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半导体设备国产化率稳步提升直驱技术领先

浏览数量:6     作者:本站编辑     发布时间: 2021-10-20      来源:本站

根据专业研究机构的调查数据显示,2020 年全球半导体设备市场的总体规模约为 712 亿美元,年均复合增长率为 19.0% 左右,中国大陆以 26.3% 的比例份额占据 2020 年全球半导体设备市场的第一位。近两年来,基于供应链安全、国家竞争、新冠疫情冲击等考量因素,全球整体产业格局正发生着重大的变化,中国制造业越发显露出向高端价值产业链转型升级的必要性,半导体供应链的自主化已成为国家的重要发展战略之一。尽管在目前的半导体领域,尤其是大规模集成电路制造行业中,直驱技术产品的批量应用市场还未真正到来,但一批国内本土直驱企业正瞄准设备国产化率加速提升这一良机,加大研发力度,积极配合设备厂商展开直驱产品的适配以及可靠性测试等工作。


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01半导体设备国产化率稳步提升直驱技术领先


根据台湾工研院的数据分析,2020年全球半导体市场的总体规模约为4,404亿美元,其中,中国大陆为半导体最大的应用市场(约占34%);而从产能划分来看,2020年中国大陆半导体产能约占全球产业的15%,产能最大的地区为台湾(约22%),预计到2030年,中国大陆将有望达到全球产能第一的位置(图1)。而据预测,2021年全球半导体市场的总体规模将达到4,694亿美元,较2020年成长6.6%左右。


在半导体设备方面,相关数据统计指出,2020年全球半导体设备市场的总体规模约为712亿美元,年均复合增长率为19.0%左右,中国大陆以26.3%的比例份额占据2020年全球半导体设备市场的第一位(图2)。根据有关调研机构在今年初所做的统计预测显示,2021年、2022年全球FAB设备投资预期分别成长16%、12%。


按照摩尔定律,集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍;换言之,处理器的性能每隔两年翻一倍。从2012年起,FinFet技术已经开始向20mm节点和14nm节点推进,并且依托FinEFT技术,芯片工艺节点制程已经发展到7nm、5nm甚至是3nm,随后则遇到了瓶颈。2020年,台积电宣布2nm采用的GAA(Gate-all-around,环绕闸极)或称为GAAFET的技术研发生产将在新竹宝山规划P1到P4 四个超大型晶圆厂,占地90多公顷。据悉,三星电子也表示将采用GAA结构技术。GAA技术更大的闸极接触面积提升对晶体管导电通道的控制能力,从而降低操作电压、减少漏电流, 降低功耗与操作温度;但与此同时,GAA结构与制程需求也带动更多沉积与蚀刻设备的商机,选择性与原子级制程使得材料工程的重要性提升。


02半导体设备国产化率稳步提升直驱技术领先

 图 1 全球半导体产能分布及未来预测(资料来源:台湾工研院)


03半导体设备国产化率稳步提升直驱技术领先

图 2 全球半导体设备市场统计(资料来源:台湾工研院)


前段制造设备是半导体制造市场的主体,在半导体厂商的设备支出中,前段制造设备部分约占69%,其中,曝光机是占比最高且成长最快的设备,约占总体设备投入的30%左右(图4)。根据台湾工研院的统计,从2021-2025年,半导体制造各关键设备的年成长率将为:曝光机8.5%、薄膜沉积7.9%、蚀刻3.9%、量检测4.3%;曝光机中以EUV的成长最为迅速, 预计复合年均增长率CAGR为21%,在曝光机市场中的份额将从42%上升到70%。AMAT、ASML、Lam、TEL、KLA这前五大厂商占到全球七成以上的前段设备市场。


综上所述,随着前段组件结构的改变,带动EUV、ALD、ALE等新需求,且目前仍以前五大领导厂商为主要竞争者。ALD、ALE带动更多材料工程技术需求;而EUV同时带出光罩、光阻、检测新商机,全球半导体设备厂商除了在先进技术持续精进之外,也将智慧化设备、绿色经济列为发展重点。


04半导体设备国产化率稳步提升直驱技术领先

图 3 半导体芯片制造工艺流程图(资料来源:互联网) 

 

05半导体设备国产化率稳步提升直驱技术领先

图 4 晶圆制造设备市场构成占比(资料来源:台湾工研院)


国产半导体设备突飞猛进

中国大陆半导体产业的迅猛发展与最近几年国内外政治经济局势的发展变化息息相关。在过去的几十年里,中国制造业积极参与全球制造业产业链,并且取得了举世瞩目的成就;而从2017年底到2018年初开始,全球产业链、供应链的重塑趋势渐现,基于供应链安全、国家竞争、新冠疫情冲击等因素, 全球整体产业格局正发生着重大的变化,在以多强并存、多区域发展、多元共治为特点的全球供应链中,中国制造业越发显露出向高端价值产业链转型升级的必要性,半导体供应链的自主化已成为国家的重要发展战略之一。


在2020年8月国务院颁发的《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》中,提出了一系列针对集成电路产业企业的财税免税、投融资、人才、国际产权等优惠政策。今年8月24日,工信部答复政协十三届全国委员会第四次会议第1095号提案称,下一步,将以重大关键技术突破和创新应用需求为主攻方向,将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划,并将碳化硅复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划,以全面突破关键核心技术,攻克“卡脖子”品种,提高碳基新材料等产品质量,推进产业基础高级化、产业链现代化。


要发展半导体产业,设备和材料是关键。尽管现阶段中国本土半导体设备厂商在全球市场的影响力还较小,很难对国际大厂形成压力,不过,随着贸易壁垒加剧,以及本土设备厂商的顽强成长,加上政府的大力支持,使得本土设备厂商有了更大的试错和成长空间,近两年的订单量明显提升。


例如,在较具优势、国产化率最高的刻蚀设备领域,中微公司是已经进入全球供应链的国产刻蚀设备龙头;北方华创为多业务布局的晶圆设备龙头;至纯科技为国内清洗设备龙头, 正处于产能扩张阶段;晶盛机电为大硅片设备龙头;华峰测控为已进入台积电供应链的测试设备龙头;涂胶显影机制造商芯源微和检测设备制造商精测电子均计划在上海临港投入新的研发基地还有生产基地;万业企业旗下的凯世通的离子注入机已陆续在主流存储器芯片厂和国内12英寸晶圆厂进行产线验证并拿下多个订单,产品在束流强度指标上表现优异。


国产半导体设备最几年取得的傲人成绩,以及未来巨大的成长潜力,也有力地带动了各个本土功能零部件行业的快速发展。

 

直驱技术在半导体设备市场大展拳脚


从目前的实际应用来看,高速固晶机、贴片机等半导体封测设备,是很多直驱企业正在着手开发的重点应用市场。基于封装技术微型化和集成化的快速发展,使得这类设备也必然朝着高精度、高速度、模块化的方向迈进。


例如,芯片拾取与贴装(Pick & Place)是高密度超薄芯片封装技术的两项关键工艺。芯片拾取与贴装的效率和可靠性直接影响着电子封装的进程、生产率和成本。芯片拾取是将芯片从晶圆盘上拾起,并转移至基板的过程。在拾取过程中,顶针剥离、拾取位移、拾取速度和接触保压等参数都至关重要。如何以更精确的力度拾取芯片,并安全、准确地转移到基板上,是提升超薄芯片封装效率的一大关键。目前,国外先进贴装设备可达到拾取机构亚微米级的位置反馈及毫克级的压力控制。超薄芯片贴装,是贴装头在加热加压条件下,完成将芯片贴装到基板上的过程,贴装效果直接决定着IC器件的电气性能和粘接机械可靠性。在芯片贴装的加压和加热互相耦合作用的瞬态过程中,贴装头需要下压芯片以压缩ACA流体导电粒子变形,并在芯片加热过程中保持一定下压力,等待ACA胶体固化。同等条件下,超薄芯片引脚间距越小(密度越大),贴装所需的时间就越长,对贴装头运动控制的要求就越苛刻。贴装过程中贴装头压力需时刻保持在15g左右并且保压过程中压力波动需控制在±1g以内。厂商需要根据芯片的尺寸、引脚密度和大小、捕捉导电粒子个数等来进行加热、加压条件的设置, 才能有效地降低贴装误差。


此外,半导体芯片晶圆检测在芯片制造的多道工序中发挥着重要作用。在半导体设计、制造、封装中的各个环节都要进行反复多次的检测、测试以确保产品质量,从而研发出符合系统要求的器件,缺陷相关的故障成本高昂,从 IC 级别的数十美元,到模块级别的数百美元,乃至应用端级别的数千美元。因此,检测设备从设计、验证到整个半导体制造过程都具有无法替代的重要地位。以克洛诺斯纳米级高端精密定位平台为例,其最大行程达到350mm,最大速度达1200mm/ s,最大加速度达20m/s²,定位精度为0.2um,重复定位精度±15nm,为复杂的半导体晶圆实现高精度、高效率的检测提供专业解决方案。


微泓自动化一直致力于多维精密运动平台的研发与制造, 公司正加大研发力度,配合半导体设备厂商做好直驱产品的适配以及可靠性测试等工作,协助提升设备制造品质。目前微泓自动化能够根据客户的应用需求,为客户量身定制多维运动系统解决方案,其中包括:(1)12吋晶圆的光学关键尺寸、薄膜厚度、光刻叠对测量中的四维精密运动平台;(2)12吋晶圆缺陷在线检测的四维精密运动平台;(3)球面和非球面表面测量中的四维精密运动平台。微泓自动化开发的mPT-SR- UP系列超精密型产品通过采用高刚度超精密机械轴承作为回转支承,获得了优秀的运动误差性能和承载能力;搭配高精度的绝对式编码器作为位置反馈,可获得0.02arc-sec运动位置分辨率;该精密转台具有极高的定位精度、卓越的速度稳定性和快速的定位能力,目前有150,200和260三种规格产品可供选择。

 

半导体设备交期创下新高


根据CINNO  Research产业资讯的报道,今年7月半导体制造设备的交期(从订货到交货所需的时间)平均增长到了14个月,这是历史上的最长纪录,也是应对半导体“超级周期”(景气),设备投资增加导致需求大爆发的结果。随着半导体

供应不足的长期化,部分企业因找不到用于制造设备的半导体而推迟生产。


根据韩媒Thelec报道,往年平均为3至6个月的半导体设备交期在今年第一季度增加到10个月左右,7月份又平均增加到14个月。据了解,部分设备企业交期甚至长达两年以上。交期较短的前制程设备的交期也超过了1年。一位业内人士表示:“设备交期比几个月前进一步增加,目前已达到最高点。”


有媒体对各企业设备平均交期进行了统计,结果显示,以今年7月为准,荷兰曝光设备企业ASML的氟化氩(ArF)设备为24个月,i- line设备为18个月,7纳米以下制程核心EUV设备为18个月。调查结果显示,日本后制程设备企业DISCO的交期为12至15个月。尤其8英寸(200毫米)设备的供求处于最艰难的状态。因去年开始出现8英寸Foundry短缺,设备订单蜂拥而至。从各大厂商8英寸设备的平均交期来看,KLA overlay为14 个月、Ebara为14个月、AMAT 为13个月。


此外,TEL、日立高科、国际电气、Advant est、Screen、KNS等公司的平均交期为12个月左右。据调查, VARIAN和Edwards的交期是10个月。中国企业的机台设备的交期也增加到了5个月以上。交期的急速增长是由于半导体设备的需求剧增所致。而随着半导体供应不足,影响到设备芯片的采购,部分半导体设备的生产也出现了问题。业界有关负责人表示:“最近,半导体设备企业因无法拿到FPGA等零部件而无法生产半导体设备。半导体短缺现象对整个产业都是非常严重的影响。”因为半导体缺货,需要增加设备,但是由于没有用于制造设备的半导体,因而导致无法生产设备。


由于这种半导体设备供应不足,出现了交货期较短的二手设备需求增加的现象。二手半导体设备将从以前的设备中引进所谓的“核心(Core)”,通过改造成可以使用的系统的方式来制造。特别是8英寸二手设备的需求急剧增加。市调公司VLSI表示,今年上半年二手设备价格平均上涨了20%以上。半导体设备企业的“翻新”设备销售量也在剧增。“翻新”是指回收并更新闲置设备的项目。据预测,半导体设备的需求增加和供应不足将会持续一段时间。半导体设备材料产业协会3月时表示,今年全球半导体设备投资额有望比前一年增长15.5%,超过700亿美元,明年可能会比今年上升12%,达到800亿美元以上。

 

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