光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設(shè)備是芯片制造過程中的三大核心設(shè)備，如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻機是打草稿的畫筆，刻蝕機是雕刻刀，沉積的薄膜則是構(gòu)成作品的材料。光刻的精度直接決定了元器件刻畫的尺寸，刻蝕和薄膜沉積的精度則決定了光刻的尺寸能否實際加工，因此光刻、刻蝕和薄膜沉積設(shè)備是芯片加工過程中最重要的三類主設(shè)備，價值占前道設(shè)備的近70%。

 

　　在高端光刻領(lǐng)域，浸沒式光刻是干法光刻的替代技術(shù)，新舊技術(shù)的替代帶來了光刻機的完全壟斷。ICP刻蝕并不是CCP刻蝕的替代技術(shù)，而是各有所長，側(cè)重了不同工藝步驟，新舊技術(shù)共存形成了刻蝕領(lǐng)域的寡頭競爭。光刻機的技術(shù)瓶頸推動刻蝕市場發(fā)展。在光刻技術(shù)停滯不前的情況下，想要繼續(xù)提升制程大體有兩個思路，即雙重光刻+刻蝕，或多重薄膜+刻蝕，無論用哪種思路都離不開刻蝕步驟的增加。芯片設(shè)計的變化帶來刻蝕設(shè)備需求的提升，近幾年來3DNAND等新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用導(dǎo)致在存儲器制造過程中刻蝕步驟大幅增加。

 

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　　本期內(nèi)參來源：東興證券

 

　　原標題：

 

　　《半導(dǎo)體設(shè)備：刻蝕機走在國產(chǎn)替代前列》

 

　　作者：劉慧影劉奕司

 

　　一、半導(dǎo)體設(shè)備推動芯片制造業(yè)的發(fā)展1、半導(dǎo)體設(shè)備推動摩爾定律的實現(xiàn)

 

　　半導(dǎo)體是指在某些條件下導(dǎo)電某些條件下不導(dǎo)電的一類材料，生活中常用“半導(dǎo)體”一詞來泛指半導(dǎo)體電子元器件。集成電路是最重要的一類半導(dǎo)體器件，又稱為芯片。

 

　　1906年美國人德·福雷斯特（LeeDeForest）發(fā)明了世界上第一個真空三極管，1947年貝爾實驗室發(fā)明了固態(tài)晶體管，1957年位于美國加州的仙童半導(dǎo)體公司（FairchildSemiconductor）制造出第一個商用平面晶體管。1959年，仙童公司和德州儀器公司（TexasInstruments）分別在硅片和鍺片上完成了微縮電路的制造，集成電路就此誕生。

 

　　自問世以來，單個芯片上集成的元件數(shù)量不斷增長。1965年英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登摩爾（GordonMoore）提出，在價格不變的情況下一塊集成電路上可容納的元器件的數(shù)目將每18-24個月增加一倍，性能也將提升一倍，這就是著名的摩爾定律。自20世紀60年代到21世紀的前十幾年，摩爾定律完美詮釋了集成電路的發(fā)展歷程。

 

　　摩爾定律的背后是半導(dǎo)體設(shè)備的不斷精進。集成電路多以單晶硅為基底材料，成千上萬的元器件和導(dǎo)線經(jīng)過一些列工藝被“雕刻”在硅片上，完成這些“雕刻”步驟的工具就是半導(dǎo)體設(shè)備。“雕刻”精度的提升帶來元器件尺寸的縮小，現(xiàn)今的晶工藝尺寸是以納米級計量的。集合了全球頂尖制造技術(shù)的半導(dǎo)體設(shè)備在過去半個世紀中不斷推動著人類工業(yè)文明的進步。

 

　　▲單個芯片集成元件數(shù)量的演進

 

　　2、不同的設(shè)備在芯片制造過程中分工明確

 

　　半導(dǎo)體設(shè)備主要可以分為前道設(shè)備和后道設(shè)備，前道設(shè)備是指晶圓加工設(shè)備，后道設(shè)備是指封裝測試設(shè)備。前道設(shè)備完成芯片的核心制造，后道設(shè)備完成芯片的包裝和整體性能測試，因此前道設(shè)備通常技術(shù)難度更高。

 

　　▲晶圓加工過程示意圖

 

　　前道的晶圓加工工藝包括氧化、擴散、退火、離子注入、薄膜沉積、光刻、刻蝕、化學(xué)機械平坦化（CMP）等，這些工藝并不是單一順序執(zhí)行，而是在制造每一個元件時選擇性地重復(fù)進行。一個完整的晶圓加工過程中，一些工序可能執(zhí)行幾百次，整個流程可能需要上千個步驟，通常耗時六到八個星期。這些工藝的大體作用如下：

 

　　氧化、退火工藝的主要作用是使材料的特定部分具備所需的穩(wěn)定性質(zhì)；

 

　　擴散、離子注入工藝的主要作用是使材料的特定區(qū)域擁有半導(dǎo)體特性或其他需求的物理化學(xué)性質(zhì)；

 

　　薄膜沉積工藝（包括ALD、CVD、PCD等）的主要作用是在現(xiàn)有材料的表明制作新的一層材料，用以后續(xù)加工；

 

　　光刻的作用是通過光照在材料表面以光刻膠留存的形式標記出設(shè)計版圖（掩膜版）的形態(tài)，為刻蝕做準備；

 

　　刻蝕的作用是將光刻標記出來應(yīng)去除的區(qū)域通過物理或化學(xué)的方法去除，以完成功能外形的制造；

 

　　CMP工藝的作用是對材料進行表面加工，通常在沉積和刻蝕等步驟之后；

 

　　清洗的作用是清除上一工藝遺留的雜質(zhì)或缺陷，為下一工藝創(chuàng)造條件；

 

　　量測的作用主要是晶圓制造過程中的質(zhì)量把控。

 

　　集成電路就在沉積、光刻、刻蝕、拋光等步驟的不斷重復(fù)中成型，整個制造工藝環(huán)環(huán)相扣，任一步驟出現(xiàn)問題，都可能造成整個晶圓不可逆的損壞，因此每一項工藝的設(shè)備要求都很嚴格。

 

　　如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻機是打草稿的畫筆，刻蝕機則是雕刻刀，沉積的薄膜則是用來雕刻的材料。光刻的精度直接決定了元器件刻畫的尺寸，而刻蝕和薄膜沉積的精度則決定了光刻的尺寸能否實際加工，因此光刻、刻蝕和薄膜沉積設(shè)備是芯片加工過程中最重要的三類主設(shè)備，占前道設(shè)備的近70%。

 

　　▲典型晶圓加工廠的廠房區(qū)域布局

 

　　后道設(shè)備可以分為封裝設(shè)備和測試設(shè)備，其中封裝設(shè)備包括劃片機、裝片機、鍵合機等，測試設(shè)備包括中測機、終測機、分選機等。

 

　　后道設(shè)備的功能較易理解，劃片機將整個晶圓切割成單獨的芯片顆粒，裝片機和鍵合機等完成芯片的封裝，測試設(shè)備則負責各個階段的性能測試和良品篩選。

 

　　3、半導(dǎo)體設(shè)備市場高度集中

 

　　根據(jù)日本半導(dǎo)體制造業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2018年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額為645億美元。世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計協(xié)會（WSTS）的數(shù)據(jù)顯示，2018年全球半導(dǎo)體銷售額為4688億元，其中集成電路3633億元；2019年由于存儲器降價明顯，全球半導(dǎo)體銷售額下滑為4090億美元，其中集成電路3304億美元。近些年來半導(dǎo)體設(shè)備的銷售額與集成電路銷售額的波動大體同步，也體現(xiàn)了行業(yè)資本投資存在一定周期性。