刻蝕設備:僅次于光刻機的半導體制造核心工藝 迎國產爆發機遇?丨黃金眼
來源:全景財經2024-01-17 19:37

作為半導體制造三大核心工藝之一的刻蝕設備,其價值量占比達到了22%,是重要性僅次于光刻機的半導體設備,正迎市場增長和國產化雙機遇共振。

01、什么是刻蝕設備??

集成電路制造經歷上百道工藝,光刻、刻蝕、薄膜沉積是三大關鍵設備,價值占比達60%以上。國際最先進芯片產線需要百億美元投資,70%以上用于購買設備,單條線需要十大類設備,170多種細分設備,合計約3000多臺各種類型的設備,其中光刻、刻蝕、薄膜沉積價值量最大,占比分別為17%、22%、22%??涛g設備是重要性僅次于光刻機的半導體設備。

刻蝕設備結構解析資料來源:四十八所

半導體制作過程中,薄膜沉積工藝是在晶圓上沉積一層待處理的薄膜,勻膠工藝把光刻膠涂抹在薄膜上,光刻和顯影工藝把光罩上的圖形轉移到光刻膠,而刻蝕工藝是把光刻膠上圖形轉移到薄膜,去除光刻膠后,即完成圖形從光罩到晶圓的轉移??涛g利用化學或者物理的方法將晶圓表面附著的不必要的材質進行去除的過程,根據被刻蝕材料的不同,刻蝕可分為介質刻蝕、硅刻蝕、金屬刻蝕。根據產生等離子體方法的不同,分為電容性等離子體刻蝕(CCP)和電感性等離子體刻蝕(ICP)。

資料來源:中微公司招股說明書

其中CCP刻蝕主要是介質刻蝕,即高能離子在較硬的介質材料上刻蝕高深寬比的深孔、深溝等微觀結構;而ICP刻蝕主要是硅刻蝕和金屬刻蝕,即以較低的離子能量和極均勻的離子濃度刻蝕較軟的和較薄的材料。

ICP、CCP在整個刻蝕設備市場占比接近,據Gartner數據顯示,2022年ICP、CCP占刻蝕設備市場分別為47.9%、47.5%,二者合計占比約95%,幾乎占據了整個刻蝕設備市場全部份額。

來源:Gartner,中微公司

02?、當下有什么值得關注的點????

首先是邏輯芯片不斷突破,先進工藝刻蝕次數也不斷提升,對刻蝕設備的數量和質量提出了更高的要求。

更小的制程是集成電路研發生產的不懈追求,工藝越先進,晶體管柵極寬度納米數越小,芯片的性能也將隨之提升。當前國際上高端量產芯片從7nm向5nm、3nm甚至更小的尺寸發展,其核心工藝必須借助刻蝕機的多次刻蝕來實現。據國際半導體產業協會測算,一片7nm集成電路所經歷刻蝕工藝140次,較28nm生產所需的40次增加2.5倍。此外,更多的步驟、更小的尺寸以及不同的材料對刻蝕機的數量、精度、重復性等都提出更高的要求。

不同制程集成電路所需刻蝕工藝數量(次)

資料來源:國際半導體產業協會,華經產業研究院

對于中國大陸邏輯電路制造而言,先進制程的主流工藝是FinFET工藝,受制于部分設備能力,國內先進制程的發展目前還需要依賴多重曝光實現更小的尺寸,使得刻蝕技術及相關設備的需求數量和重要性進一步提升。除此之外基于金屬硬掩模的雙大馬士革等工藝也提高了刻蝕的難度,相應的刻蝕機制造的難度也隨之增加。

同時,3DNAND存儲芯片堆疊層數不斷增長,涉及的刻蝕步驟繁多,對設備的性能及數量都提出需求。

基于NAND閃存芯片的產品能夠快速處理數據,是當今存儲卡、USB、固態硬盤等數字數據存儲方式背后的核心元件。當下主流的3DNAND存儲是在垂直層面上增加存儲單元,從而倍數擴張晶圓上的單元數量,增大存儲容量。

3DNAND的構建極大程度上依賴沉積和刻蝕工藝,無論是已經投入量產的64層和128層,還是正在研發中的超300層3DNAND,都是增加了堆疊的層數,這對刻蝕設備的深寬比提出了要求。

此外在現有技術下,堆疊層數越高,重復工藝次數越多,溝道孔洞等非重復性節點單次操作耗時更長,導致部分加工節點對刻蝕設備的需求可隨堆疊層數的增加而同比例增長。3DNAND的技術發展將為刻蝕設備的需求帶來新的增長動力。

在新的自主可控背景下,國產設備在內資晶圓廠的滲透率正在快速提升,目前替代空間巨大。

刻蝕設備市場格局高度集中,海外三大廠商寡頭壟斷,占據總市場份額的90%。根據華經情報研究院,2022年刻蝕龍頭LamResearch(LRCX、泛林半導體)市場份額占比46.7%。就我國本土市場而言,據智研咨詢統計,現階段中國刻蝕設備國產化率約在20%左右。海外廠商普遍成立時間較早,在技術經驗、客戶資源、生態體系等方面均有較深積累,國產廠商均在2000年后成立,且主要客戶均為國內晶圓廠,經驗資源仍然欠缺。

不過根據中國海關進口數據顯示,2017年以來,刻蝕機進口數量在2021年達到巔峰,2022年受到行業周期以及相關出口禁令的影響出現下滑,同時也反映了國產刻蝕設備逐漸滿足我國晶圓廠的生產需求,在出廠數量和技術水平上均有所提升。2023年下半年進口數量未見明顯增加但單機價格呈現翻倍的增長,機構判斷進口設備多集中在一些高技術壁壘高價值量的工藝環節。

并且,已經有不少國產企業在技術、訂單方面有較為明顯的突破。

例如,3DNAND工藝中最困難環節的高深寬比刻蝕領域,中微公司就自主開發了極高深比刻蝕機,該設備用400KHz取代2MHz作為偏壓射頻源,以獲得更高的離子入射能量和準直性,使得深孔及深槽刻蝕關鍵尺寸的大小符合規格。在3DNAND芯片制造環節,公司的等離子體刻蝕設備可應用于64層和128層的量產,同時公司根據存儲器廠商的需求正在開發新一代設備,以滿足極高深寬比的刻蝕設備和工藝。

而應用于CVD薄膜沉積、刻蝕等核心環節的半導體工藝控制核心射頻電源領域,國內廠商英杰電氣、恒運昌、北廣科技與下游設備廠(中微股份、拓荊科技、北方華創等)共同成長,在射頻電源產品供應方面已實現批量訂單突破。

其中英杰電氣應用于半導體設備的射頻電源已實現批量訂單(截至2023年11月29日,已突破9000萬元訂單),正呈現逐漸增量的趨勢。恒運昌2019年底公司與沈陽拓荊科技有限公司正式簽署了戰略合作備忘錄。2022年6月17日,拓荊科技以自有資金人民幣2000萬元向恒運昌增資并參股恒運昌,增資后持有其3.51%的股份。在PECVD射頻電源領域持續突破。北方微電子2020年公司以6397萬人民幣收購北廣科技射頻應用技術相關資產,提高在射頻電源細分領域的核心競爭力。

03?、市場空間有多大?

半導體行業雖具有一定的周期性,但整體仍呈現快速增長態勢,以AI和5G為代表的技術創新將帶來新需求,為半導體行業帶來新的增長動力。

2023年12月12日SEMI發布了《年終總半導體設備預測報告》指出,半導體制造設備全球總銷售額預計將在2023年達到1000億美元,比2022年收縮6%。預計半導體制造設備將在2024年恢復增長,在前端和后端市場的推動下,2025年的銷售額預計將達到1240億美元的新高。

來源:SEMI

根據Gartner統計數據,全球集成電路制造干法刻蝕設備市場規模在2020-2025年期間發生一定波動,預計2025年市場規模約為181.85億美元,年復合增長率約為5.84%。

全球集成電路干法刻蝕設備市場規模(億美元)

資料來源:Gartner,屹唐股份招股說明書

中國大陸晶圓廠仍處于產能擴張階段,12英寸產線擴產空間較大,保障刻蝕設備需求。

據全球半導體觀察不完全統計,中國大陸預計至2024年底將建立32座大型晶圓廠,包括正在建設中的晶圓廠22座,以及未來中芯國際、晶合集成、合肥長鑫、士蘭微等廠商計劃建設10座,其中在建或計劃中12英寸晶圓廠共計24座,占擴產比例的75%。

具體產能方面,中國大陸目前12英寸晶圓月產能160.7萬片,規劃月產能423.3萬片,現有產能占比37.96%,8英寸月產能99.1萬片,規劃月產能155萬片,現有產能占比63.94%。長期來看,12英寸產線產能擴張空間可觀。晶圓代工行業擴產計劃的不斷推進也為刻蝕設備的需求增長保證了充足空間。

據華經產業研究院統計,刻蝕設備市場規模在各類半導體設備中增速最高,2011-2021年年復合增長率達16.39%,2022年中國刻蝕設備市場規模為375.28億元,預計2023年有望達到500億元。隨著集成電路技術不斷發展,對刻蝕設備的性能和數量要求不斷提高,以及當下核心設備國產化的主流趨勢,刻蝕行業前景依舊廣闊。

04?、相關企業有哪些???

中微公司是國內領先的半導體刻蝕設備及MOCVD設備制造商,逐步向薄膜沉積設備等半導體設備延展。公司2004年成立以來,開發了CCP單/雙臺機、ICP單/雙臺機,可以覆蓋大部分刻蝕應用,并且在高壁壘卡脖子領域例如極高深寬比和大馬士革工藝方面持續突破。

在邏輯集成電路制造環節,公司開發的12英寸高端刻蝕設備已運用在國際國內知名客戶65nm到5nm及下一代更先進的芯片生產線上;同時,公司根據先進集成電路廠商的需求,持續開發5nm及更先進刻蝕設備用于若干關鍵步驟的加工,并已獲得行業領先客戶的批量訂單。在3DNAND芯片制造環節,公司的等離子體刻蝕設備可應用于64層和128層的量產,滿足更高深寬比的刻蝕設備正在研發中。

公司主要客戶包括臺積電、英特爾、聯華電子、格羅方德、海力士、意法半導體、華力、華虹、中芯國際、博世、長江存儲、長鑫存儲等。

北方華創則是國內ICP刻蝕設備龍頭,ICP刻蝕產品出貨累計超過2000腔。2005年華創第一臺ICP硅刻蝕機進入生產線,目前是國內主流客戶的優選機臺。12英寸TSV深硅刻蝕機是國內TSV量產生產線主力機臺,支持Chiplet工藝應用。公司實現CCP刻蝕設備突破,2022年公司推出8英寸CCP刻蝕設備并開始批量供應和12英寸CCP晶邊介質刻蝕機已進入多家生產線驗證。

此外還有進行刻蝕設備業務拓展的屹唐股份,目前正在沖擊IPO。公司面向全球經營的半導體設備公司,主要從事集成電路制造過程中所需晶圓加工設備的研發、生產和銷售,面向全球集成電路制造廠商提供包括干法去膠設備、快速熱處理設備、干法刻蝕設備在內的集成電路制造設備及配套工藝解決方案。

屹唐股份現有兩款刻蝕設備,主要覆蓋存儲芯片的制備。2007年推出ParadigmE系列,2020年推出高選擇比刻蝕和原子層級材料移除設備Novyka系列,二者目前均已研發至先進10nmDRAM芯片和256層3D閃存芯片制造,公司在干法刻蝕領域仍處于追趕國際先進水平階段。目前,公司刻蝕設備的主要客戶為三星電子和長江存儲。

責任編輯: 高蕊琦
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