國內(nèi)最具優(yōu)勢的半導(dǎo)體設(shè)備——刻蝕機(jī)的突圍
如果目前在光刻機(jī)領(lǐng)域我們還無力做出改變，那么已經(jīng)占據(jù)優(yōu)勢的刻蝕機(jī)領(lǐng)域勢必會成為國產(chǎn)替代的先鋒
近期關(guān)于華為已經(jīng)沒有芯片的信息被外界熱議，國產(chǎn)芯片的發(fā)展前途也再次成為熱點(diǎn)。前一段時間《每日財(cái)報》用系列文章對國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)的現(xiàn)狀做了介紹，在設(shè)備領(lǐng)域重點(diǎn)剖析了技術(shù)難度最大的光刻膠，今天就帶大家深入了解國內(nèi)最具優(yōu)勢的半導(dǎo)體設(shè)備——刻蝕機(jī)。
在芯片的制造過程中，有三大關(guān)鍵工序，分別是光刻、刻蝕、沉積。這三大工序在生產(chǎn)的過程中，不斷的重復(fù)循環(huán)，最終制造成為芯片。而在這三大關(guān)鍵工序中，要用到三種關(guān)鍵設(shè)備，分別是光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備。這三大設(shè)備占所有制造設(shè)備投入的22%、22%、20%左右，是三種占比最高的半導(dǎo)體設(shè)備，可見這三種設(shè)備是多么的重要了。
什么是刻蝕？
刻蝕是利用化學(xué)或者物理的方法將晶圓表面附著的不必要的材質(zhì)進(jìn)行去除的過程。刻蝕工藝順序位于鍍膜和光刻之后，即在晶圓上先將用于刻畫電路的材料進(jìn)行薄膜沉積，其上沉積光刻膠。
光刻機(jī)和刻蝕機(jī)的用途，很多人不是太清楚。簡單的來說，光刻機(jī)又叫掩模對準(zhǔn)曝光機(jī)，就是用光將掩膜上的電路結(jié)構(gòu)復(fù)制到硅片上，刻蝕機(jī)很多人喜歡叫蝕刻機(jī)，這樣和光刻機(jī)就一字之差，更好的理解?？涛g機(jī)就是把復(fù)制到硅片上的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行微雕，雕刻出溝槽和接觸點(diǎn)，好讓線路能夠放進(jìn)去，這就是刻蝕機(jī)最牛的地方。
刻蝕的材質(zhì)包括硅及硅化物、氧化硅、氮化硅、金屬及合金、光刻膠等，刻蝕按照被刻蝕材料劃分，主要分為硅刻蝕、介質(zhì)刻蝕以及金屬刻蝕，其中介質(zhì)刻蝕與硅刻蝕機(jī)占比分別為 49%和 48%，金屬刻蝕占比僅為3%。通過有針對性的對特定材質(zhì)進(jìn)行刻蝕，才能使得晶圓制造不同的步驟所制造的電路之間相互影響降至最低，使芯片產(chǎn)品具有良好的性能。
按照刻蝕工藝劃分，主要分為干法刻蝕以及濕法刻蝕，干法刻蝕主要利用反應(yīng)氣體與等離子體進(jìn)行刻蝕，濕法刻蝕工藝主要是將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內(nèi)進(jìn)行腐蝕。目前來看，干法刻蝕在半導(dǎo)體刻蝕中占據(jù)絕對主流低位，市場占比達(dá)到95%。事實(shí)上，成為主流工藝方式是有原因的，干法刻蝕的最大優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)各向異性刻蝕，即刻蝕時可控制僅垂直方向的材料被刻蝕，而不影響橫向材料，從而保證細(xì)小圖形轉(zhuǎn)移后的保真性。濕法刻蝕由于刻蝕方向的不可控性，導(dǎo)致其在高制程很容易降低線寬寬度，甚至破壞線路本身設(shè)計(jì)，導(dǎo)致生產(chǎn)芯片品質(zhì)變差。
近年來全球刻蝕機(jī)市場規(guī)模有顯著提升，原因有二：第一，全球半導(dǎo)體產(chǎn)線資本開支提升，尤其是我國近年來建設(shè)大量晶圓廠以及存儲產(chǎn)線，帶來大量刻蝕機(jī)需求；第二，制程提升帶動刻蝕機(jī)加工時長提升，對刻蝕機(jī)本身需求增長。由于光刻機(jī)在20nm 以下光刻步驟收到光波長度的限制，因此無法直接進(jìn)行光刻與刻蝕步驟，而是通過多次光刻、刻蝕生產(chǎn)出符合人們要求的更微小的結(jié)構(gòu)。
目前普遍采用多重模板工藝原理，即通過多次沉積、刻蝕等工藝，實(shí)現(xiàn)10nm 線寬的制程。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，14nm制程所需使用的刻蝕步驟達(dá)到64次，較 28nm提升60%；7nm制程所需刻蝕步驟更是高達(dá)140次，較14nm提升118%，這就直接增加了刻蝕工藝的資本支出。
從晶圓代工廠角度出發(fā)，摩爾定律仍然有效，更高階制程依然在研發(fā)中。臺積電正在向3nm及更高端制程進(jìn)行研發(fā)，3nm 預(yù)計(jì)于明年進(jìn)行量產(chǎn)?；诖?，晶圓廠對于刻蝕本身的資本開支還將提升，在整體制造工藝未發(fā)生較大變化的情況下，晶圓代工廠中刻蝕設(shè)備的占比也將持續(xù)提升。
全球競爭格局和國內(nèi)企業(yè)的地位
目前來看，刻蝕機(jī)尤其是介質(zhì)刻蝕機(jī)，是我國最具優(yōu)勢的半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域，也是國產(chǎn)替代占比最高的重要半導(dǎo)體設(shè)備之一。
根據(jù) IC Insights 的相關(guān)數(shù)據(jù)，目前我國主流設(shè)備中，去膠設(shè)備、刻蝕設(shè)備、熱處理設(shè)備、清洗設(shè)備等的國產(chǎn)化率均已經(jīng)達(dá)到 20%以上，而這之其中市場規(guī)模最大的則要數(shù)刻蝕設(shè)備。
我國目前在刻蝕設(shè)備商代表公司為中微公司(行情688012,診股)、北方華創(chuàng)(行情002371,診股)以及屹唐半導(dǎo)體。但從全球范圍內(nèi)來看，刻蝕機(jī)設(shè)備的廠商相對較少，行業(yè)整體處于寡頭壟斷格局。代表企業(yè)主要是美國的 Lam Research（泛林半導(dǎo)體）、AMAT（應(yīng)用材料）、日本的TEL（東京電子）等企業(yè)。這三家企業(yè)占據(jù)全球半導(dǎo)體刻蝕機(jī)的94%的市場份額，而其他參與者合計(jì)僅占6%。其中，Lam Research 占比高達(dá)55%，為行業(yè)的絕對龍頭，東京電子與應(yīng)用材料分別占比20%和19%。
科創(chuàng)板上市的中微公司在業(yè)內(nèi)較為領(lǐng)先，工藝節(jié)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到5nm；北方華創(chuàng)目前能夠生產(chǎn)28nm的硅刻蝕機(jī)，14nm目前也在研發(fā)和小范圍試產(chǎn)過程中。在硅刻蝕機(jī)方面，北方華創(chuàng)在國內(nèi)技術(shù)方面一直處于領(lǐng)先地位，但是相比于海外廠商，仍有一定差距，所以我們重點(diǎn)介紹一下國內(nèi)的龍頭中微公司。
中微公司實(shí)際控制人為上海市國資委，第二大股東為國家大基金，上海市國資委通過上海創(chuàng)投持股，持股比例為18.02%，國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金通過巽鑫投資，持股比例為17.45%。從市場拓展情況來看，中微公司的客戶涵蓋國內(nèi)外的核心半導(dǎo)體制造商，在集成電路中的制造份額超過74%。而且在全球前十大晶圓企業(yè)中，中微公司已經(jīng)進(jìn)入其中六家，作為臺積電的合作伙伴協(xié)同驗(yàn)證
14nm/7nm/5nm/3nm等先進(jìn)工藝。
需要注意的是，中微是目前國內(nèi)唯一14nm及以下先進(jìn)制程驗(yàn)證通過的刻蝕機(jī)企業(yè)。臺積電作為全球晶圓代工龍頭，在芯片技術(shù)、工藝和良率上皆全球領(lǐng)先，其對于供應(yīng)商的高標(biāo)準(zhǔn)為成功的關(guān)鍵因素之一；臺積電對其采用的設(shè)備、材料供應(yīng)商，并非單純的上下游供應(yīng)商，而是協(xié)同技術(shù)研發(fā)的合作伙伴。若能滿足臺積電的高標(biāo)準(zhǔn)要求，有利于下沉突破相對成熟的工藝環(huán)節(jié)，除此之外，中微公司也已經(jīng)進(jìn)入了包括中芯國際(行情688981,診股)、聯(lián)電、華虹集團(tuán)、世界先進(jìn)等中國產(chǎn)線，這本身就是實(shí)力的象征。
中國大陸晶圓廠進(jìn)入密集擴(kuò)產(chǎn)期，根據(jù)SEMI預(yù)計(jì)，2020年中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模173億美元（約人民幣一千億元），但截至2019年，中國半導(dǎo)體設(shè)備的國產(chǎn)化率僅12%，甚至在大部分先進(jìn)制程的前道關(guān)鍵設(shè)備，國產(chǎn)化率小于10%或幾乎為零，未來發(fā)展機(jī)會極大。
大家可能已經(jīng)注意到了，最近“雙循環(huán)”理念非常熱，但很多人并不理解其中的核心理念，只是簡單的看成擴(kuò)大內(nèi)部需求，事實(shí)上，“雙循環(huán)”的本質(zhì)是在供給端提高產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，將這部分需求回流本土，背后隱藏著高端產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)替代邏輯，這一點(diǎn)希望大家能夠理解。
基于此，如果目前在光刻機(jī)領(lǐng)域我們還無力做出改變，那么已經(jīng)占據(jù)優(yōu)勢的刻蝕機(jī)領(lǐng)域勢必會成為國產(chǎn)替代的先鋒，相關(guān)的公司值得期待。