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读完后,我更懂半导体设备了

电子发烧友观察 | 一线报道·深度观察·最新资讯 2019/06/15 12:24

因为半导体制造工艺复杂,各个不同环节需要的设备也不同,从流程分类来看,半导体设备主要可分为 硅片生产过程设备、晶圆制造过程设备、封测过程设备 等。这些设备分别对应硅片制造、集成电路制造、封装、测试等工序,分别用在集成电路生产工艺的不同工序里。

以集成电路各类设备销售额推算各类设备比例,在整个半导体设备市场中,晶圆制造设备为主体占比 81%,封装设备占 6%,测试设备占 8%,其他设备占 5%。而在晶圆制造设备中, 光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备 为核心设备,大约分别占晶圆制造环节设备成本的 24%、24%、18%。

上文提到,不同设备在半导体制造过程中分工不同,那么,光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备会在各个工艺环节起到什么作用呢?国内外各大半导体设备厂商,又在哪些子领域较为突出?

一分钟带你读懂半导体设备“分工”

光刻机

半导体芯片在制作过程中需要经历材料制备、掩膜、光刻、刻蚀、清洗、掺杂、机械研磨等多个工序,其中 以光刻流程最为关键,光刻机是半导体芯片制造中最精密复杂、难度最高、价格最昂贵的设备,是整个制造流程工艺先进程度的重要指标。

目前市场最为广泛应用的是 浸入式光刻机和 EUV光刻机。 EUV 光刻机是最新的技术应用,其出现原因是随着制程不断微缩,在从 32/28nm 节点迈进 22/20nm 节点时,由于光刻精度不足,需使用二次曝光等技术来实现,设备与制作成本双双提高,摩尔定律失效,晶体管的单位成本首次出现不降反升。

虽然 EUV 光刻机早已开始出货,但由于其成本昂贵且交期长,一般的公司难以采购,因此 现在光刻机市场主要以193nm ArF 光刻机为主。

刻蚀机

刻蚀也是集成电路制造工艺中的重要流程,是与光刻相联系的图形化处理的一种主要工艺。刻蚀利用显影后的光刻胶图形作为掩模,在衬底上腐蚀掉一定深度的薄膜物质,随后得到与光刻胶图形相同的集成电路图形。

刻蚀技术按工艺分类可分为 湿法刻蚀与干法刻蚀, 其中湿法刻蚀又包括化学刻蚀与电解刻蚀,干法刻蚀包括离子铣刻蚀、等离子体刻蚀与反应离子刻蚀。 干法刻蚀则是目前主流的刻蚀技术,其中以等离子体干法刻蚀为主导。

等离子体刻蚀机是一种大型真空的全自动的加工设备,一般由多个真空等离子体反应腔和主机传递系统构成。等离子体刻蚀设备的分类与刻蚀工艺密切相关,其原理是利用低温等离子体中处于激发态的游离基和化学性质活泼的中性原子团,与被刻蚀材料间发生化学反应。

根据产生等离子体方法的不同,干法刻蚀主要分为电容性等离子体刻蚀和电感性等离子体刻蚀。电容性等离子体刻蚀主要是以高能离子在较硬的介质材料上,刻蚀高深宽比的深孔、深沟等微观结构;而电感性等离子体刻蚀主要是以较低的离子能量和极均匀的离子浓度刻蚀较软的和较薄的材料。这两种刻蚀设备涵盖了主要的刻蚀设备应用。

薄膜沉积设备

薄膜沉积工艺,是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面的扩散及在适当的位置下聚结,在晶圆上沉积一层待处理的薄膜的过程。薄膜制备包括沉积法与生长法,其中以沉积法最为常见, 涵盖物理沉积(PVD)与化学沉积(CVD)。

PVD 与 CVD 技术各有优缺,PVD 通过加热源材料,使原子或分子从源材料表面逸出,从而在衬底上生长薄膜,包括真空蒸镀和溅射镀膜。真空蒸镀指在真空中,把蒸发料(金属)加热,使其原子或分子获得足够的能量,克服表面的束缚而蒸发到真空中成为蒸气,蒸气分子或原子飞行途中遇到基片,就淀积在基片上,形成薄膜。溅射镀膜则利用高能粒子(通常是由电场加速的正离子如 Ar+)撞击固定表面,使表面离子(原子或分子)逸出。

CVD 单独的或综合地利用热能、等离子体放电、紫外光照射等形式,使气态物质在固体表面发生化学反应并在该表面上沉积,形成稳定固态薄膜。

除了上述提到的光刻机、刻蚀机和薄膜设备,还有离子注入、过程控制、表面处理、化学机械研磨和测试设备等等。

半导体设备巨头们的“占座”游戏

多数半导体设备厂商会在某个细分领域表现较为突出,比如阿斯麦(ASML),在光刻机领域占全球75%的市场份额,EUV光刻机更是占了100%,应用材料(AMAT)在薄膜沉积设备方面,处于领先地位,泛林半导体(LAM RESEARCH)是全球刻蚀机设备龙头等等。

阿斯麦(ASML)

成立于 1984年,是荷兰一家先进的半导体设备系统提供商,1995 年在纳斯达克市场公开上市。阿斯麦(ASML)主要提供光刻系统,为制造复杂的集成电路提供了一个产品组合。产品可分为 DUV、EUV 和应用三大类,自上世纪 80 年代以来,阿斯麦一共研发了 4 代光刻机技术,具体涵盖TWINSCANXT-NXT(DUV)、TWINSCAN NXE(EUV)、PAS 5500、PAS 2500/5000 等产品。

目前全球半导体制造流程用光刻机的生产厂商有 3 家,分别是阿斯麦、尼康、佳能,其中阿斯麦占有明显的垄断优势,一家独占约 75%的市场;而尼康、佳能则分别享有 11%与 6%的市场分额。

在高端光刻机方面,阿斯麦占有更高的市场份额,2017 年,阿斯麦的高端市场份额 88%。其中EUV 光刻机方面,阿斯麦占有率 100%,在 ArFi 机台方面,阿斯麦市占率 92%。

2017 年单台 EUV 机台平均售价超过 1 亿欧元,2018 年一季度的售价更是接近 1.2 亿欧元。而尼康与佳能的光刻机主要以i-line 光刻机产出为主,仅集中于中低端市场。

应用材料(AMAT)

成立于1967 年,是全球最大的半导体生产器材制造商。1972 年纳斯达克上市,1992 年成为世界上第一大半导体设备生产商并保持至今。该公司为全球半导体、平板显示器、太阳能光伏发电及相关行业提供制造设备、服务以及软件产品,产品包括:半导体圆片的化学蒸气沉积系统设备,半导体薄片装配,刻蚀及离子注入设备和 Precision5000 单芯片处理等。

在PVD 镀膜领域, 应用材料(AMAT)约占全球市场份额的 85%,Evatec与真空技术则分别占比约 6%和 5%。

在CVD 镀膜领域, 头部三家约占全球市场份额的 70%以上,其中,应用材料占比 30%,东京电子占比 21%,泛林半导体占比20%。

泛林半导体(LAM RESEARCH)

成立于1980 年,是一家提供晶圆制造设备和服务的供应商,1984 年在纳斯达克首次公开上市。泛林半导体(LAM RESEARCH)致力于生产、销售和维修制造集成电路时使用的半导体处理设备,以刻蚀机与薄膜沉积设备为主。客户群包括领先的半导体存储器、代工厂和制造产品的集成设备制造商。

当前全球刻蚀机市场集中度较高,设备供应商主要有泛林半导体、东京电子、应用材料、日立先端、牛津仪器,五家企业已经可以实现 7nm 制程。而其中,泛林半导体利用利用其较低的设备成本和简单的设计, 已经逐渐在65nm、45nm 设备市场超过东京电子等企业,成为行业龙头。 2017 年数据显示,泛林半导体市场份额为 55%,东京电子、应用材料市占率依次为20%与 19%。

目前,全球半导体设备市场主要还是由国外厂商主导,根据VLSI Research 统计,2018年排名前十的半导体设备供应商,主要集中在北美、日本和欧洲,除了上述提到的3家,还有东电电子(Tokyo Electron)、科磊(KLA)、爱得万测试(Advantest)、迪恩士(SCREEN)、泰瑞达(Teradyne)、日立国际电气(Kokusai Electric)、日立高新(Hitachi HighTechnologies)。

国内半导体设备厂商如何了

虽然与国际巨头存在差距,国内还是有不少半导体设备厂商值得关注,比如,在光刻机领域,有上海微电装备、中电科 48 所、中电科 45 研究所等,在刻蚀机领域,有北方华创、中微半导体、金盛微纳科技等,另外还有沈阳拓荆、晶盛机电、长川科技等等。

上海微电装备

成立于2002年,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。

目前我国面临着同样的困局,国产装备主要布局中低端,在其他光刻机设备上主要依赖进口。国内光刻机厂商主要为上海微电装备、中电科 48 所、中电科 45 研究所等。而中电科研究所虽然产出光刻机,但主要集中在离子注入机、CMP、ECD 等设备上,光刻机竞争力较弱。

上海微电装备的发展在国内最为领先,是我国唯一一家生产高端前道光刻机整机的公司,其目前可生产加工 90nm 工艺制程的光刻机,同时承担国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”(02 专项)的 65nm 光刻机研制,代表国产光刻机最高水平。但与阿斯麦 7nm 工艺制程 EUV 光刻机相比,仍存在非常大的差距。

中电科48所

成立于1964年5月24日,由原国防科委第14研究院北京新工艺研究室和公安部湖南实验工厂合并而成,是我国主要以集成电路、半导体照明、太阳能光伏、磁性材料、新型储能材料、特种传感器和SOI材料等技术为主的骨干科研生产机构。

48所是我国以离子注入机为主的微电子装备供应商、以MOCVD设备为主的光电子装备供应商,是我国太阳能光伏制造装备供应商、磁性材料制造装备供应商。48所太阳电池制造装备具备了"整线交钥匙"工程的能力,国内市场占有率达到80%以上,扩散炉、刻蚀机、PECVD等装备批量供应国际著名的无锡尚德太阳能电力有限公司等。

磁性材料制造装备的国内市场占有率也达70%以上,氮气氛保护推板窑批量供应浙江横店东磁股份有限公司、浙江天通控股股份有限公司等上市企业。同时,48所利用自身的装备和工艺优势,不断开发具有自主知识产权的装备上伸下延产品,成为了国内大的太阳能光伏产品、高档磁性材料、新型储能材料、特种传感器、SOI材料及高性能氮化钒添加剂的制造企业和国家科技部、北京市太阳能光伏电池示范生产单位及湖南省太阳能光伏产业、磁性材料产业和新型储能材料产业的牵头单位。

48所现已具备年产各类大型电子专用装备3,000台(套)、1,000MW完整太阳能光伏产业链、10,000吨高档磁性材料、5,000吨完整新型储能材料产业链、10,000支特种传感器、50,000片SOI材料、5,000吨氮化钒添加剂的生产能力,是总装备部"军用电子元器件科研生产先进单位"和《军用电子装备科研生产许可证》单位。

中电科 45 研究所

创立于1958年,是国内专门从事电子元器件关键工艺设备技术、设备整机系统以及设备应用工艺研究开发和生产制造的国家重点科研生产单位。

45所以光学细微加工和精密机械与系统自动化为专业方向,以机器视觉技术、运动控制技术、精密运动工作台与物料传输系统技术、精密零部件设计优化与高效制造技术、设备应用工艺研究与物化技术、整机系统集成技术等六大共性关键技术为支撑,围绕集成电路制造设备、半导体照明器件制造设备、光伏电池制造设备、光电组件制造和系统集成与服务等五个重点技术领域,开发出了电子材料加工设备、芯片制造设备、光/声/电检测设备、化学处理设备、先进封装设备、电子图形印刷设备、晶体元器件和光伏电池等八大类工艺设备和产品,服务于集成电路、光电元器件与组件、半导体照明和太阳能光伏电池四大行业。

北方华创

北方华创科技集团股份有限公司(以下简称“北方华创”)是由北京七星华创电子股份有限公司(以下简称“七星电子”)和北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司(以下简称“北方微电子”)战略重组而成,是目前国内集成电路高端工艺装备的领先企业。

北方华创在硅刻蚀和金属刻蚀领域较强,其 55/65nm 高密度等离子硅刻蚀机已进入中芯国际产线;28nm 硅刻蚀机进入产业化阶段,14nm 硅刻蚀机正在产线验证中;金属硬掩膜刻蚀机攻破 28-14nm 制程;深硅刻蚀设备也进入东南亚市场。

PVD 镀膜设备方面, 北方华创也很有代表性。该公司在溅射源、等离子产生与控制技术、腔室设计与仿真模拟技术等多项关键技术领域取得了一定突破,获得了优秀的薄膜沉积工艺结果。公司成功开发的 TiN Hardmask PVD、Al pad PVD、AlN PVD、TSV PVD 等一系列磁控溅射 PVD 产品,实现了在集成电路、先进封装、半导体照明等领域的全面产品布局。其中应用于 28nm/300mm 晶圆生产的 Hardmask PVD 设备已成为国内主流芯片代工厂的 Baseline 设备,代表着国产集成电路工艺设备的最高水平,并成功进入国际供应链体系。

CVD 镀膜领域, 北方华创已经先后完成 PECVD、APCVD、LPCVD、ALD 等设备的开发,其自主开发的卧式 PECVD 已成功进入海外市场,为多家国际领先光伏制造厂提供解决方案。

中微半导体

中微半导体生产的是制造芯片的关键设备——刻蚀机。由于西方国家对刻蚀机产品出口中国进行管制,一些最先进的刻蚀机无法第一时间出口到中国。公开资料显示,在全球可量产的最先进晶圆制造7纳米生产线上,中微半导体是被验证合格、实现销售的全球五大刻蚀设备供应商之一,另外四家企业是来自美日的泛林、应用材料、东京电子、日立。目前,该公司正在准备科创板上市。

自2004年成立伊始,中微首先开发甚高频去耦合等离子体刻蚀设备Primo D-RIE,到目前为止已成功开发了双反应台 Primo D-RIE、双反应台 PrimoAD-RIE 和单反应台 Primo SSC AD-RIE三代刻蚀设备,涵盖65纳米、45纳米、 32纳米、28纳米、22纳米、14纳米、7纳米和5纳米微观器件的众多刻蚀应用。

国内排名靠前的刻蚀机供应商屈指可数,主要为中微半导体、北方华创和金盛微纳科技,不断向高端制程上发力,提高市场份额。其中,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;其 16nm 刻蚀机已经实现商用量产,7-10nm 刻蚀机设备几乎可与世界前沿技术比肩;5nm 等离子体蚀刻机已成功通过台积电验证,将用于全球首条 5nm 工艺生产线。

CVD 镀膜领域,中微半导体的MOCVD 设备在国内已实现国产替代。

金盛微纳科技

国家高新技术企业、中关村高新技术企业,中国真空学会理事单位,中国电子专用设备工业协会、中国微米纳米技术学会会员单位。

主要从事半导体设备、微细加工设备的产品研制、设计开发、生产销售,并开展相关工艺的研究及应用。主要产品:匀胶机(SC)、烘胶台(BP)、曝光机、刻蚀机(RIE、ICP、IBE)、等离子体淀积台(PECVD)、磁控溅射台(Sputter)、去胶机、溅射/刻蚀/淀积一体机、键合炉等。

应用范围涉及微电子、光电子、LED、MEMS、传感器、平板显示、通讯等领域,主要用于科研机构、大专院校、生产企业和公司进行各种器件的研究、开发和批量生产。公司建有“微细加工工艺示范线”以“开放实验室”的形式对各大专院校、研究院所、企业等相关研究、生产单位开放。在“开放实验室”里用户可获得:设备选型、项目预研与立项、合作攻关、工艺培训、外协加工等服务支持。

沈阳拓荆

成立于2010年4月,是由海外专家团队和中科院所属企业共同发起成立的国家高新技术企业。公司致力于研究和生产世界领先的薄膜设备,两次承担国家科技重大专项。

公司拥有12英寸PECVD(等离子体化学气相沉积设备)、ALD(原子层薄膜沉积设备)、3D NAND PECVD(三维结构闪存专用PECVD设备)三个完整系列产品。65nm PECVD 设备已实现销售。

产品广泛应用于集成电路前道和后道、TSV封装、光波导、LED、3D-NAND闪存、OLED显示等高端技术领域。公司在北京、天津、厦门、武汉、深圳、合肥、重庆、长三角等地区都设有技术服务中心。

晶盛机电

成立于2006年12月14日,是一家以“打造半导体材料装备领先企业,发展绿色智能高科技制造产业”为使命的高端半导体装备和LED衬底材料制造的高新技术企业。公司于2012年5月11日在创业板上市,下属11家子公司,3个研发中心,其中一个海外研发中心,拥有工业4.0方向的省级重点研究院、省级晶体装备研究院、博士后工作站等研究平台。

晶盛机电以技术创新作为持续发展的动力源泉。相继开发出具有完全自主知识产权的全自动单晶炉、多晶铸锭炉、区熔硅单晶炉、蓝宝石炉、碳化硅炉等晶体生长设备,同时开发并销售晶体加工、光伏电池和组件等装备,致力于打造光伏产业链装备技术和规模双领先的装备龙头企业;

在半导体产业实现8-12英寸大硅片制造用晶体生长及加工装备的国产化,并取得半导体材料装备的领先地位;成功掌握国际领先的300kg、450kg级超大尺寸泡生法蓝宝石晶体生长技术,蓝宝石材料业务具备较强的成本竞争力并逐步形成规模优势;在工业4.0方向,公司为半导体产业、光伏产业和LED产业提供智能化工厂解决方案,满足了客户对“网络化+智能制造”“机器换人”的生产技术需求。

长川科技

成立于2008年4月,是一家致力于提升我国集成电路专用测试技术水平、积极推动集成电路装备业升级的国家高新技术企业和软件企业,主要从事集成电路专用设备的研发、生产和销售。

主要产品为集成电路封装测试企业、晶圆制造企业、芯片设计企业等提供测试设备,集成电路测试设备主要包括测试机、分选机、探针台、自动化生产线等,目前主要产品包括测试机、分选机及自动化生产线。其中,测试机占主营业务收入比重最大,为 54.40%。分选机占比稍低,为 40.00%,二者相差较小。

本文只涉及部分半导体设备厂商信息,如需补充,欢迎通过后台与我们联系,感谢!

新知达人, 读完后,我更懂半导体设备了

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