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【兆恒機械】刻蝕設備的一些基本知識

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  • 添加日期:2022年08月12日

1.基本原理

前道的晶圓加工包括十余道工藝,有氧化、擴散、退火、離子注入、薄膜沉積、光刻、刻蝕、化學機械平坦化(CMP)等。其中最關鍵的三類主設備是光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備,價值占前道設備的近70%

 

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刻蝕工藝順序位于鍍膜和光刻之后。簡單來說,刻蝕機的作用就好像是雕刻中的刻刀一樣,利用光學-化學反應原理和化學、物理等刻蝕方法,將晶圓表面附著的不必要的材質進行去除,留下的就是晶圓所需要的材質和附著在其上的光刻膠。然后再多次重復上述步驟,就可得到構造復雜的集成電路。

 

按照刻蝕工藝劃分,其主要分為干法刻蝕以及濕法刻蝕。由于干法刻蝕可以實現各向異性刻蝕,符合現階段半導體制造的高精準、高集成度的需求,因此在小尺寸的先進工藝中,基本采用干法刻蝕工藝,導致干法刻蝕機在半導體刻蝕市場中占據絕對主流地位。

 

而按照被刻蝕材料劃分,可以分為硅刻蝕、介質刻蝕以及金屬刻蝕。目前由于下游的需求場景較多,介質刻蝕機與硅刻蝕機的市場占比較高,成為市場主流。

 

2.刻蝕與光刻的區別

有些對工藝不熟悉的業者,很容易將刻蝕機與光刻機混淆。事實上,這兩款設備的工序和作用完全不同。

 

業界有個簡單的比喻:如果把芯片比作一幅平面雕刻作品,那么光刻機是打草稿的畫筆,刻蝕機是雕刻刀,沉積的薄膜則是用來雕刻的基礎材料。光刻的精度直接決定了電路的走向和尺寸,而刻蝕和薄膜沉積的精度則決定了光刻的尺寸能否實際加工。

 

原理說來簡單,但設備的實際研發難度還是很高的。不僅因為芯片制造工序多、精度要求高,還因為電路之間是立體存在的,上下堆疊、左右間隔,而寬度也小到納米級別,其結構放大無數倍來看比整個北京城的街道都復雜。

 

全球刻蝕設備的競爭格局

近年來全球刻蝕機市場規模有顯著提升。從SEMI的數據來看(圖1),2016年以來全球刻蝕機市場持續增長,其中2018年市場規模已經超過百億美元,達到103億美元,同比增長11.96%。預計2019年全球刻蝕設備市場仍會以十位數以上的同比增速發展。

 

刻蝕設備市場規模顯著提升的原因有多方面,其中最關鍵的兩點:一是全球半導體產線資本開支提升,尤其是中國近年來建設大量晶圓廠以及存儲產線,帶來大量刻蝕機需求;二是由于晶圓代工以及存儲產線工藝優化,帶來刻蝕工藝需求的持續提升,進而對刻蝕機本身需求增長。

 

市場的強健增長,自然會吸引不少廠商來分一杯羹。但事實上,刻蝕機與大多數半導體設備一樣,一直以來就是一個高度集中的行業,市場高度壟斷。

 

1.國際巨頭的成長路徑

根據預測,2019年全球刻蝕機市場份額由三家國際廠商瓜分,來自美國硅谷的泛林半導體(Lam Research)占53%,位于日本的東京電子東京電子(Tokyo Electron)占19%,同樣是美國硅谷的應用材料(Applied Materials)占18%。盡管近年來刻蝕行業的后起之秀如雨后春筍,但這三家國際巨頭仍共占全球九成以上的市場份額。

 

總體來看,這些國際巨頭通常專注某一領域做大做強,再并購整合其他業務,從而日積月累擁有較高的市場份額。

 

1)泛林半導體

1980年華人工程師David Lam創辦了Lam Research。從公司名就可以看出,泛林具有與生俱來的研發基因。憑借對最先進技術和產品的單純追求,泛林在創辦第二年就推出了第一款刻蝕機產品——AutoEtch;第四年便在納斯達克IPO上市。

 

“巨大的成功”也讓公司過早地走向了多樣化的道路。在90年代,泛林將業務拓展至CVDFPD(顯示面板)領域。這并沒有讓公司做大做強,反而分散了公司的業務焦點。泛林的市值從1995年的30億美金跌到了1998年的4.5億美金。

 

痛定思痛!1998年后,泛林將重心重新放在了刻蝕設備優勢的夯實上,同時兼顧多產品的研發,最終逐步走出陰霾。2007年以后,公司在刻蝕領域的地位無可撼動,這才重新將業務拓展至清洗和CVD等領域。2019年泛林全年營收約95億美元。

 

2)應用材料

同樣位于美國硅谷的應用材料也具有極強的研發能力。官方資料顯示,應用材料每年在研發上投入20億美元,團隊成員中30%為專業研發人員,平均每天(包括星期六和星期日)要申請四個以上的新專利。

 

作為半導體設備領域的老大哥,應用材料在1974年通過收購企業,將業務拓展至硅片制造領域后,也經歷了連續三年虧損的“滑鐵盧”。 所幸1977年新上任的 CEO 決定出售硅片業務,專注半導體設備的研發,公司才重回增長軌道。直到90 年代以后,應用材料通過一些列收購將業務擴展至量測、CMP等領域,成為擁有產品線最全面的半導體設備龍頭。2019年應用材料的營收為146億美元。

 

3)東京電子

東京電子是日本第一家半導體制造設備廠商,最初的定位是實現國產化。雖然東京電子的成長路徑遠不如前兩家波瀾壯闊,但它們對于研發的投入絕不縮水。2018財年東京電子研發費用約1200億日元(約合80億人民幣)。

 

足以見得,在半導體設備行業中,相比于全平臺式布局,深耕細作的策略更具成效。因為刻蝕設備作為三大主設備之一,進入客戶產線后可擁有一定的話語權,甚至更容易地影響客戶對其他設備的采購。

 

2.中國廠商后來居上

事實上,我國企業在入局刻蝕設備之初,一定程度上參照了國際巨頭的成長模式,集中力量專注于某一領域的研究。目前來看,刻蝕機尤其是介質刻蝕機,是我國最具優勢的半導體設備領域,也是國產替代占比最高的重要半導體設備之一。

 

此外,國內存儲產線的大舉興建以及“大基金”的持續投入,預計刻蝕設備有望率先完成國產替代。

 

一方面,以長江存儲、紫光集團、合肥長鑫、福建晉華等為代表的國內存儲企業正不斷擴大相關產線,在各類設備采購上有大量的資本支出,并且越來越青睞于國產設備。例如長江存儲在介質刻蝕機、氧化設備、清洗設備等都有高于15%的采購比例。

 

另一方面,雖然“大基金”一期投資相對集中在晶圓制造(代工)、芯片設計等中游領域,但國內主要的刻蝕設備企業均得到大基金一期投資,因此業界均期待大基金隨后在刻蝕設備領域的投資。

 

值得提醒的是,5nm刻蝕機的成功并不意味著國產5nm芯片可實現全面量產。因為刻蝕的前一道工序——光刻,其國產設備仍然處于90 nm光刻的水平,與世界最先進的7nm制程相距甚遠。因此,想要打造一個全制程國產化的 “中國芯”,光刻與刻蝕工藝的齊頭并進尤為重要。