半导体制造之设备篇

李亚东

智能制造、芯片、5G通信

  • 2019-07-11
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半导体设备是芯片制造的基础,全球主要生产厂商集中在欧美、日本、韩国以及中国台湾等地,国外比较知名的企业如美国应用材料(AMAT)、荷兰阿斯麦(ASML)、东京电子等凭借资金、技术优势逐渐垄断了全球半导体设备市场,我国在高端半导体制造设备领域与国外还有很大差距。

摘要: 半导体设备是芯片制造的基础,全球主要生产厂商集中在欧美、日本、韩国以及中国台湾等地,国外比较知名的企业如美国应用材料(AMAT)、荷兰阿斯麦(ASML)、东京电子等凭借资金、技术优势逐渐垄断了全球半导体设备市场,我国在高端半导体制造设备领域与国外还有很大差距。

芯片制造流程包括:硅片制造、晶圆制造、封装测试三个环节,整个制造流程中晶圆代工厂设备占比最高约为80%、检测设备占8%、封装设备约占7%,硅片制造设备及其他占5%。

硅片生产自主可控助推国产硅片制造设备发展

硅片制造工序大致可分为拉晶、切片、磨片、倒角、刻蚀、抛光、清洗和检测,其中拉晶、抛光、检测是硅片制造的核心环节,对应的设备为单晶炉(占整个工序设备价值量的25%)、CMP 抛光机(25%)、检测设备(15%)。

表1 硅片制造设备国内外厂商

硅片制造设备国内外厂商

(资料来源:公开资料整理)

全球硅片制造设备及技术被欧美、日韩企业所垄断,包括德国CGS公司、日本SPEEDFAM、日本 Advantest、美国 MTI等。国内的硅片设备商主要有晶盛机电、北方华创、中电科45所、华峰测控等企业,技术水平还处于发展阶段。

其中晶盛机电的8英寸单晶炉已经实现国产化替代,12寸单晶炉开始小批量生产,并研制出了滚圆机、截断机、双面研磨机、全自动硅片抛光机等新品设备,进一步向硅片制造全产业链延伸。北方华创是国内唯一硅刻蚀机的设备供应商,12英寸硅片用硅刻蚀设备已经进入东南亚市场,14nm制程的硅刻蚀机也开始进入生产线验证。检测设备方面长川科技打破了长期由日本爱德万、美国泰瑞达垄断的检测设备市场,取得了技术突破,且预收购新加坡半导体公司STI,STI广泛的客户基础、良好的业界口碑和全面的市场布局,将显著加速长川科技在海外市场的拓展步伐。

晶圆制造设备国产化有待突破

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,分别占晶圆制造环节的约30%、25%和25%。其中光刻机是最核心设备,ASML公司在这一领域占据绝对垄断地位,其最新的EUV光刻机可用于试产7nm制程,每台售价高达3-4亿美元。国内唯一具备光刻机生产能力的是上海微电子公司,性能最好的仅能加工90nm制程芯片,差距较为明显。

其次在刻蚀机方面,晶圆刻蚀的精度要求远高于硅片刻蚀,全球刻蚀机龙头企业是美国Lam Researc泛林集团。国产刻蚀机厂商中微半导体的16nm刻蚀机已经实现商业化量产,7-10nm设备也已经能赶上国际先进水平。

最后是薄膜沉积(CVD、PVD)设备,一个中等规模的晶圆厂需要30台左右,我国晶圆厂建设速度加快,但薄膜沉积设备供给却远远达不到市场需求。全球市场中美国应用材料公司(AMAT)占据垄断地位,而北方华创、沈阳拓荆等国内企业正在寻求技术突破,其中北方华创可应用于14nm制程的PVD设备开始进入生产线验证,应用于28nm制程的PVD设备已逐步量产。

表2 晶圆制造设备国内外厂商

晶圆制造设备国内外厂商

(资料来源:公开资料整理)

封装测试设备国产化加速

封装测试是芯片制造的最后一步,为确保芯片的功能,要对每一个被封装的集成电路进行测试,包括结构检测、光罩检测等,以满足制造商的电学和环境特性参数要求。封测是我国半导体产业率先突破垄断且发展最成熟的环节,每年市场销售额增长稳定。2018年我国集成电路封装测试业的销售规模为2194亿元,同比增长16%,销售规模仅次于中国台湾。封测产值占全球比例超过16%,是全球第三大封测市场。

表3 封测设备国内外厂商

封测设备国内外厂商

(资料来源:公开资料整理)

结语

半导体芯片国产化发展是大势所趋,在国家产业政策的推动下,半导体制造设备的国产化进程将会不断加速。而国内企业唯有加强研发水平、提高技术能力,才能提高国产设备竞争力,以尽快达到全产业链设备国产化。

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