原創深度解讀芯片刻蝕：國產5nm機器就緒，2018全球銷售額破歷史新高
2019-04-21 21:33
來源:智東西
智東西（公眾號：zhidxcom）編 | 智東西內參
在芯片製造的眾多流程當中，刻蝕是其中重要的一步，目的是在襯底上留下需要的圖形電路。根據海通證券預計，2018年全球刻蝕設備市場規模將高達100億美元左右，並且隨着芯片工藝節點的縮小，刻蝕的步驟也進一步增多，對刻蝕機需求越來越大。
目前，國內刻蝕設備供應商正在迎頭追趕，2018年12月，中微半導體的5nm等離子體刻蝕機宣布通過台積電驗證，將用於全球首條5nm製程生產線。2020年刻蝕機國產率有望達到20%。
本期的智能內參，我們推薦來自海通證券的半導體行業報告，對芯片刻蝕設備的先進工藝及國際市場形勢進行了分析。如果想收藏本文的報告（海通證券-半導體設備行業深度分析之刻蝕設備：最有望率先實現國產替代），可以在智東西公眾號回復關鍵詞“nc354”獲取。
以下為智能內參整理呈現的乾貨：
刻蝕設備：半導體的“雕刻刀”
半導體產品的加工過程主要包括晶圓製造（前道，Front-End）和封裝（后道，Back-End）測試，隨着先進封裝技術的滲透，出現介於晶圓製造和封裝之間的加工環節，稱為中道（Middle-End）。
由於半導體產品加工工序多，所以在製造過程中需要大量的半導體設備和材料。
而在半導體設備投資中，晶圓處理設備佔比最大，根據SEMI預計，2018年晶圓處理設備投資額占整體設備投資比例達81%。
刻蝕環節為芯片製造重要一步。刻蝕是用化學或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程。
刻蝕的基本目標是在塗膠的硅片上正確地複製掩膜圖形。刻蝕的選擇性質來自於：紫外光會破壞抗蝕劑，而掩膜版會遮擋紫外光，這樣被掩膜版遮蔽的薄膜層就會被保留。
因此，經過物理或者化學刻蝕之後，襯底上留下的圖形電路就與掩膜版的形狀一模一樣了。
如上圖所示，一層結構的加工就需要十幾個步驟，如果要建立60層的複雜結構，就需要約1000個加工步驟。單個步驟的合格率即使達到99.0%，1000個步驟后的合格率就趨近於零。因此只有每個步驟的合格率均達到99.99%，才能實現總體合格率90%以上。
刻蝕分為干法刻蝕和濕法刻蝕，其中干法刻蝕是主流工藝。
干法刻蝕是把硅片表面暴露於氣態中，產生等離子體，等離子體通過光刻膠中開出的窗口與硅片發生物理或化學反應（或這兩種反應），從而去除暴露的表面材料。干法刻蝕是亞微米尺寸下刻蝕器件的主要方法。
濕法刻蝕是使用液體化學試劑（如酸、鹼和溶劑等）以化學方式去除硅片表面的材料。濕法刻蝕一般只是在尺寸較大的情況下（大於3微米）。濕法刻蝕也用於腐蝕硅片上的某些層或用於去除干法刻蝕的殘留物。
按照反應原理來劃分，干法刻蝕分為三種：
1）物理性刻蝕，又稱離子束濺射刻蝕，原理是使帶能粒子在強電場下加速，這些帶能粒子通過濺射刻蝕作用去除未被保護的硅片表面材料。
2）化學性刻蝕，又稱等離子體刻蝕，純化學刻蝕作用中，通過等離子體產生的自由基和反應原子與硅片表面的物質發生化學反應達到刻蝕的效果。
3）物理化學性刻蝕，即反應離子刻蝕，為物理刻蝕與化學刻蝕混合作用。這種物理和化學混合的作用機理結合了兩種作用的優點，能獲得較好的線寬控制並有較好的選擇比，因而在大多數干法刻蝕中多採用反應離子刻蝕。
按照被刻蝕的材料，干法刻蝕又可以分為三種：金屬刻蝕、介質刻蝕和硅刻蝕；其中，介質刻蝕使用量最大。
半導體先進製程加速，對刻蝕設備要求提高
刻蝕技術隨着硅片製造技術的發展有了很多改變，最早的圓筒式刻蝕機簡單，只能進行有限的控制。
現代等離子體刻蝕機能產生高密度等離子體，具有產生等離子體的獨立射頻功率源和硅片加偏執電壓、終點監測、氣體壓力和流量控制，並集成對刻蝕參數進行控制的軟件。
隨着國際上高端量產芯片從14nm到10nm階段向7nm、5nm甚至更小的方向發展，當前市場普遍使用的沉浸式光刻機受光波長的限制，關鍵尺寸無法滿足要求，必須採用多重模板工藝，利用刻蝕工藝實現更小的尺寸，使得刻蝕技術及相關設備的重要性進一步提升。
下圖展示10nm多重模板工藝原理，涉及多次刻蝕。
國內刻蝕設備有望突破國際垄斷
在晶圓加工的薄膜沉積設備、光刻機、刻蝕機三類核心設備中，刻蝕機國產化率最高，而且比率逐年上升、速度最快。根據SEMI預計，到2020年，國內刻蝕機國產率將達到20%。
除了美國、日本以外，中國已經逐漸成為世界第三大半導體設備供應商，目前中國已經有34家裝備供應廠家，主要集中在北京、上海與瀋陽等地。根據中微半導體創始人尹志堯預計，未來在刻蝕機領域國產率將達50%；MOCVD領域未來將達70%國產率。
國內刻蝕機設備廠商主要國內玩家則有中微半導體、北方華創、金盛微納科技等。目前，國內刻蝕設備供應商有望在突破國際垄斷。
2018年12月，中微半導體的5nm等離子體刻蝕機宣布通過台積電驗證，將用於全球首條5nm製程生產線。而在7nm時代，中微半導體的刻蝕機也進入了台積電的7nm產線。
北方華創則在2016年突破14nm生產技術，而根據其2018年中報，北方華創12英寸90-28納米集成電路工藝設備已實現了產業化，12英寸14納米集成電路工藝設備也進入了工藝驗證階段。
國際巨頭緊跟半導體製程變化
目前全球刻蝕設備集中度高，美國拉姆研究（Lam Research）佔據半壁江山。
根據Gartner統計，全球前十大半導體設備廠商基本被美國、荷蘭和日本廠商所佔據，並且在相當長的時間內保持穩定，其中美國的應用材料公司更是穩坐全球龍頭位置。
除了拉姆研究外，目前國外刻蝕機設備廠商主要有應用材料（Applied Materials）、科林研發（KLA-Tencor）、東京电子（TEL）、日立國際（Hitach）、牛津儀器，且均已經可以實現7nm製程。
根據中微半導體招股說明書（申報稿），拉姆研究、東京电子和應用材料三家市場佔比超過90%。
拉姆研究1980年成立，1989年便在韓國開設了第一間辦公室，1990年拉姆研究在中國設立辦事結構，根據拉姆研究2018年年報披露，中日韓三地營收占其營收總比例的80%。緊跟產業轉移趨勢，是海外半導體設備公司長盛不衰的重要原因。
通過對拉姆研究產品端的分析，可以發現拉姆研究不斷開發新產品以適應半導體行業對新設備的不斷需求。
在刻蝕領域不斷推陳出新，平均每五年就有新的刻蝕設備出現。拉姆研究刻蝕設備家族已經囊括了金屬刻蝕、硅刻蝕和介質刻蝕三大系列產品的近20種型號的刻蝕設備，以其產品的靈活性和低成本牢牢佔據刻蝕設備全球龍頭的地位。
2018年全球刻蝕設備銷售額創歷史新高
根據中商產業研究院，在晶圓處理設備中，刻蝕設備價值量僅次於光刻機，占晶圓設備價值比重在20%左右。
而根據SEMI大半導體產業網援引SEMI數據，預計2018年晶圓處理設備市場空間為502億美元。因此，海通證券預計2018年全球刻蝕設備銷售額在100億美元左右。
除2008/2009年刻蝕設備銷售額隨着全球經濟形勢出現較大幅度衰退之外，2006年至今，刻蝕設備市場規模一直在60億美元上下波動。根據SEMI大半導體產業網援引SEMI數據，全球半導體設備銷售額將在2018年創紀錄，2019年重整，2020年再創新高。
從投資角度，中國半導體投資主力正在改變，中國公司對半導體工廠投資逐漸超越外國公司。
從投資方角度看，2017年前，海外國際性公司，如三星、SK海力士、英特爾是國內晶圓工廠建設主力，半導體設備消費也領先於國內其他公司。
2017年後，中國公司投資快速增長，根據SEMI預計，2019和2020年中國公司對國內晶圓工廠的投資將超越外國公司。
中國區域內，中國廠商半導體前端設備消費將接近外國廠商。由於中國公司對半導體製造的投資規模逐漸接近外國公司，中國公司的半導體設備消費也逐漸接近外國公司。
2018年，中國公司半導體前端設備消費將達到58億美元，外國公司將達到67億美元，這也將是兩個數值最接近的一年。
目前，AI、5G、汽車电子等已經成為半導體產業的新動能。因為有AI和5G核心技術的發展，驅動新的智能應用，帶動集成電路的需求及增長，所以未來半導體產業仍會持續成長。
從14nm到5nm器件加工，刻蝕步驟會增加近乎三倍，對設備提出更高要求。14nm工藝節點等離子刻蝕機刻蝕步驟為65步，而在5nm節點下，刻蝕步驟數達到了150步。
對於刻蝕設備而言，隨着工藝節點的不斷縮小，一是需要更精密的加工精度來匹配先進製程，二是需要更高的刻蝕速度來完成更多的步驟要求。因此先進製程對刻蝕設備的要求顯著提高。
工程建設投資高峰到來，中國半導體設備市場規模擴大。根據各公司官網數據，海通證券統計中國在建或計劃建設的半導體工廠刻蝕設備投資額度約為449億元。
智東西認為，相對於光刻機，刻蝕機的研發難度要小一些，國內不斷髮展的刻蝕設備廠商有望突破國際垄斷，打入全球核心市場。但與此同時，刻蝕機也是除光刻機以外最關鍵的設備，隨着以中國為代表的全球半導體市場需求進一步增長、以及先進工藝對於刻蝕設備的需求增多，這一興盛蓬勃的市場有望在近年來再創新高。返回搜狐，查看更多
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