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浅谈晶圆制造主要设备
2018-11-12 15:34:56   来源:金鉴方博   作者:于红波采编  点击:

  一块芯片的诞生需经历重重考验,从设计到制造再到封装测试,每一关都需用到大量的设备和材料。而在半导体加工的过程中,集成电路制造更是半导体产品加工工序最多,工艺最为密集的环节,因此本文将以晶圆制造为例,说明前道过程中所需要的设备,并阐述其市场情况。


  一、晶圆制造过程及应用设备


  芯片需要经过设计、制造(包括硅片制造以及晶圆制造)、封装测试才能最终落到客户手中。

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  芯片制造流程图


  从图中的集成电路制造厂板块我们可以看到,晶圆制造过程中有几大重要的步骤:氧化、沉积、光刻、刻蚀、离子注入/扩散等。这几个主要步骤都需要若干种半导体设备,满足不同的需要。

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  晶圆制造主要步骤使用工艺及设备


  设备中应用较为广泛的有氧化炉、沉积设备、光刻机、刻蚀设备、离子注入机、清洗机、化学研磨设备等。


  二、晶圆制造主要设备市场情况


  根据2017年SEMI公布的数据,在集成电路制程中,晶圆制造设备投入占比约占设备投资的80%,而封装、测试设备投入则占比分别为9%和6%。在制造过程中,最主要、价值最昂贵的三类分别是沉积设备,包括PECVD,LPCVD等、刻蚀设备、光刻机,占半导体晶圆厂设备总投资的15%、15%、20-25%。而这些设备因为被应用于制造,因此其精度和稳定性也要求最高。而凭借技术资金等优势占据大份额的龙头企业在这些领域尤为领先。


  2017年全球营收前十大半导体设备公司

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  数据来源:各公司公告、国泰君安证券研究


  几乎垄断了高端光刻市场份额高达80%的ASML,在CVD设备和PVD设备领域都保持领先的美国应用材料(AMAT)以及刻蚀机设备领域龙头Lam Research稳坐前三。下面将就沉积、刻蚀、光刻这三大领域及代表公司进行详解。


  1. 沉积设备


  沉积是半导体制程工艺中的一个非常重要的技术,分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。


  PVD是英文Physical Vapor Deposition的缩写,中文意思是“物理气相沉积”,是指在真空条件下,用物理的方法使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。


  PVD镀膜技术主要分为三类,真空蒸发镀膜、真空溅射镀和真空离子镀膜。对应于PVD技术的三个分类,相应的真空镀膜设备也就有真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机这三种。


  CVD是英文Chemical Vapor Deposition的缩写,中文意思为“化学气相沉积”,是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术,其可用于沉积大范围的绝缘材料、大多数金属材料和金属合金材料。从理论上来说,化学气相沉积法时将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应,形成一种新的材料,沉积到晶片表面上。


  在集成电路制成中,经常使用的CVD技术有:大气压化学气相沉积(APCVD)、低气压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)以及新型气相外延生长技术金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)等。相应的设备也就有APCVD设备,LPCVD设备,PECVD设备以及MOCVD设备。


  代表企业:AMAT


  美国应用材料股份有限公司AMAT是最大的纳米制造技术企业。自1967年成立以来至今,作为全球最大的半导体与显示行业制造设备供应商,产品与服务已覆盖原子层沉积、物理气相沉积、化学气相沉积、刻蚀、快速热处理、离子注入、测量与检测、清洗等生产步骤。特别是其沉积设备技术更是全球领先。在PVD设备市场,AMAT全球占比近55%,在CVD市场,AMAT全球占比近30%。


  在2018年,公司推出采用全新设计的新型CENTURA 200毫米常压厚硅外延反应室PRONTO。该反应室专为生产工业级高质量厚硅(厚度为20~150微米)外延膜而设计,能使当前的外延膜生产效率最大化。


  2. 刻蚀设备


  刻蚀是采用物理或者化学的方法,通过掩膜图形使薄膜材料选择性销蚀的技术,是薄膜制备的“反”过程。


  刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。湿法刻蚀是将硅片浸泡在可与被刻蚀薄膜进行反应的溶液中,用化学方法除去不要部分的薄膜。早期制造业以湿法为主。当半导体制造业进入微米、亚微米时代以后,要求刻蚀的线宽越来越细,传统的湿法化学刻蚀因其固有的横向钻蚀,无法控制线宽,甚至造成断裂,已不再适应科研及生产的要求,取而代之的是以等离子体技术为基础的干法刻蚀方法。这种方法是将被加工的硅片置于等离子体中,在带有腐蚀性、具有一定能量离子的轰击下,反应生成气态物质,去除被刻薄膜,此种方法具有各向异性。


  干法刻蚀种类较多,常见的有等离子体刻蚀(分为圆筒型和平行电极型)、反应离子刻蚀、溅射刻蚀、离子束刻蚀、反应离子束刻蚀等。相应的设备就有等离子体刻蚀机、反应离子刻蚀机、离子束刻蚀机等。


  代表企业:Lam Research


  Lam Research Corporation创立于1980年,总部位于美国加州弗里蒙特,是向世界半导体产业提供晶圆制造设备和服务的主要供应商之一,是目前全球第三大半导体生产商。


  公司的三大核心产品是:刻蚀(ETCH--RIE/ALE)设备、沉积(Deposition--CVD/ECD/ALD)设备,以及去光阻和清洗(Strip & Clean)设备。


  Lam Research通过专利刻蚀技术-变压器耦合等离子(TCP,transformer coupled plasma)提供高水平的刻蚀,巩固了Lam Research在半导体业界的地位。目前Lam Research占有全球刻蚀设备市场一半以上的市场份额。


  3. 光刻机


  光刻机是芯片制造的核心设备之一,按照用途可以分为好几种:有用于生产芯片的光刻机;有用于封装的光刻机;还有用于LED制造领域的投影光刻机。


  在加工芯片的过程中,光刻机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。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。


  代表企业:ASML


  1984年,ASML从荷兰著名电子制造商飞利浦独立,此后主要专精于晶片制造微缩影设备之设计制造与整合,积体电路生产流程中,其关键的制程技术则是微缩影技术将电路图影像投射在晶片上之曝光。


  阿斯麦公司在世界14个国家和地区有50个子公司和生产据点,主要产品是用来生产大规模集成电路的核心设备光刻机,在世界同类产品中有90%的市占率。


  今年,ASML已经开始出货新品Twinscan NXT:2000i DUV(NXT:2000i双工件台深紫外光刻机),可用于7nm和5nm节点。


  值得一提的是,ASML有一个非常奇特的规定,那就是只有投资ASML,才能够获得优先供货权。这样奇特的合作模式使得ASML获得了大量的资金,包括英特尔、三星、台积电、海力士都在ASML中有相当可观的股份,可以说大半个半导体行业都是ASML一家的合作伙伴,形成了庞大的利益共同体。


  半导体装备是一个高度垄断的市场。根据各细分设备市场占有率统计数据,在光刻机、CVD、PVD及刻蚀机,前三家设备商的总市占率都达 90%以上,且行业龙头都能占据一半的市场,所以要想在半导体装备市场中能分一杯羹,公司就必须在细分领域能够做到全球前三。


  三、中国半导体制造设备企业2016年中国半导体设备销售收入总计57.33亿元,同比增长21.5%,其中前十强单位完成销售收入47.7亿元,同比增长28.5%,也就是说,前十强的增速快于整体增速,市场集中度在不断提高,可喜可贺。


  国内的设备公司在前道制造中有一席之地有:中电科、北方华创、中微半导体、上海微电子。下面就来介绍这几家公司:


  1. 中电科电子装备公司


  中电科电子装备集团有限公司是在中国电子科技集团公司2所、45所、48所基础上组建成立的二级成员单位,属中国电子科技集团公司独资公司,具备集成电路局部成套和系统集成能力以及光伏太阳能产业链整线交钥匙能力。已形成以离子注入机、电化学沉积设备等为代表的微电子工艺设备研究开发与生产制造体系,可服务于材料加工、芯片制造、先进封装和测试检测等多个领域。


  中电科装备公司主营业务是光伏。不过在中电科电子的不断努力下,公司在离子注入机和CMP(化学机械抛光机)两个领域实现了重大突破。


  承担02专项后,电科装备在离子注入机方面的研发可谓是一年迈一个台阶。在14年通过02专项的验收后,其离子注入机即在中芯国际投入使用。


  2015年,电科装备12英寸中束流离子注入机在中芯国际先后完成了55nm、45nm和40nm小批量产品工艺验证,并开始批量生产,逐步提升产能,增加验证机台的数量。同年,中束流设备实现了批量销售,量产晶圆超过300万片。


  2016年,用于45nm~22nm低能大束流离子注入机与中束流离子注入机通过了28nm工艺制程同步验证,已经实现销售。


  2017年,电科装备离子注入机批量制造条件厂房及工艺实验室已投入使用,重点打造离子注入机零部件检测、模块装配及局部成套三大平台,可实现10台设备同时组装调试,具备年产20台以上的批量制造能力,具备集成电路装备系统集成能力及局部成套工艺生产能力。


  在CMP抛光机方面,中电科装备也有了新的突破。2017年8月,电科装备成功研发出了国内首台拥有完全自主知识产权的200mm化学机械抛光商用机,研发团队在3年的时间里突破了10余项关键技术,完成技术改进50余项,经过3个批次近10000片的马拉松测试,性能指标获得中芯国际工程师的好评,并于2017年11月21日成功在中芯国际天津厂8英寸大生产线装机验证,已经进入24小时生产阶段。


  在沉积设备方面,也有PECVD的产品。


  就在今年8月,电科装备正式发布了“SEMICORE烁科”系列品牌,将把离子注入机和CMP设备注入烁科装备,推动其进入生产线批量应用,实现进口替代、自主可控,具备国际竞争能力。


  2. 北方华创


  北京北方华创微电子装备有限公司是北方华创科技集团股份有限公司的全资子公司,主营业务由原七星电子的半导体装备相关业务与原北方微电子的全部业务整合而成。产品涵盖:等离子刻蚀、物理气相沉积、化学气相沉积、氧化/扩散、清洗、退火等半导体工艺装备;平板显示制造装备和气体质量流量控制器等核心零部件。涉及集成电路、先进封装、LED、MEMS、电力电子、平板显示、光伏电池等半导体相关领域。


  北方华创目前和所有国内大厂都有合作,比如正在武汉和南京如火如荼建设的长江存储公司,3D NAND FLASH产线的氧化炉设备就有采用北方华创的产品,2017年11月搬入产线。


  在氧化炉领域,2017年11月30日,北方华创下属子公司北方华创微电子自主研发的12英寸立式氧化炉THEORISO 302 Move In长江存储生产线,应用于3D NAND Flash制程,扩展了国产立式氧化炉的应用领域。


  在硅刻蚀机领域,在2003年启动研制时,中国和国外差距在20年以上,仅仅能够制造90nm制程,在国家02专项的支持下,北方华创在硅刻蚀机领域不断实现突破,先进制程工艺一路上扬,28nm,22nm都实现了突破,2016年研发出了14nm工艺的硅刻蚀机,更先进的7nm硅刻蚀机也正研发中。


  除了氧化炉和刻蚀机领域以外,北方华创在PVD设备(物理气相沉积,薄膜沉积设备的一种)和单片退火设备领域也实现了批量出货,目前主要在28nm级别。


  在薄膜沉积设备领域,北方华创进展较快,多种14nm的生产设备也在产线验证中,包括ALD,AL PVD,LPCVD,HM PVD等,基本都是不同的沉积设备,目的是制作氧化薄膜,便于绝缘,和控制不同的杂质扩散速度,或者金属化,PVD是物理气相沉积,CVD是化学气相沉积,ALD是原子层沉积,他们的工作原理不同,但是目的是一样的。


  除了这三大类设备外,北方华创还有第四种关键设备:清洗机。


  2017年8月7日,北方华创1500万美元,也就是才1亿人民币多点实现了对美国Akrion公司的收购。Akrion公司是位于美国宾夕法尼亚州的一家专注于硅片清洗设备业务的公司,主要用于集成电路制造领域,硅晶圆制造领域、微机电系统和先进封装领域,该公司拥有多年的清洗技术积累和广泛的市场与客户基础,累计在线机台千余台。


  北方华创自研的12英寸单片清洗机产品主要应用于集成电路芯片制程,成功收购Akrion公司,北方华创微电子的清洗机产品线将得以补充,形成涵盖应用于集成电路、先进封装、功率器件、微机电系统和半导体照明等半导体领域的8-12英寸批式和单片清洗机产品线。


  实际上,根据北方华创2017年披露的2016年年报,其自研的12英寸清洗机到2016年底的累计流片量已突破60万片,收购Akrion之后,北方华创的实力进一步加强。


  3. 中微半导体


  中微半导体是尹志尧创办,他之前是全球最大的半导体生产设备商应用材料公司的副总裁,回国创办中微。


  中微的产品,主要是三大领域,一个是LED芯片的MOCVD机台,这个是LED芯片制造的核心设备,以致于衡量芯片厂家的制造能力,都是用它有多少MOCVD机台来衡量,机台数量越多的产能越大。国产MOCVD设备从2012年底研发成功,到2016年开始完成批量验证,目前处于迅速上升的态势。经过不断洗牌,中微半导体已占据领先地位,目前国产MOCVD市场份额已呈现增长局面。


  中微半导体的另外一个领域,主要是其最早开始研发,具有多年经验的介质刻蚀机,这个目前是用在集成电路芯片制造上面,目前已经可以做到22nm及其以下,且中微半导体的14nm也在产线进行验证,同时在推进5nm的联合研究。


  目前总体而言,中微处于比较好的发展态势,MOCVD机台已经经受住了量产的考验,将会迎来大批量出货时期,其多年来集中力量攻关的等离子体介质刻蚀机,已经在国际大厂部署多年,同时目前也开始进入最先进的5nm制程的预研。


  4. 上海微电子公司


  上海微电子装备(集团)股份有限公司是一家掌握了高端光刻机相关技术且具有高端投影光刻机生产能力的企业。于今年3月份,与全球领先的半导体设备企业ASML签署了战略合作备忘录。公司主要从事半导体装备、泛半导体装备、高端智能装备的开发、设计、制造、销售及技术服务。旗下产品可应用于集成电路前道、先进封装、FPD面板、MEMS、LED、Power Devices等制造领域。


  四、总结


  目前,中国半导体设备已有了一定的基础,虽然设备总量不大,但一直并保持着高速增长的态势。但需要认清的是,目前我国的技术实力与国外相比仍存在较大的差距,尤其与市占率超80%的设备企业如ASML、应用材料等相比,实力偏弱且绝大部分设备厂商无法满足国际已经实现量产的制程,较难进入国际代工巨头的产线。


  当然,在落后的局面下,我国半导体设备也在奋起直追,并取得了一定成绩,在国内产线上已经进行了一部分国产替代。半导体设备是我国发展半导体集成电路的基石,我们要把握好先行条件,率先推进,争取早日完成进口替代。

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