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科普:半导体细分制造相关设备(中)

发表时间:2020-03-17 10:32


半导体设备

半导体制造工艺中涉及扩散。薄膜生长光刻、刻蚀、离子注入、抛光等多种工艺(参考半导体工艺流程),不同制程所需要的设备种类以及数量也不同,典型设备包括氧化炉、PVDVCD、光刻机、刻蚀机、离子注入设备、抛光、检测设备等。

硅片工艺流程、设备、主要供应商

   

制作一颗硅晶圆需要的半导体设备大致有十个,它们分别是单晶炉、气相外延炉、氧化炉、磁控溅射台、化学机械抛光机、光刻机、离子注入机、引线键合机、晶圆划片机、晶圆减薄机,其实光刻机只是九牛一毛,但是光刻机

1、单晶炉    单晶炉是一种在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中,用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化,用直拉法生长无错位单晶硅的设备。在实际生产单晶硅过程中,它扮演着控制硅晶体的温度和质量的关键作用。    由于单晶直径在生长过程中可受到温度、提拉速度与转速、坩埚跟踪速度、保护气体流速等因素影响,其中生产的温度主要决定能否成晶,而速度将直接影响到晶体的内在质量,而这种影响却只能在单晶拉出后通过检测才能获知,单晶炉主要控制的方面包括晶体直径、硅功率控制、泄漏率和氩气质量等。

2、气相外延炉    气相外延炉主要是为硅的气相外延生长提供特定的工艺环境,实现在单晶上生长与单晶晶相具有对应关系的薄层晶体。外延生长是指在单晶衬底(基片)上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层,犹如原来的晶体向外延伸了一段,为了制造高频大功率器件,需要减小集电极串联电阻,又要求材料能耐高压和大电流,因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。    气相外延炉能够为单晶沉底实现功能化做基础准备,气相外延即化学气相沉积的一种特殊工艺,其生长薄层的晶体结构是单晶衬底的延续,而且与衬底的晶向保持对应的关系。

3、氧化炉    硅与含有氧化物质的气体,例如水汽和氧气在高温下进行化学反应,而在硅片表面产生一层致密的二氧化硅薄膜,这是硅平面技术中一项重要的工艺。氧化炉的主要功能是为硅等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。

4、磁控溅射台    磁控溅射是物理气相沉积的一种,一般的溅射法可被用于制备半导体等材料,且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。在硅晶圆生产过程中,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。

5、化学机械抛光机    一种进行化学机械研磨的机器,在硅晶圆制造中,随着制程技术的升级、导线与栅极尺寸的缩小,光刻技术对晶圆表面的平坦程度的要求越来越高,IBM公司于1985年发展CMOS产品引入,并在1990年成功应用于64MB的DRAM生产中,1995年以后,CMP技术得到了快速发展,大量应用于半导体产业。    化学机械研磨亦称为化学机械抛光,其原理是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术,是目前机械加工中唯一可以实现表面全局平坦化的技术。在实际制造中,它主要的作用是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。

6、光刻机    又名掩模对准曝光机、曝光系统、光刻系统等,常用的光刻机是掩膜对准光刻,一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。在硅片表面匀胶,然后将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。


    7、离子注入机    它是高压小型加速器中的一种,应用数量最多。它是由离子源得到所需要的离子,经过加速得到几百千电子伏能量的离子束流,用做半导体材料、大规模集成电路和器件的离子注入,还用于金属材料表面改性和制膜等 。    在进行硅生产工艺里面,需要用到离子注入机对半导体表面附近区域进行掺杂,离子注入机是集成电路制造前工序中的关键设备,离子注入是对半导体表面附近区域进行掺杂的技术目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型,离子注入与常规热掺杂工艺相比可对注入剂量角度和深度等方面进行精确的控制,克服了常规工艺的限制,降低了成本和功耗。

8、引线键合机    它的主要作用是把半导体芯片上的Pad与管脚上的Pad,用导电金属线(金丝)链接起来。引线键合是一种使用细金属线,利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合,实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。在理想控制条件下,引线和基板间会发生电子共享或原子的相互扩散,从而使两种金属间实现原子量级上的键合。

9、晶圆划片机    因为在制造硅晶圆的时候,往往是一整大片的晶圆,需要对它进行划片和处理,这时候晶圆划片机的价值就体现出了。之所以晶圆需要变换尺寸,是为了制作更复杂的集成电路。

10、晶圆减薄机    在硅晶圆制造中,对晶片的尺寸精度、几何精度、表面洁净度以及表面微晶格结构提出很高要求,因此在几百道工艺流程中,不可采用较薄的晶片,只能采用一定厚度的晶片在工艺过程中传递、流片。晶圆减薄,是在制作集成电路中的晶圆体减小尺寸,为了制作更复杂的集成电路。在集成电路封装前,需要对晶片背面多余的基体材料去除一定的厚度,这一工艺需要的装备就是晶片减薄机。

当然了,在实际的生产过程中,硅晶圆制造需要的设备远远不止这些。之所以光刻机的关注度超越了其它半导体设备,这是由于它的技术难度是最高的,目前仅有荷兰和美国等少数国家拥有核心技术。近年来,国内的企业不断取得突破,在光刻机技术上也取得了不错的成绩,前不久,国产首台超分辨光刻机被研制出来,一时间振奋了国人,随着中国自主研发的技术不断取得进步,未来中国自己生产的晶圆也将不断问世。

圆加工主要工艺、设备及国内外供应商

资料来源:《半导体制造技术》,川财证券研究所

随着未来的发展,半导体技术将向着功能多样化和尺寸微型化两个方向共同发展。就在上一年SFFSamsungFiundryForum)美国分会上,三星表示将在2021Q1实现5nm量产。新的工艺将带来产品新能的提升,同时也带来对设备材料的巨大需求。

半导体技术想功能多样化和尺寸微型化发展

资料来源:CETC川财证券研究所

技术革新带来制造设备支出大幅提升

资料来源:应用材料,川财证券研究所

2019年中美贸易摩擦以来,受美政府打压华为,高通(Qualcomm)、科沃(Qorvo)、镁光科技(MicronTechnology)、西部数据(WestDigital)等美国芯片企业,已经在美国政府的“禁令下”暂停向华为供货。华为事件更加突显在集成电路领域的自主可控的重要性,也让国内人士认识到核心技术必须要掌握在自己手里,也必须实现国产化替代。

截止到2018年,国家集成电路产业投资基金一期已经基本投资完毕,据集微网大基金一期投资项目统计,投资分布主要集中在设计、制造、封测等领域。

国家集成电路产业投资基金一期项目

资料来源:前瞻产业研究所,川财证券研究所

02项目(即《极大规模集成电路制造装备及成套工艺》国家重大专项所列16个重大项目的第二项,在业内被称为02专项,该项目于2009326日正式进入全面实施)前涵盖了半导体制造设备的大部分领域,如光刻、刻蚀、薄膜、离子注入、检测等方面,同事国内有多家企业深度参与其中,北方华创项目涵盖刻蚀、薄膜等多领域,上海微电子已光刻机为主要方向,中微半导体主要负责介质刻蚀机的研发。随着项目的不断推进各种先进设备已经在现有半导体产线进行应用及验证,支撑我国半导体设备产业快速发展。

资料来源:中国集成电路产业发展蓝皮书,川财证券研究所

半导体设备是半导体设计实现的关键步骤,但是目前我国仍有80%90%的工艺设备依赖进口,国产设备仅占全球半导体产量的2%。半导体工艺复杂,所需的设备丰富,从流程分类,半导体设备主要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(参考集成电路工艺流程)。

以集成电路各类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%,封装谁被占6%,测试设备占8%,其他设备占比50%。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%

2017年集成电路各类设备销售额占比

   

资料来源:SEMI川财证券研究所

半导体设备国内外供应商

资料来源:Gartner川财证券研究所

光刻机

光刻流程是半导体芯片制造过程中最为关键的部分,而光刻机是半导体芯片制造中最为精密复杂、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。光刻机按照用途分类,包括用于生产芯片的产芯片光刻机,用于封装的光刻机,用于LED制造领域的投影光刻机。目前用于生产芯片的光刻机是中国在本道题设备制造上最大的短板,国内晶圆厂所需要的高端光刻机完全依赖于进口。

EUV光刻机原理图

资料来源:中国知网,川财证券研究所

光刻机用于刻出晶体管器件的结构和晶体管之间的连接通路。其加工芯片的过程,是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。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。

光刻机变迁历史

资料来源:百度,川财证券研究所

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%6%的市场分额。

2017年光刻机全球竞争格局

资料来源:Gartner川财证券研究所

在高端光刻机方面,阿斯麦占有84%的市场。据各公司财报数据,2011-2017年全球光刻机总出货1920台,阿斯麦出货1209台,占有63%的市场份额。其中,EUV光刻机上,仅阿斯麦一家独大,市场份额100%2013年阿斯麦EUV光刻机研发成功,光源波长22nm,随着技术逐步推进,2017年采用最小13nmEUV作为光源,超短波长使7nm以下特征尺寸曝光得以实现,于全球占有绝对技术优势。在ArFi机台方面,2011-2017年全球出货612台,阿斯麦占有率超过88%ArF机台方面,全球销售95台,阿斯麦占比52%

2011-2017年各公司光刻机产量

资料来源:公司年报,川财证券研究所

2017年,阿斯麦的高端优势愈加明显,市场份额88%2017年全球光刻机总出货294台,阿斯麦销售198台,市占率68%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%ArF机台方面,阿斯麦市占率64%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。

2017年各企业各光刻机产量

资料来源:公司年报,川财证券研究所

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、CMPECD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。

刻蚀机

刻蚀同样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。

刻蚀过程原理图

资料来源:百度百科,川财证券研究所

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。干法刻蚀与湿法刻蚀各有优劣势,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。

刻蚀技术分类

资料来源:川财证券研究所

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。

2017年刻蚀机全球竞争格局

资料来源:The information network川财证券研究所

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。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。

国内刻蚀机产商

资料来源:公司官网资料川财证券研究所

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)。

薄膜制备方法

资料来源:《薄膜沉积技术与工艺》,川财证券研究所

PVDCVD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

PVDCVD比较

资料来源:中国知网。川财证券研究所

PVDCVD的工艺差别

资料来源:《半导体技术》,川财证券研究所

PVD镀膜领域,在行业发展初期,镀膜设备以国外供应商为主。国外PVD镀膜材料厂商与镀膜设备厂商经过长时间磨合,匹配性表现优异,具有较强的先发优势。因此,长期以来全球PVD镀膜设备主要集中于美国、日本,产业集中度高。全球范围内,应用材料约占全球市场份额的85%Evatec与真空技术则分别占比约6%5%

我国PVD镀膜设备厂商中,以北方华创为代表。北方华创在溅射源、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TiNHardmaskPVDAlpadPVDAlNPVDTSVPVD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圆生产HardmaskPVD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。

2017年全球PVD市场竞争格局

    

资料来源:Gartner川财证券研究所

2017年全球CVD市场竞争格局

    

资料来源:Gartner川财证券研究所

CVD镀膜领域,集中度同样较高,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%。国内供应商方面,北方华创已经先后完成PECVDAPCVDLPCVDALD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。另外,中微半导体的MOCVD设备在国内已实现国产替代,沈阳拓65nmPECVD设备已实现销售。

封测过程设备

半导体封测流程是半导体制造的后道工序,封装主要作用是将芯片封装在支撑物内,以增加防护并提供芯片和PCB之间的互联。半导体封测端主要工艺环节包括背部减薄——晶圆切割——贴片——键合——模塑——电镀——切筋成型——终测打标

封装方式分为传统封装与先进封装,而目前先进封装的发展趋向越来越明显,据YoleDevelopment数据预测,全球先进封装市场将在2020年时达到整体集成电路封装服务的44%,年营业收入约为315亿美元;中国先进封装市场规模将在2020年达46亿美元。而从技术角度来看,FOWLPSiP3DTSV成为最受关注的三种先进封测技术。

未来封测方式简介与优势

资料来源:前瞻产业研究院,川财证券研究院

根据国际半导体产业协会SEMI数据,全球封装测试设备市场稳步扩张,2017年全球封装测试设备市场规模达83.1亿美元,同比增长27.9%。在全球封测行业市场中,目前三足鼎立的局势已经形成

全球半导体封测市场规模与增速

资料来源:SEMI川财证券研究所

全球半导体封测市场占比

    

资料来源:SEMI川财证券研究所

2016年全球半导体测试设备市场

    

资料来源:Gartner川财证券研究所

相比于半导体制造领域,我国半导体封测领域已经迈入到较为前列的阶段。近年来,我国封测设备规模不断提升,2017年市场规模206.1亿元(30.5亿美元),同比增速达到18.6%。而2017年国内半导体设备市场规模为82.3亿美元,封装测试设备占比超过1/3,达到37.1%封测设备市场中,封装设备市场14.0亿美元,测试设备与封装模具市场为16.5亿美元。

我国半导体封测市场规模与增速

资料来源:SEMI川财证券研究所

国内半导体封测设备厂商通过不断展开资本并购,及加大技术研发投入,已经在封测设备市场拥有较高市场份额。同前文描述,2017年,我国大陆厂商长电科技、华天科技、通富微电已在全球封测设备行业中分别排名第3、第6、第7,带来整个半导体设备产业链的发展信心。

IC封测企业并购

资料来源:前瞻产业研究院,川财证券研究所

近年来,半导体产业受到我国国家政策大力支持,但我国集成电路装备国产化率水平较低,光刻机、刻蚀机等核心装备技术存在很大困难,与国外差距较大。但是随着国内半导体设备龙头持续加大投入,目前在部分关键设备领域已经取得突破,晶盛机电、北方华创、长川科技和精测电子等公司销售规模和装机量快速增长,净利润近三年上升幅度较大,处于国内领先地位。



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