀设备主要包括电容性等离子体刻蚀设备(CCP, Capacitively Coupled Plasma)和电感性等离体刻蚀设备(ICP, Inductively Coupled Plasma)。等离子刻蚀是将电磁能量施加到含有化学反应成分(如氟或氯)的气体中实现。等离子会释放带正电的离子来撞击晶圆以去除(刻蚀)材料,并和活性自由基产生化学反应,与刻蚀的材料反应形成挥发性或非挥发性的残留物。电容性等离子体刻蚀设备主要用于刻蚀氧化物、氮化物等硬度高、需要高能量离子反应刻蚀的介质材料。电感性等离子体刻蚀设备主要用于刻蚀单晶硅、多晶硅等材料。由于微观器件越做越。∧ず穸仍嚼丛奖。呖砜刂圃嚼丛窖,ICP刻蚀机取代以往的CCP刻蚀设备成为市场规模占主导地位的设备。

先进逻辑、DRAM制程由于线宽不断缩小、芯片结构3D化引入多重模板工艺(多重曝光)使得刻蚀工艺步骤大幅增长,3D NAND层数不断增加既增加了刻蚀步骤,又提升了高深宽比刻蚀需求,因此刻蚀相关需求随之不断增长。根据中微公司数据,7nm 逻辑工艺总刻蚀步骤约为140道,相对40nm、28nm的约35道、50道有大幅提升。根据SEMI的统计数据,刻蚀机在前道晶圆制造设备市场占比已从 2010年约14%提升至2020年约21%。根据Gartner统计数据,2020年全球集成电路制造干法刻蚀设备市场规模预计将回升至136.89亿美元,同比增长25.36%,在全球集成电路制造设备市场的规模占比达21.10%;2025年,全球集成电路制造干法刻蚀设备市场规模预计将增长至181.85 亿美元,年复合增长率约为5.84%。泛林、东京电子、应用材料合计市占超9成,国内厂商具备较大发展空间。根据Gartner数据,泛林、东京电子、应用材料分别占据全球前道刻蚀机47%、27%、17%市场份额,其中东京电子和泛林在介质刻蚀设备占据53%、38%市场份额,泛林和应用材料在导体刻蚀设备占据54%、30%市场份额。相比之下,国内厂商起步较晚,如中微公司、北方华创、屹唐半导体等企业尚处于追赶阶段,全球市场占有率较低,但近年产品通过全球和国内主要晶圆代工厂和存储芯片大厂验证并进大规模出货,具备较大的发展空间。中微公司从主打CCP刻蚀机,向ICP刻蚀机拓展。中微公司先期开发了CCP刻蚀机,近年来进入ICP刻蚀机领域,公司的两种刻蚀设备都有单反应台反应器,每台设备可以带有六个独立的反应器,可以满足高端刻蚀应用的需求。中微公司的CCP刻蚀 设备已广泛的被国内外客户广泛接受,已在5纳米器件上实现量产,并在5纳米以下器件的试生产上实现了突破性的进展。中微公司的ICP刻蚀机进入市场后迎来高速发展阶段,出货量正在攀升。北方华创ICP刻蚀机积累深厚,累计出货超千台。2005年公司第一台8寸ICP刻蚀机交付客户生产线,2016年公司首台14nm硅刻蚀设备交付客户,2017 年公司首台应用于8英寸0.13um及以下技术的 Al 金属刻蚀机交付客户,2019年公司原子层刻蚀设备进入客户生产线,截止2020年12月,北方华创ICP 刻蚀机累计交付量破千台。目前公司形成涵盖8寸、12寸集成电路、先进封装、MEMS、LED、功率器件等应用领域等离子刻蚀机产品矩阵。屹唐半导体等离子刻蚀设备进入国内外知名大厂。?根据公司招股书,paradigmE系列取双晶圆反应腔、双反应腔产干法刻蚀机可应用于集成电路前道工序,新产品CCP刻蚀机基于业界领先的远程电感耦合等离子体发生器工程设计,已实现量产销售。目前,公司刻蚀设备已用于三星电子、长江存储等国 内外知名存储芯片制造企业。

3、薄膜沉积设备:北方华创、拓荆科技多线突破

薄膜沉积是指在硅片衬底上沉积一层待处理的薄膜材料,利用沉积工艺可形成用于构建半导体器件的介电(绝缘)层和金属(导电)材料,并促使器件集成为电路。所沉积薄膜材料可以是二氧化硅、氮化硅、多晶硅等非金属以及铜等金属,依据具体的材料和结构类型,需要采用不同的技术,主要工艺有化学气相沉(CVD)、物理气相沉积(PVD)、原子沉积(ALD)、电气化学沉积(ECD)、外延等。半导体薄膜需要满足的一般标准包括厚度或均匀性、表面平整度或粗糙度 、组成或核粒尺寸、无应力、纯净度、完整性等。化学气相沉积(CVD)是通过化学反应的方式,利用加热、等离子或光辐射等各种能源,在反应器内气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术,是一种通过气体混合的化学反应在硅片表面沉积薄膜的工艺。典型应用包括浅沟槽隔离层、金属前电介质层、金属层间电介质层和钝化保护层。该工艺也在应变工程中发挥重要作用,采用压缩或拉伸应力薄膜来改善导电性,从而提升晶体管的性能。CVD设备由气相反应室(进气方向与样品表面成水平或垂直),能量系统(加热或射频),反应气体控制系统,真空系统及废气处理装置等组成。常用 CVD设备包括PECVD、SACVD、APCVD、LPCVD、ALD等,适用于不同工艺节点对膜质量、厚度以及孔隙沟槽填充能力等的不同要求。常压化学气相沉积(APCVD)是指在大气压下进行的一种化学气相淀积的方法,是化学气相淀积最初所采用的方法。这种工艺所需的系统简单,反应速度快, 并且其淀积速率可超过1000埃/min,特别适于介质淀积,但是它的缺点是均匀性较差,所以,APCVD一般用在厚的介质淀积。低压化学气相沉积(LPCVD)是指系统工作在较低的压强下的一种化学气相淀积的方法。

随着半导体工艺特征尺寸的减。员∧さ木刃砸蠹澳ず竦奈蟛钜蟛欢咸岣,发展出低压化学气相淀积。LPCVD技术沉积出来的薄膜均匀性和台阶覆盖性较好,且具有较低的淀积速率和较高的淀积温度。LPCVD技术不仅用于制备硅外延层,还广泛用于各种无定形钝化膜及多晶硅薄膜的淀积,是一种重要的薄膜淀积技术。等离子体增强化学气相淀积(PECVD)是指采用高频等离子体驱动的一种气相淀积技术,是一种射频辉光放电的物理过程和化学反应相结合的技术。该气相淀积的方法可以在非常低的衬底温度下淀积薄膜,例如在铝(AL)上淀积二氧化硅。工艺上等离子体增强化学气相淀积主要用于淀积绝缘层。先进制程发展下,ALD(原子层沉积)应用越来越广泛。ALD工艺直接在芯片表面堆积材料,一次沉积单层薄膜几分之一的厚度,以尽可能生成最薄、最均 匀的薄膜。从原理上说,ALD是通过化学反应得到生成物,但在沉积反应原理、沉积反应条件的要求和沉积层的质量上都与传统的CVD不同。相对于传统的沉积工艺而言,ALD工艺具有自限制生长的特点,可精确控制薄膜的厚度,制备的薄膜具有均匀的厚度和优异的一致性,台阶覆盖率高,特别适合深槽结构中的薄膜生长。ALD设备在Finfet的 fin结构形成、高k材料、金属栅、STI、BSI等工艺中均存在大量应用。

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)技术表示在真空条件下,采用物理方法,将固体或液体等材料源表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。半导体前道物理气相沉积的主要方法有真空蒸镀、溅射镀膜等,PVD沉积工艺用于为先进晶体管高k栅介质/金属栅极生成超薄盖帽层和金属栅极薄膜,也用于在互连结构中形成超薄阻挡膜和种子层。溅射(Sputtering)工艺目前为集成电路前道制造物理气相沉积制备薄膜的主要技术。溅射主要利用离子源产生的离子,在高真空中经过加速聚集,而形成高速度能的离子束流,轰击固体(溅射靶材)表面,离子和溅射靶材表面原子发生动能交换,使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面。如同刻蚀工艺,由于先进逻辑、DRAM制程由于线宽不断缩小、芯片结构3D化引入多重模板工艺(多重曝光)以及3D NAND层数不断增加,薄膜沉积工艺步骤随之显著增加。根据Maximize Market Research预测,至2025年全球全球薄膜沉积设备市场规模将达到340亿美元,2017年至2025年维持13.3%复合增长率。薄膜沉积设备占据最大前道设备市场份额。根据 Gartner数据,2020年薄膜沉积设备在前道晶圆制造设备市场占比约25.1%,合计139.2亿美元,超过光刻和刻蚀设备市场份额成为最大的前道工艺设备细分市场。其中PECVD占比达到34%为最高,ALD占据13%,LPCVD占据7%;属于PVD溅射和电镀ECD分别占据21%和4%市场份额。应用材料、泛林、东京电子占据全球前道薄膜沉积设备市场超7成市场份额。

根据Gartner数据,2020 年应用材料、泛林、东京电子分别占据全球前道薄膜沉积设备43%、19%、11%市场份额,CR3集中度达73%。从主要CVD设备看,应用材料、泛林分别占据PECVD的48.7%、34.4%市场份额,荷兰的 ASM International东京电子、泛林占据ALD的45.8%、28.5%和10.1%市场份额。而在PVD溅射设备市。τ貌牧弦86.8%份额主导市场。北方华创薄膜沉积设备布局全面。PVD方面,北方华创微电子凭借十余年的微电子领域高端工艺设备开发经验,公司突破了溅射源设计技术、等离子产生与控制技术、颗粒控制技术、腔室设计与仿真模拟技术、软件控制技术等多项关键技术,建立了具有自主知识产权的核心技术优势,形成了国产集成电路领域高端薄膜制备设备零的突破,设备应用跨越多个技术代,代表着国产集成电路薄膜制备工艺设备的较高水平,并成功进入国际供应链体系。CVD方面,公司先后完成了PECVD、APCVD、LPCVD、ALD等设备的开发,满足集成电路、半导体照明、微机电系统、功率半导体、化合物半导体、新能源光伏等领域多种制造工艺需求。拓荆科技主要从事高端半导体专用设备的研发、生产、销售和技术服务。公司主要产品包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备、原子层沉积(ALD)设备和次常压化学气相沉积(SACVD)设备三个产品系列,根据其招股书,公司产品已广泛应用于国内晶圆厂14nm及以上制程集成电路制造产线,并已展开10nm及以下制程产品验证测试。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 本文转载自“英迪那米(徐州)半导体科技有限公司”微信公众号

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