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美国半导体设备真的无可替代?

半导体行业观察 ·2018-07-14 10:34·半导体行业观察
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来源:内容来自「长江证券」,谢谢。


集成电路产业是“中国制造 2025”中关键的产业,自 2014 年《国家集成电路产业发展推进纲要》发布和“大基金”成立以来,国内半导体产业发展如火如荼,全国各地掀起了晶圆厂建设潮。集成电路的制造离不开晶圆厂,而晶圆厂的投产离不开半导体设备和材料。中美贸易摩擦和中兴事件的发生,对我们国家的产业安全敲响了警钟,因此,有必要对美国的半导体设备的优势和可替代性进行探讨。


设备市场三强争霸,美国强在PVD等


纵观全球半导体设备市场,美日荷争霸, 高度垄断, 强者恒强。


半导体设备是一个拥有极高技术壁垒的行业,目前主要被美国、日本和荷兰的巨头垄断,他们起步较早,伴随着整个半导体产业一起成长,相应产品也已经成为事实上的行业标准,其他设备公司无论资金、技术、研发能力、市场地位等各个方面,都与排名靠前的国际巨头差距较大,因此,整个行业呈现高度垄断、强者恒强的局面。晶圆处理设备占整个半导体设备市场超过 80%的份额, 2016 年晶圆处理设备前 10 强排名中,美国占据了 3 家,日本占据了 5 家,荷兰占据了 2 家。前 10 名的市场份额合计达到了 78.6%。


排名前 10 的公司中, 美国公司虽然数量上比日本公司少,但全部进入了前 5 名,总营收比日本公司高较多。全球半导体设备市场,美国、日本和荷兰三强争霸,其中,美国最强,日本其次, 而荷兰的光刻和后道封装设备最强。


2016 全球晶圆处理设备供应商排名


半导体产业的产业链较长,涉及的设备较多,相互之间的技术差异较大,没有公司能够生产所有的半导体设备,均是有所侧重。


集成电路生产工艺较复杂、工序很多, 涉及的半导体设备种类数量较多


美国半导体设备公司的主要优势在于物理气相沉积设备 PVD、检测设备、离子注入机和化学机械抛光设备 CMP 等半导体制造中的核心设备。 化学气相沉积 CVD、刻蚀设备等也具有较强的优势, 而光刻机、氧化、退火、去胶等其他设备,日本和荷兰公司有较大优势,或并不弱于美国公司。在刻蚀、氧化炉管、清洗等少部分设备领域,中国公司也有所突破,但与国外公司相比,仍然差距较大。


美国半导体设备公司优势在于 PVD、 检测设备、离子注入机、 CMP 设备


美国半导体设备的可替代性探讨


通过权威统计机构的统计数据,结合一系列的产业调研,我们对美国半导体设备的可替代性进行了梳理。


(1)氧化扩散设备:日本产品占绝大部分份额


氧化、炉管设备技术难度稍低,日本日立、东京电子和荷兰 ASM 较强,占据了绝大部分的市场份额,因此无需担忧缺少美国设备。


氧化设备日本领先


国产设备中,北方华创的氧化炉在 8 寸设备中可实现国产替代, 65/45nm 等工艺可实现部分国产替代,工艺达到了 28nm。美国应用材料公司拥有 50%的市占率,但日本东京电子、日本迪恩士等也拥有较强的实力。


热处理退火设备 RTP 美国应用材料最强


此外, 亦庄国投 2015 年收购自美国的半导体设备公司 Mattson 最新研发的 12 寸退火设备可对晶圆两面的温度分别进行控制,在国际上也具有技术领先性,目前正在推广,有望实现国产替代。


(2)化学表面沉积设备 CVD:美国日本均较强


美国应用材料、日本东京电子和美国 Lam 在 CVD 设备方面的实力均较强。 CVD 设备的种类较多,包括 LPCVD、 PECVD 等多种 CVD 设备, 日本东京电子的 CVD、 ALD设备,均能够实现对美国的 CVD 设备的替代。


化学表面沉积设备 CVD 美国和日本均较强


国产CVD设备中北方华创和沈阳拓荆做得最好,北方华创长于LPCVD 和ALD,而沈阳拓荆长于 PECVD。在 65/45nm/等节点上能实现部分国产替代,达到量产的工艺为28nm,14nm也正在验证。此外,用于LED领域的MOCVD,中微半导体在国内蓝光LED领域,已经做到了市场份额第一,完全实现了进口替代。


(3)物理气相沉积设备 PVD:美国占据垄断


美国应用材料公司的 PVD 设备最强,占据 84.9%的市场份额,处于垄断地位,国外产品的可替代性相对较弱。


物理气相沉积设备 PVD 美国占据垄断


国产 PVD 设备中北方华创进展最快,在 65/45nm 等节点上能实现部分国产替代, 28nmPVD 设备成为了中芯国际的 baseline 产品, 14nm 设备正在验证。 此外,北方华创的PVD 产品进入了长江存储产线。


(4)涂胶显影设备:美国较弱,东京电子垄断


涂胶显影设备中,日本的东京电子占有约 87%的市场份额, 实力最强, 处于垄断状态,无需担心缺少美国设备。


涂胶显影设备日本领先


国产涂胶显示设备中, 沈阳芯源做得最好,产品涵盖 2 寸、 4 寸、 6 寸、 8 寸和 12 寸晶圆的匀胶和显影, 12 寸晶圆的产品能够满足 90nm 工艺的匀胶显影工艺, 65nm 产品正在研发,与国外设备相比还具有较大差距。


(5)去胶设备:美国较弱,国产 Mattson 较强


去胶是在刻蚀过后,把晶圆表面剩余的光刻机去除, 工艺分为干法去胶和湿法去胶。湿法去胶是使用化学试剂与光刻机发生反应从而达到去胶目的,而干法去胶类似于刻蚀,使用等离子体将光刻机剥除。


去胶设备 Mattson 较强


Mattson 主攻干法去胶,具有国际领先的设备、技术和市场份额,产品分布在国内国外众多晶圆厂,可以完全实现进口替代。


(6)光刻机:以荷兰和日本产品为主流


光刻机中, 荷兰的 ASML 无疑是最强的,美国没有具有竞争力的产品,美国的几大设备公司也均不做光刻机。 在目前最先进的晶圆制造工艺中如 7/10/14nm 等领域,只有ASML 能做, 而在22/45/65/90/130/180nm 等领域,除 ASML 外,尼康和佳能的设备应用也较多。 目前佳能已放弃新一代光刻机研发, 几乎已经退出光刻机市场。 尼康在 22nm以上的非最先进的工艺中,具有较高的性价比。


光刻机荷兰日本产品为主流


国产光刻机中最为领先的是上海微电子装备, 最新的产品达到了 90nm 工艺,但距离进入量产线还有一定距离。 在后道的封装阶段,也需要做光刻和刻蚀,但线宽要求为微米级别, 上海微电子装备的光刻机,在后道封装阶段应用较广,实现了国产替代。


(7)检测设备:美国最强,较难替代


半导体的检测存在于半导体制造的各个工艺流程中,是工艺控制必不可缺的流程。半导体的检测包括膜厚检测、线宽检测、电阻检测、光罩检测等细分领域,每一个领域都有其对应的检测设备。美国 KLA-Tencor 公司在整个半导体检测领域拥有超过一半的市占率,在所有的细分检测领域都拥有较高市占率,在部分细分检测领域处于垄断地位。 所以,其他国家的检测设备对美国 KLA-Tencor 的产品能够实现部分替代,但完全替代能力较弱。


检测设备美国最强


国产设备中,睿励科学仪器最强, 技术领军人物为海归“千人计划”专家, 拥有 12 寸晶圆全自动光学膜厚检测系统和关键尺寸、形貌检测系统等产品,并进入了西安三星的量产线, 但半导体检测的细分领域较多,要在所有领域实现国产替代仍有很长路要走。


(8)刻蚀设备:美国最强,日本干法刻蚀较强


刻蚀设备按刻蚀对象分可分为硅刻蚀、介质刻蚀、金属刻蚀等, 并且,每一种刻蚀中还可以按刻蚀材料不同而细分,如氧化物刻蚀、氮化物刻蚀、多晶硅刻蚀等。


按工作原理不同,刻蚀设备又可分为湿法刻蚀和干法刻蚀,湿法刻蚀使用化学药液进行刻蚀,干法刻蚀使用等离子气体进行刻蚀。在目前的先进工艺如 7/10/14nm 工艺中,干法刻蚀占据了主导。干法刻蚀又可分为电感耦合等离子刻蚀(ICP)和电容耦合(CCP)刻蚀设备,CCP 主要做介质刻蚀,ICP 既可做介质刻蚀又可做硅刻蚀。


刻蚀设备中最强的无疑是美国,Lam 的市场占有率在 50%以上,第二是日本东京电子,第三是应用材料,其次还有日本日立。东京电子的刻蚀技术实力也较强,在干法刻蚀领域能够对 Lam 在一定程度上实现替代。


刻蚀设备美国最强


国产刻蚀设备中,中微半导体走在最前面。 中微半导体的介质刻蚀刻蚀最强, 达到了7nm 工艺; 14nm 以下的硅刻蚀也已经有了相关产品;而金属刻蚀和用于后道封装中的硅通孔设备则已经实现国产替代。


台积电 7nm 产线刻蚀设备选择了 5 家供应商,包括 Lam、应用材料、东京电子、日立和中微, 中微是其中唯一一家国产设备公司。能够通过台积电的严格的验证,进入其产线,本身即代表了一种突破。但同时也要客观地看到, 台积电 7nm 工艺里,有几十道刻蚀工序,最前面几道工序是对刻蚀指标要求最高的, 采用的仍然是国外的刻蚀设备,所以距离国际最顶尖的刻蚀设备,国产替代仍还需要追赶。


(9)设备:日本领先,国产有一定竞争力


在半导体制造的每一道工序之后,都会在晶圆表面残留微小颗粒, 因此,几乎每一道工序之后,都需要采用清洗设备对晶圆表面进行清洗。随着工艺的越来越先进,清洗的步骤数和量越来越大,对清洗设备的需求也越来越大。


清洗设备分为单片式清洗和槽式清洗。槽式清洗为多片晶圆同时进入清洗槽进行清洗,清洗的效率较高。单片式清洗为每一片晶圆单独进入清洗腔中进行清洗。随着工艺越来越先进,工序数越来越多,所以清洗的步骤和次数也越来越大,清洗液的种类也越来越多。槽式清洗设备的清洗槽较大,每一个清洗槽中只能放入一种清洗液,如果先进工艺中采用槽式清洗,则会使用很多槽, 占用很大的面积。单片式清洗设备的清洗腔较小,一台设备中有较多的腔体,可以根据需要灵活地配置清洗液,因此,在先进工艺中,单片式清洗逐渐成为了主流。


清洗设备日本领先


清洗设备中,日本公司占据了主导,市场占有率最高的是日本迪恩士,其次是日本东京电子和美国 Lam。因此,美国的清洗设备可以完全被替代。国产设备中, 盛美半导体技术实力较强,主攻单片式清洗设备, 并独创了兆声波清洗技术,技术实力达到了 14nm, 已经开始了和迪恩士、东京电子、 Lam 等的正面竞争, 设备批量进入了国内多家晶圆厂产线,如华力微电子、无锡海力士等,并出口到韩国海力士, 在较大一部分的清洗工序中可以实现国产替代。北方华创成功收购美国 Akrion, 在槽式清洗领域可以实现国产替代。


(10)离子注入设备:美国垄断,替代难度较大


离子注入设备分为大束流、中束流和高能量离子注入机,一条 NAND Flash 产线上,约有 37 台离子注入机,其中 10 台高能量, 20 台大束流, 7 台中束流;一条 DRAM 产线上,约需要 55 台离子注入机,其中 3 台高能量, 40 台大束流, 12 台中束流;一条 Logic产线上,约需要 30-40 台离子注入机,其中约 25-30 台大束流, 5-10 台中束流。离子注入设备几乎被美国垄断,美国的应用材料公司拥有 73%的市场占有率,美国亚舍立科技拥有约 17%的市场份额。日本的住友重机械也有离子注入产品,生产工艺节点为20-22nm。


离子注入设备美国垄断


国产设备中,北京中科信和中电四十八所均有离子注入机产品。中电四十八所的离子注入机可用于 4 寸或 6 寸晶圆分立器件或功率器件的制造。北京中科信高能量、 大束流和中束流离子注入机中均布局较为完整, 拥有 12 寸晶圆产品, 45-22nm 低能大束流离子注入机研发和产业化项目通过了验收, 但距离国外的产品仍有较大差距。


(11)化学机械抛光设备 CMP:美国最强,日本其次


CMP 设备依然是美国应用材料一家独大,拥有全球 66%的市场份额。日本东京 Ebara拥有 12 寸晶圆 10-20nm 级 CMP 设备,能在一定程度上实现对美国的替代。


化学机械抛光 CMP 美国最强


国产设备中,华海清科正在攻坚 12 寸晶圆 28-14nm 工艺 CMP 设备,在 8 寸与 6 寸晶圆中,也有相应产品。中电科 45 所在 2015 年研制出 8 寸晶圆 CMP 并进入中芯国际天津厂验证,填补了国产设备产线验证的空白。盛美半导体的 CMP 设备主要用于后段封装的 65-45nm 铜互联工艺。 杭州众硅是新成立的一家公司,由中电科 45 所中的 CMP技术专家创业建立。总的来看,与应用材料等国际先进水平仍然有较大差距。


(12)测试机:美国可被完全替代


测试设备包括测试机、探针台和分选机。测试机主要包括美国泰瑞达、日本爱德万和美国 Xcerra,其中美国泰瑞达占约一半市场份额,泰瑞达与爱德万合占约 90%市场份额。泰瑞达与爱德万的测试机互有优劣势,泰瑞达强在 SOC 测试和 RF 测试,而爱德万在数字信号测试和 Memory 测试方面占据优势。 总的来看,爱德万可以完全替代泰瑞达。


测试机美国日本共同垄断


国产设备中,测试机方面,北京华峰和长川科技在低端分立器件测试机方面凭成本优势实现了国产替代,在中端的模拟器件、混合信号测试方面,有一定的竞争力。高端 SOC测试机、 Memory 测试机和 RF 测试机等,国内目前还缺少相关产品。


(12)探针台:日本产品占据绝大部分市场


探针台分全自动、半自动和手动探针台, 日本东京精密和东京电子合占约 90%左右市场份额,美国几乎没有相关产品。


探针台被日本垄断


国产品牌中,深圳矽电有 12 寸晶圆全自动探针台产品,中电 45 所有 8 英寸探针台产品,但在实际量产中,仍是以日本的产品为主,国内产品与国外产品之间在稳定性、精度方面仍有差距。


(13)分选机:美国领先,但可被替代


分选机份额最大的是美国 Cohu,占约 40%市场份额,美国 Cohu 的分选机包括平移式、中立下滑是、线式和转塔式,布局全面,而且高低温的控制技术全球领先,对于汽车芯片等对温度控制要求很高的测试, Cohu 的分选机有较大优势。


日本的 Epson 在平移式分选机中有一定份额。日本爱德万利用在 Memory 测试机方面的优势,将 Memory 测试的分选机搭配销售,因此在 Memory 分选机中占据领先。


分选机市场相对分散


台湾鸿劲和长川科技的分选机,凭借成本优势,已经成为国内主流。在平移式分选机方面,台湾鸿劲占据约一半以上份额,长川科技正在追赶。重力下滑式分选机,长川科技的产品也有较大份额。在分选机方面,目前国外产品基本只做可以控制高低温的高端产品,中低端产品无法在价格上与国产品牌竞争。


美国设备很强,但没有我们也不会停摆


通过以上分析, 对于美国半导体设备的可替代性, 可分为三类:较难替代、可部分替代、可完全替代。


美国的 PVD、检测、离子注入和 CMP 设备较难被替代


代的难易程度,其实也正是由美国公司的技术和相应产品在全球市场上的地位决定的。 PVD、检测、离子注入和 CMP 设备,美国公司技术领先,产品占据近乎垄断的领先地位,其他国家的产品较难在短期内替代美国产品,因此应重点发展。而热处理设备、CVD、刻蚀、分选机,其他国家的产品可实现一定程度上的替代,美国公司技术领先,但领先优势不明显, 市场存在竞争,如刻蚀设备 Lam 与东京电子存在竞争, CVD 设备应用材料与东京电子存在竞争。而氧化扩散设备、涂胶显影、去胶、光刻机、清洗、测试机、探针台等设备,其他国家的产品不输于甚至优于美国公司的产品, 或者美国几乎没有相关产品,可实现对美国产品的完全替代。


晶圆处理设备占整个半导体设备约 80%份额


美国半导体设备最大的优势为晶圆处理中的 PVD、检测、 离子注入设备和 CMP 设备,刻蚀设备和 CVD 设备也处于较领先地位。半导体设备中,晶圆处理设备占超过 80%的份额, 晶圆处理设备中,刻蚀、 CVD、 CMP、检测设备也占据了较大份额。


晶圆处理设备的市场份额中,刻蚀、光刻和沉积设备份额最大


国产设备中, Mattson 的去胶设备、盛美的清洗设备、中微的介质刻蚀机、中微的硅通孔设备、长川的分选机、华峰和长川的中低端测试机、上海微电子装备的后道封装光刻机等,都已经在市场上直接和国外设备开展竞争,具有一定的竞争力,在国产替代中,有望领先。


可以肯定是的,如果缺少美国半导体设备, 中国半导体产业发展放缓但不会停止。


在中美贸易摩擦的背景下,有中兴事件的前车之鉴,有必要思考缺少美国半导体设备的影响。通过以上的分析, 如果缺少美国的半导体设备,会立即影响到中国的晶圆厂建设进度, 尤其是 14/28nm 等先进工艺的晶圆厂, 在 PVD、检测、离子注入和 CMP 设备上, 短时间之内会存在几乎无设备可买的情况。而刻蚀、 CVD 设备等,如果晶圆厂建设之初采用了美国的设备方案,则需要重新选择替代国设备或国产设备并进行充分的验证。


但这只会让中国的半导体产业发展放缓, 而不会停止。美国领先的半导体设备产品, 其他国家的设备或者国产设备的可替代能力弱一些,但并不是不能替代,而是需要花较长的时间来重新设计方案和进行充分的设备验证、试错。这个过程会拖慢中国晶圆厂建设的进度,少则一年、 多则两三年。对半导体产业,时间很宝贵,慢两三年即意味着慢了一代工艺,对中国的半导体产业影响较大,尤其是目前全力追赶工艺的关键时期。


目前,中国的半导体产业已经落后国际先进水平两代以上,国际上 7nm 即将量产, 而国内还正在研发 14nm, 28nm 的良率依然无法很好控制。所以,对国际先进工艺的追赶是一个长期艰苦奋斗的过程,我们对此早已做好了充分的心理准备,慢两三年对我们可能会造成一定影响,但并不会阻止我们发展半导体产业的决心。所以,这只会减缓中国半导体产业的发展, 而不会使其停止。国内部分在建晶圆产线中, 8 寸晶圆和 12 寸晶圆的 28nm 以上工艺产线会受到的影响较小, 28nm 及以下工艺会受到的影响较大。


8 寸晶圆和 12 寸晶圆的 28nm 及以上制程的晶圆厂会受到的影响较小


在中美贸易摩擦和中兴事件的影响下,国产半导体设备公司将得到更多的资金、技术和投入,并将得到更多的试错机会,将会加速发展。 此外,目前国产半导体设备,仍然有约 60-70%的零部件依赖于进口,在未来,随着国产半导体设备的发展,零部件的国产化率也将逐步提高,实现真正的半导体设备国产化。


今天是《半导体行业观察》为您分享的第1647期内容,欢迎关注。


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