半导体设备和材料国产化机遇(上)

半导体设备和材料国产化机遇(上)

一、设备和材料是半导体产业的上游核心环节

集成电路占半导体总市场的八成,是半导体的主要构成部分。美国半导体产业协会(SIA) 最新发布的数据显示,2015年全球半导体市场规模为3,352亿美元,比2014年略减0.2%。半导体可以分为四类产品,分别是集成电路、光电子器件、分立器件和传感器。其中规模最大的是集成电路,达到2,753亿美元,占半导体市场的81%。由于半导体产品中大部分是集成电路,因此二者常常被混为一谈,在此特别说明二者的异同,以免混淆。

1、设备和材料在半导体产业链中位于上游,是半导体制造所需的工具和原料

经过50多年的发展,如今的半导体产业已经高度专业化。我们以集成电路(IC)产业为例来说明产业的分工。集成电路产业经过了几十年不断的发展与演变,在1970年代以前,由系统厂商(System)和IDM厂商主导,之后演变为IC设计、晶圆代工和封装测试为主导的垂直分工模式。随着IC产业规模的壮大,产业竞争加剧,分工模式进一步细化,从封装测试环节中分出测试,从IC设计环节分出了专门提供IP的厂商(如ARM)。

半导体设备和材料处于IC产业的上游,为IC产品的生产提供必要的工具和原料。当前IC 产业的商业模式可以简单描述为,IC设计公司根据下游客户(系统厂商)的需求设计芯片,然后交给晶圆代工厂进行制造,之后再由封装测试厂进行封装测试,最后将性能良好的IC产品出售给系统厂商。IC设计、晶圆制造、封装测试是IC产业的核心环节,除此之外,IC设计公司需要从IP/EDA公司购买相应的IP和EDA工具,而IC制造和封装测试公司需要从设备和材料供应商购买相应的半导体设备和材料化学品。因此, 在核心环节之外,集成电路产业链中还需IP/EDA、半导体设备、材料化学品等上游供应商。

2、半导体生产工艺复杂,对半导体设备和材料的要求极高

集成电路产业按照摩尔定律持续发展,制程节点不断缩小,今年将量产10纳米。摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登?摩尔(Gordon Moore)于1965年提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。几十年来,集成电路产业沿着摩尔定律发展,1971年集成电路的制程节点是10微米(百分之一毫米),今年台积电将开始量产10纳米(十万分之一毫米),技术节点缩小

到千分之一,意味着晶体管面积缩小百万分之一。

82平方毫米的集成电路产品中有超过十亿颗晶体管,制造工艺极其复杂。英特尔在2015年CES展会上发布的第五代酷睿处理器系列,采用14nm 3D三栅极晶体管技术打造,U系列核心面积相比采用 22nm 3D三栅极集体管技术的第四代酷睿U系列处理器缩小了37%,但所集成的晶体管数量提升了35%,达到13亿个!这使得第五代酷睿处理器与同级别第四

代酷睿处理器相比,显卡性能最大提升22%,视频处理器能力最大提升50%,电池续航时间

最多延长1.5小时。第五代处理器芯片的面积仅82平方毫米,在如此小的面积上要集成

13亿个晶体管,其制造难度可想而知。

半导体制造技术十分精细,制造工艺的极其复杂,对设备和材料的要求非常苛刻。根据产品

的不同,集成电路生产需经过几十步甚至上千步的工艺,其中任何一步的错误都可能是最后

导致器件失效的原因,因此对设备和材料的要求非常高,且对每一步的良率要求极高,通常要

达到3个9以上的良率。在20nm技术节点,集成电路产品的晶圆加工工艺步骤约1000步,在7nm时将超过1500步。假设每一步的加工合格率为99.0%(2个9),那么经过1000

步加工之后,其合格率为零!当每一步的加工合格率为99.99%(4 个9)时,经过1000不加工,

其合格率才能达到90%。因此,集成电路制造过程中对设备和材料的稳定性要求极高。

3、半导体设备和材料规模合计超800亿美元,呈寡头垄断局面

半导体设备行业门槛极高,处于寡头垄断局面,国内产业相对薄弱。从全球范围看,美国、日本、荷兰是世界半导体装备制造的三大强国,全球知名的半导体设备制造商主要集中在上

述国家。根据 SEMI的统计,2014年全球半导体设备市场规模为375亿美元, 前十大半导

体设备厂商的销售额为351亿美元,市场占有率高达93.6%,行业处于寡头垄断局面。前十

大半导体设备生产商中,有美国企业4家,日本企业5家,荷兰企业1家。其中美国的应用材料公司(AMAT)以79.4 亿美元的销售额位居全球第一,全球设备市场市占率21.2%;荷兰阿

斯麦(ASML)公司以75.5亿美元的销售额位居全球第二,全球设备市场市占率20.1%;日本

的东京电子(TEL)销售额为55.4亿美元, 位列第三,全球设备市场市占率14.8%。美国公司

在等离子体刻蚀设备、离子注入机、薄膜沉积设备、掩模版制造设备、检测设备、测试设备、表面处理设备产品中具有竞争优势;日本公司在光刻机、刻蚀设备、单晶圆沉积设备、晶圆清洗设备、涂胶机/显影机、退火设备、检测设备、测试设备、氧化设备等产品中具

有竞争优势,荷兰公司则在高端光刻机、外延反应器、垂直扩散炉等领域处于领先地位。

中国电子专用设备工业协会统计显示,2014年我国半导体设备行业35家主要制造商共完

成40.53亿元销售收入,同比增长34.5%;实现利润8.48亿元,同比增长13.8%; 出**货值

4.41亿元,同比增长50.5%;预计2015年销售收入将达到50亿元左右, 同比增长25%。这35家设备厂商的销售额中并非全部来自半导体设备,有一部分是太阳能设备,实际半导体

设备的销售规模更小。假设2014年国内半导体设备的销售额为40.53亿元,仅占全球半导体设备市场份额的 1.7%,处于可以忽略的地位,半导体设备的落后程度可见一斑。

半导体材料市场同样处于寡头垄断局面,国内产业规模非常小。2014年全球晶圆制造和半

导体封装材料市场分别为239.7亿美元和203.7亿美元,二者合计443.4亿美元。大陆地

区是全球主要的半导体材料市场,2014年大陆地区半导体制造材料市场整体规模为535

亿元(约86亿美元),占全球半导体材料市场的19.4%。根据产业现状及发展趋势预测,大陆

地区半导体制造材料2015、2016年市场整体规模有望持续增长,分别达到 90亿元、647亿元。与半导体设备市场不同的是,半导体材料市场更细分,单一产品的市场空间很小,所以,少有纯粹的半导体材料公司。半导体材料往往只是某些大型材料厂商的一个块业务,例如在陶氏化学公司(The DOW Chemical Company), 半导体材料业务只是其电子材料事业部下面的一个分支。尽管如此,由于半导体工艺的对材料的严格要求,就单一半导体化学品而言,仅有少数几家供应商可以提供产品。以半导体硅片市场为例,2013年前四大硅片供应商分别占据全球市场份额的36%、29%、12%和8%,合计占据85%的市场份额。在半导体光刻胶市场,也是类似的情况。

4、设备和材料是推动半导体产业进步的关键因素

集成电路产业能够延续摩尔定律的不断发展,离不开三方面的进步:1)半导体器件结构和原理的进步;2)半导体设备制造能力的提升和半导体制造工艺的改进;3)材料性能的改善和新材料的应用。

1) 摩尔定律接近极限,超越摩尔引起重视

简言之,摩尔定律就是技术进步带来生产效率提升和生产成本的下降。过去半个世纪, 集成电路产业基本上是按照摩尔定律不断发展。业界普遍认为集成电路产业发展到5nm技术节点时,将达到摩尔定律的物理极限,摩尔定律有可能将失效。今年半导体产业将进入

10nm制程,已经趋于接近摩尔定律的物理极限,延续摩尔定律的先导技术研究成为全球半导体行业的热点,后摩尔定律时代的技术也成为研究的热点。

全球集成电路技术的发展呈现出以下趋势:一是延续摩尔定律(MoreMoore),芯片特征尺寸沿着不断缩小的方向继续发展。基于投资规模和技术研发成本的考虑,放弃超小型化制造技术的芯片厂商日益增多,转向Fablite或Fabless,高阶制程将掌握在少数几家企业手中,芯片制造呈现聚拢趋势;二是超越摩尔定律(MorethanMoore),开发新的半导体材料,运用电子电路技术和电路设计等的概念,在物理结构和器件设计方面产生新的突破,如三维封装、3D 晶体管结构等。

2) 半导体产业进步离不开半导体设备的不断创新

按照摩尔定律,每18-24个月集成电路的制造技术就要进步一代,那么设备厂商就必须每18-24个月推出更先进的制造设备,以满足制造工艺的需求。以光刻机为例,光刻机历经50多年的发展,其分辨率从最初大于10微米发展到如今的10纳米及以下,分辨率至少提升了3个数量级。

光刻机的分辨率主要取决于曝光光源的波长和镜头光学系统的数值孔径NA。为了实现技术的进步,光刻机经历了以下几个方面的进步:

1)曝光光源的波长经历514nm、436nm(g-Line)、405nm(H-Line)、365nm(i-Line)、

248nm(KrF)、193nm(ArF)、157nm(F2)、13.5nm(EUV,即将大规模使用)等几个阶段的进步;

2)曝光方式经历了接触式(Contact)、接近式(Proximity)、投影式(Projection)三种方式,其

中投影式又可分为步进式(Stepper)、扫描式(Scanner)、扫描步进(Scanning Stepper) 三种

形式;

3)干式投影发展到浸没式投影;

4)加工硅片的直径:经历了 75mm、100mm、150mm、200mm、300mm,以及未来的

450mm;

5)产出效率:由最初的一小时不足50片Wafer 到现在超过200片。

技术的进步,也带动光刻机产品单价的持续上涨。根据 SEMATECH的研究,1970年代,光刻

机的单价在几十万美元,并且约每4.4年价格翻一倍。目前,先进光刻机的单价一般都超过1000万美元,而最先进的EUV光刻机单价超过5000万美元。EUV是实现10nm以下工

艺制程的最经济手段,不过当前技术还不够成熟,且只有只有ASML一家供应商具备开发EUV光刻机的能力。2012年半导体三巨头英特尔、台积电、三星分别投资阿斯麦33.67

亿欧元、11.14亿欧元、7.79亿欧元,用于帮助ASML开发EUV技术,并获得ASML的部分

股权。三巨头投资ASML的主要原因是推动EUV技术快速实现量产,以及EUV设备的优

先购买权。

3) 半导体行业使用的材料种类越来越多

随着半导体器件结构的变化和半导体制程复杂程度的提高,在半导体产业采用的化学元素

越来越多。在1985年,化学元素周期表中只有11种元素用于半导体行业。而到了2015年,半导体行业使用的化学元素种类达到49种。除了材料种类的增多,半导体材料也随着

半导体制程的进步而不断发展。

硅(Si)是目前最重要的半导体材料,全球95%以上的半导体芯片和器件是用硅片作为基底

功能材料而生产出来的。在可预见的未来,还没有其它材料(如石墨烯等)可以替代硅的地位。在1960年时期就有了0.75英寸(约20mm)左右的单晶硅片。在1965年左右Gordon Moore提出摩尔定律时,还是以分立器件(Discrete)为主的晶体管 (Transistor),然后

开始使用少量的1.25英寸小硅片,进而集成电路用的1.5英寸硅片更是需求大增。之后,经

过 2英寸,3英寸, 1975年4 英寸登场开始在全球普及, 接下来5英寸,6英寸,8英寸,然后从2001年开始进入12英寸。预计在2020年左右,18英寸(450mm)的硅片将开始投入使用。

此外,还出现了新的硅材料——SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘衬底上的硅),SOI技术是在顶

层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。SOI 材料具有以下突出优点:1、低功耗;2、低开

启电压;3、高速;4、提高集成度;5、与现有集成电路完全兼容且减少工艺程序;6、耐高

温;7、抗辐照等。基于SOI结构上的器件在本质上可以减小结电容和漏电流,提高开关速度,降低功耗,实现高速、低功耗运行。作为下一代硅基集成电路技术,SOI广泛应用于微电

子的大多数领域,同时还在光电子、MEMS等其它领域得到应用。

上海新傲科技公司是世界SOI材料主要供应商之一,与法国Soitec建立了密切的合作关系,

能提供基于Smart CutTM技术的SOI产品,结合新傲成熟的SIMOX,Bonding和Simbond 三种技术能为客户提供全方位SOI解决方案。

二、半导体制造工艺中的主要设备及材料

1、半导体制造工艺流程及其需要的设备和材料

半导体产品的加工过程主要包括晶圆制造(前道,Front-End)和封装(后道,Back-End) 测试,随

着先进封装技术的渗透,出现介于晶圆制造和封装之间的加工环节,称为中道(Middle-End)。由于半导体产品的加工工序多,所以在制造过程中需要大量的半导体设备和材料。在这里,

我们以最为复杂的晶圆制造(前道)和传统封装(后道)工艺为例,说明制造过程的所需要的设备和材料。

晶圆生产线可以分成7个独立的生产区域:扩散(Thermal Process)、光刻(Photo- lithography)、刻蚀(Etch)、离子注入(Ion Implant)、薄膜生长(Dielectric Deposition)、抛

光(CMP)、金属化(Metalization)。这7个主要的生产区和相关步骤以及测量等都是晶圆洁净厂房进行的。在这几个生产区都放臵有若干种半导体设备,满足不同的需要。例如在光

刻区,除了光刻机之外,还会有配套的涂胶/显影和测量设备。

传统封装(后道)测试工艺可以大致分为背面减薄、晶圆切割、贴片、引线键合、模塑、电镀、切筋/成型和终测等8个主要步骤。与IC晶圆制造(前道)相比,后道封装相对简单,技

术难度较低,对工艺环境、设备和材料的要求远低于晶圆制造。

2、主要半导体设备及所用材料

1) 氧化炉

设备功能:为半导体材料进行氧化处理,提供要求的氧化氛围,实现半导体预期设计的氧化处

理过程,是半导体加工过程的不可缺少的一个环节。

所用材料：硅片、氧气、惰性气体等。

国外主要厂商:英国Thermco公司、德国Centrothermthermal Solutions GmbH Co.KG公司等。

国内主要厂商:七星电子、青岛福润德、中国电子科技集团第四十八所、青岛旭光仪表设备有限公司、中国电子科技集团第四十五所等。

2) PVD(物理气相沉积)

设备功能:通过二极溅射中一个平行于靶表面的封闭磁场,和靶表面上形成的正交电磁场,把二次电子束缚在靶表面特定区域,实现高离子密度和高能量的电离,把靶原子或分子高速率溅射沉积在基片上形成薄膜。

所用材料：靶材、惰性气体等。

国外主要厂商:美国应用材料公司、美国PVD公司、美国Vaportech公司、英国Teer公司、瑞士Platit公司、德国Cemecon公司等。

国内主要厂商:北方微电子、北京仪器厂、沈阳中科仪器、成都南光实业股份有限公司、中国电子科技集团第四十八所、科睿设备有限公司等。

3) PECVD

设备功能:在沉积室利用辉光放电,使反应气体电离后在衬底上进行化学反应,沉积半导体薄膜材料。

所用材料:特种气体(前驱物、惰性气体等)。

国外主要厂商:美国Proto Flex公司、日本Tokki公司、日本岛津公司、美国泛林半导体(Lam Research)公司、荷兰ASM国际公司等。

国内主要厂商:北方微电子、中国电子科技集团第四十五所、北京仪器厂等。

4) MOCVD

设备功能:以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种III-V族、II-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

所用材料:特种气体(MO源、惰性气体等)。国外主要厂商:德国Aixtron爱思强公司、美国Veeco公司等。国内主要厂商:中微半导体、中晟光电、理想能源设备等。

5) 光刻机

设备功能:将掩膜版上的图形转移到涂有光刻胶的衬底(硅片)上,致使光刻发生反应, 为下一步加工(刻蚀或离子注入)做准备。

所需材料:光刻胶等。

国外主要公司:荷兰阿斯麦(ASML)公司、日本尼康公司、日本Canon公司、美国ABM公司、德国SUSS公司、美国Ultratech公司、奥地利EVG公司等。

国内主要公司:上海微电装备(SMEE)、中国电子科技集团第四十八所、中国电子科技集团第四十五所、成都光机所等。

6) 涂胶显影机

设备功能:与光刻机联合作业,首先将光刻胶均匀地涂到晶圆上,满足光刻机的工作要求;然后,处理光刻机曝光后的晶圆,将曝光后的光刻胶中与紫外光发生化学反应的部分除去或保留下来。

所用材料:光刻胶、显影液等。

国外主要厂商:日本TEL、德国SUSS、奥地利EVG 等。

国内主要厂商:沈阳芯源等。

7) 检测设备(CDSEM、OVL、AOI、膜厚等)

设备功能:通过表征半导体加工中的形貌与结构、检测缺陷,以达到监控半导体加工过程,提高生产良率的目的。

所用材料:特种气体等。

国外主要厂商:美国的KLA-Tencor、美国应用材料、日本Hitachi、美国Rudolph公司、以色列Camtek公司等。

国内主要公司:上海睿励科学仪器等。

8) 干法刻蚀机

设备功能:平板电极间施加高频电压,产生数百微米厚的离子层,放入式样,离子高速撞击式样,实现化学反应刻蚀和物理撞击,实现半导体的加工成型。

所用材料:特种气体等。

国外主要厂商:美国应用材料公司、美国Lam Research公司、韩国JuSung公司、韩国TES公司等。

国内主要公司:中微半导体、北方微电子、中国电子科技集团第四十八所等。

9) CMP(化学机械研磨)

设备功能:通过机械研磨和化学液体溶解“腐蚀”的综合作用,对被研磨体(半导体) 进行研磨抛光。

所用材料:抛光液、抛光垫等。

国外主要厂商:美国Applied Materials公司、美国Rtec公司等。

国内主要厂商:华海清科、盛美半导体、中电45所等。

10) 晶圆键合机

设备功能:将两片晶圆互相结合,并使表面原子互相反应,产生共价键合,合二为一, 是实现3D 晶圆堆叠的重要设备。

所用材料:键合胶等。

国外主要厂商:德国SUSS、奥地利EVG等。

国内主要厂商:苏州美图、上海微电子装备。

11) 湿制程设备(电镀、清洗、湿法刻蚀等)

设备功能:

1)电镀设备:将电镀液中的金属离子电镀到晶圆表面,以形成金属互连；

2) 清洗设备:去除晶圆表面的残余物、污染物等;

3)湿法刻蚀设备:通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来。

所用材料:电镀液、清洗液、刻蚀液等。

国外主要厂商:日本DNS、美国应用材料、美国Mattson(已被北京亦庄国投收购)公司等。

国内主要厂商:盛美半导体、上海新阳、沈阳芯源、苏州伟仕泰克等。

12) 离子注入

设备功能:对半导体材料表面附近区域进行掺杂。

所用材料:特种气体等。

国外主要厂商:美国AMAT公司等。

国内主要厂商:中国电子科技集团第四十八所、中科信等。

13) 晶圆测试(CP)系统

设备功能:通过探针与半导体器件的pad接触,进行电学测试,检测半导体的性能指标是否符合设计性能要求。

所用材料:NA。

国外主要厂商:爱德万测试、泰瑞达等。

国内主要厂商:北京华峰测控、上海宏测、绍兴宏邦、杭州长川科技、中电45所等

14) 晶圆减薄机

设备功能:通过抛磨,把晶圆厚度减薄。

所用材料:研磨液等。国外主要厂商:日本DISCO公司、日本OKAMOTO公司、以色列Camtek公司等。

国内主要厂商:北京中电科、兰州兰新高科技产业股份有限公司、深圳方达研磨设备制造有限公司、深圳市金实力精密研磨机器制造有限公司、炜安达研磨设备有限公司、深圳市华年风科技有限公司等。

15) 晶圆划片机

设备功能:把晶圆切割成小片的Die。所用材料:划片刀、划片液等。

国外主要厂商:日本DISCO公司等。

国内主要厂商:中国电子科技集团第四十五所、北京中电科、北京科创源光电技术有限公司、沈阳仪器仪表工艺研究所、西北机器有限公司(原国营西北机械厂709厂)、汇盛电子电子机械设备公司、兰州兰新高科技产业股份有限公司、大族激光等。

16) 引线键合机

设备功能:把半导体芯片上的Pad与管脚上的Pad,用导电金属线(金丝)链接起来。

所用材料:金属丝等。

国外主要厂商:ASM太平洋等。

国内主要厂商:中国电子科技集团第四十五所、北京创世杰科技发展有限公司、北京中电科、深圳市开玖自动化设备有限公司等。