Die Halbleiterfertigung hat die atomare Verarbeitungsebene erreicht. Die Herstellung von Halbleiterbauelementen mit dieser Präzision erfordert die Integration von Wissen und Technologie aus über 50 Disziplinen. Die Verarbeitungsgenauigkeit ist dabei nur ein Aspekt. Die Ausbeute ist für die Halbleiterfertigung entscheidend. Daher sind Gleichmäßigkeit, Stabilität, Wiederholbarkeit, Zuverlässigkeit und Reinheit von größter Bedeutung. Es gibt über 1,000 fortschrittliche Verarbeitungsschritte in der Halbleiterfertigung. Tritt in einem dieser Schritte ein Problem auf, ist es schwierig, Chips herzustellen, die die Anforderungen an Produktleistung und Ausbeute erfüllen.

According to statistics from market research organization SEMI, mainland China became the world's largest regional market for semiconductor equipment for the first time in 2020, with sales increasing by 39% year-on-year to US$18.72 billion; Taiwan ranked second, with equipment manufacturers' sales in Taiwan reaching US$17.15 billion in 2020; South Korea ranked third, with sales increasing 61% year-on-year to US$16.08 billion; Japan ranked fourth, with sales also reaching US$7.58 billion. East Asia has become the highland of the global semiconductor arms race, spending a total of US$59.53 billion in 2020, accounting for 83.6% of the total global semiconductor equipment expenditure (US$71.2 billion) that year. (Warm reminder: For information related to semiconductor equipment, please go to the backend to reply [Halbleiterausrüstung】receive)

Due to the intensified impact of geopolitics on the semiconductor supply chain, competition for semiconductor production capacity investment in various regional markets will become fierce in 2021. TSMC and Samsung have both adjusted their capital expenditure plans for semiconductors in 2021 to more than US$30 billion. The two companies are desperately competing on the progress of mass production of advanced processes. Both expect to mass produce 3-nanometer processes in 2022. At the call of the US government, TSMC and Samsung will also set up factories in the United States. There is no doubt that 2021 will be another bumper year for semiconductor equipment manufacturers. However, due to relevant restrictions, mainland China is unable to purchase high-end EUV lithography machines and other equipment, and it may be difficult to maintain its position as the largest equipment market.

Laut dem Taiwan Industrial Technology Research Institute (im Folgenden: Taiwan Industrial Technology Research Institute) verfolgen die verschiedenen regionalen Märkte unterschiedliche Ziele für die Entwicklung der Halbleiterindustrie: Als weltweit größter Markt für Halbleiteranwendungen hofft Festlandchina zweifellos, angesichts der Bedrohungen der Lieferkettensicherheit den technologischen Aufholprozess zu beschleunigen, um die derzeitige Abhängigkeit von anderen Akteuren in Schlüsselbereichen wie Fertigung, Ausrüstung und Materialien zu verringern. Die Vereinigten Staaten, als führendes Land der globalen Halbleiterindustrie, werden die Exportkontrollen für High-End-Chipfertigungsanlagen nach Festlandchina weiter verschärfen und neue Maßnahmen ergreifen, um dem Rückgang der US-amerikanischen Waferfertigungskapazitäten in den letzten Jahren entgegenzuwirken. Taiwan und Südkorea, die beiden Regionen mit der weltweit höchsten Waferfertigungsdichte, werden voraussichtlich weiterhin den Entwicklungstrend der Waferfertigungsprozesse anführen. Diese beiden Regionen werden ihre starken Fertigungskapazitäten auch nutzen, um die Unabhängigkeit von vorgelagerten Materialien und Anlagen zu verbessern.

Richtung der Entwicklung fortschrittlicher Technologien

After 28 nanometers, the planar transistor process reached its limit, and FinFET (fin transistor) continued Moore's Law, pushing the process node to below the current 10 nanometers. However, the FinFET route is approaching its limit. Samsung will be the first to adopt the GAA (gate all around) structure on the 3nm process, while TSMC will continue the FinFET structure at the 3nm node and then adopt the GAA structure at the 2nm node. Taiwan's Industrial Technology Research Institute believes that Intel has encountered trouble in wafer manufacturing. The 7-nanometer process (note: the three companies have different definitions of process size and are not suitable for direct numerical comparison) may be delayed until 2023 before mass production. It is expected that Intel will also change to the GAA architecture at the 5-nanometer node.

Source: Taiwan Industrial Technology Research Institute

GAA, die Abkürzung für Gate-All-Around, ist ein Transistor mit Wrap-Around-Gate-Technologie, auch GAAFET genannt. Das Konzept wurde bereits 1990 in einem Artikel von Dr. Cor Claeys und seinem Forschungsteam am IMEC in Belgien vorgestellt. GAAFET entspricht einer verbesserten Version des 3D-FinFET. Die Transistorstruktur hat sich bei dieser Technologie erneut verändert. Gate und Drain sind nicht mehr als Finnen ausgeführt, sondern als kleine Stäbe, die vertikal durch das Gate verlaufen. Dadurch umschließt das Gate Source und Drain allseitig.

Source: Taiwan Industrial Technology Research Institute

Compared with FinFET, the original source and drain semiconductors were fins (Fin), but now the gate has become a fin. Therefore, GAAFET and 3D FinFET have many similarities in their implementation principles and ideas - which is a great advantage for fabs. From three contact surfaces to four contact surfaces, and also split into several four contact surfaces, it is obvious that the gate's ability to control the current has been further improved.

Im Vergleich zum FinFET-Prozess weist die GAA-Struktur eine größere Gate-Kontaktfläche auf. Dies verbessert die Kontrolle des Leitkanals durch den Transistor und reduziert parasitäre Parameter wie die Kapazität signifikant. Dadurch lassen sich Betriebsspannung, Leckstrom, Leistungsaufnahme und Betriebstemperatur senken, was die Integration fördert und das Mooresche Gesetz fortsetzt.

Since the production process required for the new structure is similar to that of fin transistors, the key process steps are almost the same, and existing equipment and technological achievements can be continued to be used. For TSMC and Samsung, this is undoubtedly the lowest-cost technology route replacement solution. However, GAA's requirements for processing accuracy have further increased, requiring regional selective deposition technology and atomic-level processing capabilities. Therefore, the increased importance of materials engineering will also drive more business opportunities for deposition and etching equipment.

Der Markt für Halbleiter-Frontend-Ausrüstung wird von den fünf Giganten kontrolliert

Although more than 80% of the world's equipment will be sold to East Asia in 2020, apart from Japan, China (Mainland plus Taiwan) and South Korea do not have much influence in the equipment industry. The world's top five semiconductor front-end (ie wafer manufacturing, packaging is the back-end) equipment manufacturers Applied Materials (AMAT), ASML (ASML), Lam (Lam), Tokyo Electronics (TEL) and KLA (KLA) account for more than 70% of the market share. Among them, only Tokyo Electronics is headquartered in East Asia, and the rest are American and European companies.

Source: Taiwan Industrial Technology Research Institute

Specifically, Applied Materials ranked first. Its revenue in 2020 was US$17.2 billion, of which the semiconductor business accounted for about 70%. Applied Materials has a wide range of semiconductor equipment, including PVD (thin film deposition) equipment accounting for 38% of the world, CMP (grinding and polishing) equipment accounting for 70%, etching equipment accounting for 15%, and ion implanters accounting for 67%.

ASML belegt mit einem Umsatz von 13.98 Milliarden Euro im Jahr 2020 den zweiten Platz. ASML ist ein führender Hersteller von Lithografiemaschinen und derzeit der weltweit einzige Anbieter von EUV-Lithografiemaschinen (extremes Ultraviolett). Dank der Bemühungen von TSMC, Samsung und Intel um fortschrittliche Fertigungsprozesse verkaufte ASML im Jahr 2020 31 EUV-Lithografiemaschinen im Wert von insgesamt 4.5 Milliarden Euro. Diese 31 Maschinen allein trugen 32 % zum Gesamtumsatz bei. ASML arbeitet aktuell mit Partnern entlang der Lieferkette an der gemeinsamen Entwicklung fortschrittlicherer Lithografietechnologien. So wird das Unternehmen beispielsweise im Jahr 2020 Systeme zur Detektion und Abtastung mehrerer Elektronenstrahlen auf den Markt bringen und die Interferenz zwischen den Elektronenstrahlen auf unter 2 % begrenzen. Dies ist für Prozesse oberhalb der 5-Nanometer-Struktur geeignet. ASML kooperiert außerdem mit Lam und imec an der Entwicklung einer Trockenfotolacktechnologie, um die EUV-Auflösung zu verbessern und den Fotolackverbrauch zu reduzieren. Außerdem arbeitet das Unternehmen mit Lasertec an der Entwicklung einer neuen Generation von EUV-Maskeninspektionstechnologie zur Kostenreduzierung und mit TSMC an der Entwicklung einer neuen Generation von EUV-Maskenreinigungstechnologie zur Kostenreduzierung.

Der Anlagenumsatz von Tokyo Electronics belief sich 2020 auf 10.37 Milliarden US-Dollar und belegte damit den dritten Platz. Tokyo Electronics hält einen Marktanteil von 91 % am globalen Markt für Beschichtungs- und Entwicklungsanlagen. Davon entfällt der gesamte Marktanteil auf EUV-Beschichtungs- und Entwicklungsanlagen, gefolgt von Ätzanlagen mit einem Anteil von 25 %, Abscheidungsanlagen mit 37 % und Reinigungsanlagen mit 27 %. Von 2020 bis 2022 plant Tokyo Electronics Investitionen in Höhe von 400 Milliarden Yen in Forschung und Entwicklung mit Fokus auf selektive Abscheidung, intelligentes Ätzen, überkritische Fluidreinigung und weitere Technologiebereiche.

Lam Semiconductor erzielte 2020 einen Umsatz von 10.05 Milliarden US-Dollar und belegte damit den vierten Platz. Lam ist weltweit führend im Bereich Ätzanlagen, wobei das Geschäft mit Speichermodulen 57 % und das mit Logiktechnologie 43 % des Umsatzes ausmacht. Als einziges Unternehmen unter den fünf größten Anlagenherstellern erzielt Lam einen Anteil von über 50 % am Speichermodulgeschäft. Wie bereits erwähnt, arbeiten Lam und ASML mit imec an der Entwicklung von EUV-Trockenfotolacktechnologie.

Kelei Semiconductor erzielte 2020 einen Umsatz von 5.81 Milliarden US-Dollar und belegte damit den fünften Platz. Kelei ist Weltmarktführer für Wafer-Inspektionsanlagen mit einem Marktanteil von über 50 %. Das Unternehmen investiert zudem in die Entwicklung von Elektronenstrahl-Defektmesstechnologien für Strukturen unter 5 Nanometern, insbesondere für Spannungs- und Verformungsmessungen sowie die Mehrstrahlinspektion.

Source: Taiwan Industrial Technology Research Institute

Laut Schätzungen des taiwanesischen Industrieforschungsinstituts werden die wichtigsten Halbleiteranlagen weltweit in den nächsten Jahren ein starkes Wachstum verzeichnen. Mit Ausnahme von DUV-Lithographieanlagen (Tief-Ultraviolett) werden auch andere Anlagen ein positives Wachstum aufweisen. Die Atomlagenabscheidung (ALD) weist dabei die höchste Wachstumsrate auf, mit einer erwarteten durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 26.3 % im Zeitraum von 2020 bis 2025. EUV-Anlagen (Europäische UV-Lithographie) belegen mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate im zweistelligen Bereich den zweiten Platz. Wertmäßig stehen EUV-Anlagen an erster Stelle. Der Umsatz mit EUV-Anlagen wird voraussichtlich im Jahr 2025 12.55 Milliarden US-Dollar erreichen und damit Ätzmaschinen übertreffen. EUV-Anlagen werden somit die umsatzstärksten Halbleiteranlagen in ihrem jeweiligen Segment sein.

Source: Taiwan Industrial Technology Research Institute

Chinese equipment manufacturers have a long way to go

Im Vergleich zu internationalen Herstellern besteht bei chinesischen Halbleiteranlagenherstellern hinsichtlich Umsatzvolumen und Technologie eine große Lücke. Laut Daten des Verbandes der Elektronik-Spezialausrüstungsindustrie belief sich der Umsatz chinesischer Halbleiteranlagenhersteller im Jahr 2019 auf 16.182 Milliarden Yuan. Dies entsprach lediglich etwa der Hälfte des Umsatzes der fünf größten Halbleiteranlagenhersteller (Kelei) im selben Jahr (4.6 Milliarden US-Dollar). Der Verband schätzte im Oktober 2020, dass der Umsatz chinesischer Halbleiteranlagenhersteller im Jahr 2020 insgesamt 21.3 Milliarden Yuan betragen würde, was immer noch weniger als 60 % des Umsatzes von Kelei (5.8 Milliarden US-Dollar) ausmacht.

Vergleich der wichtigsten in- und ausländischen Halbleiteranlagenhersteller (Stand: 6. Januar 2021)

Quelle: Deppon Securities

Technisch gesehen hat sich die Halbleiterausrüstung meines Landes im Wesentlichen noch nicht an der Forschungs- und Entwicklungsphase fortschrittlicher Prozesse (3 Nanometer und darunter) beteiligt und ist derzeit nicht in der Lage, die nationale Produktion von quasi-Mainstream-Prozessen wie 28 Nanometern zu unterstützen. Die meisten kommerziellen Produkte inländischer Gerätehersteller basieren noch auf ausgereiften Prozessfertigungslinien. Nehmen wir die Lithographieanlage, die in der Öffentlichkeit große Beachtung findet, als Beispiel: In China ist es hauptsächlich Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (im Folgenden „Shanghai Microelectronics“). Die Hauptprodukte von Shanghai Microelectronics erfüllen lediglich die Anforderungen von Lithographieprozessen mit 90 Nanometern, 110 Nanometern und anderen Strukturen.

Es gibt aber auch Bereiche, die bereits am Wettbewerb um Spitzentechnologie teilgenommen haben. So wurde China Micro Semiconductor von TSMC im Bereich des CCP-Ätzens anerkannt und ist in dessen 7-nm/5-nm-Produktionslinie integriert. Northern Huachuang ist im Bereich der ICP-Ätzanlagen relativ führend, und Ätzanlagen für Strukturen über 28 nm werden bereits industrialisiert. Im Bereich fortschrittlicher Prozesse hat die Silizium-Ätztechnik die 14-nm-Technologie durchbrochen und ist im Shanghai Integrated Circuit R&D Center angekommen.

Gemäß dem Ziel „Made in China 2025“ sollen Halbleiter-Kernkomponenten und wichtige Basismaterialien bis 2020 einen Autonomiegrad von 40 % und bis 2025 einen Lokalisierungsgrad von 70 % erreichen. Laut den öffentlichen Ausschreibungsdaten von zehn chinesischen Waferherstellern wie Yangtze Memory und Huali Microelectronics aus dem Zeitraum von 2017 bis zum ersten Quartal 2021 liegt der Lokalisierungsgrad jedoch noch weit unter dem Zielwert. Von 2017 bis 2019 schrieben diese zehn Hersteller insgesamt 4,197 Anlagen aus, davon 431 in China gefertigte Anlagen, was einem Lokalisierungsgrad von etwa 10.3 % entspricht. Von 2020 bis zum ersten Quartal 2021 schrieben diese zehn Fabriken insgesamt 1,862 Anlagen aus, von denen 315 in China gefertigt wurden. Man schätzt, dass die aktuelle Lokalisierungsrate bei 17 % liegt, was einem Anstieg von mehr als 6 Prozentpunkten von 2017 bis 2019 entspricht.

Links: Lokalisierungsrate der zehn wichtigsten Waferfabrik-Ausrüstungen von 2017 bis 2019

Right: Localization rate of equipment in the top ten wafer fabs in the first quarter of 2020-2021

Quelle: Deppon Securities

Die heimische Halbleiteranlagenindustrie hat sich in den letzten Jahren jedoch ebenfalls sehr positiv entwickelt. Technologisch gesehen sind Unternehmen wie China Micro Semiconductor, Northern Huachuang und Yitang Semiconductor in Bereichen wie Ätzen, Abscheidung, Trockenablösen, Reinigen und Ionenimplantation bereits fast auf dem Niveau der weltweit führenden Hersteller. Der Marktanteil einiger Produkte hat 20 % überschritten, was die Marktposition internationaler Halbleiteranlagenhersteller deutlich beeinflusst hat.

Aus den von den zehn größten Waferfabriken veröffentlichten Ausschreibungsinformationen geht hervor, dass die Lokalisierungsrate von Trockenentgummierungsanlagen von 2017 bis zum ersten Quartal 2021 45.5 % erreichte. Die Lokalisierungsraten von Reinigungsanlagen (30.6 %), Ätzanlagen (22.2 %) und Polieranlagen (21.6 %) lagen alle über 20 %, während die von Ofenrohranlagen (14.7 %) und Klebstoffentwicklungsanlagen (10.0 %) jeweils über 10 % lagen. Die Lokalisierungsrate von Beschichtungsanlagen (8.5 %) und Front-End-Testanlagen (5.2 %) ist mit 5 % bis 10 % vergleichsweise niedrig. Die größten Lücken bestehen bei Ionenimplantationsanlagen (2.4 %), Back-End-Testanlagen (1.9 %) und Fotolithografieanlagen (1.6 %).

Nach Beginn des Jahres 2020 wird die Lokalisierungsrate weiter steigen. Betrachtet man die Daten der Angebotsöffnungen der zehn größten Waferfabriken, so stieg die Lokalisierungsrate von Polieranlagen, Ätzanlagen, Ofenrohranlagen sowie Anlagen zur Klebebeschichtung und -entwicklung im ersten Quartal 2020 bis 2021 im Vergleich zum Zeitraum 2017 bis 2019 um mehr als zehn Prozentpunkte.

Betrachtet man die Entwicklung der globalen Halbleiteranlagenindustrie, so wird die Entwicklung einer neuen Anlagengeneration zunehmend schwieriger, da sich die Halbleiterprozesse ihren physikalischen Grenzen nähern. Am Beispiel der EUV-Lithografieanlagen lässt sich dies verdeutlichen: Das Projekt wurde bereits in den 1990er-Jahren initiiert. Fast 200 Forschungseinrichtungen aus über 40 Ländern weltweit (davon mehr als 100 aus Europa) beteiligten sich daran. Von der Grundlagenforschung über die technische Entwicklung bis hin zur Systemintegration investierte das gesamte F&E-System über 100 Milliarden Yuan und übertraf damit den Gesamtumsatz der chinesischen Anlagenindustrie der letzten zehn Jahre.

Yin Zhiyao, Vorsitzender von China Microelectronics Semiconductor, erklärte in einem Medieninterview, dass die Halbleiterfertigung die atomare Verarbeitungsebene erreicht habe. Die Herstellung von Halbleiterbauelementen mit dieser Präzision erfordere die Integration von Wissen und Technologie aus über 50 Disziplinen. Er wies darauf hin, dass durch Plasmaätzen Poren mit einem Durchmesser von einem Tausendstel bis einem Hunderttausendstel eines menschlichen Haares erzeugt werden können und die Genauigkeit, Gleichmäßigkeit und Wiederholbarkeit des Lochdurchmessers Zehntausende bis Hunderttausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares erreichen kann. Eine Ätzmaschine bearbeitet jährlich über eine Billion dünne und tiefe Kontaktlöcher, wobei nahezu 100 % der Löcher vollständig geöffnet werden müssen.

Semiconductor equipment must not only be able to achieve very fine processing, but the most important things are uniformity, stability, repeatability, reliability and cleanliness. Only by doing this can we meet the core requirement of wafer manufacturing, which is chip qualification rate. To ensure an acceptable pass rate (for example, 90%), each processing and manufacturing link requires an extremely high pass rate, because currently advanced process chips require 1,000 process steps. If the pass rate of each step is 99.9%, the final pass rate after 1,000 steps is only 36.77%.

Als Vertreter moderner intelligenter Fertigung und tragende Säule der globalen Informationsindustrie bietet die Chipherstellung Geräteherstellern selten die Möglichkeit, Fehler zu machen. Nach all der aufwendigen Prototypenentwicklung ist erst ein kleiner Teil der Entwicklungs- und Produktionsanlagen fertiggestellt. Noch schwieriger ist es, den Waferhersteller von der Unterstützung bei den Testläufen zu überzeugen, da sonst die Qualifizierungsrate und die Produktionskapazität sinken könnten. Yin Zhiyao erklärte, dass der Prototyp nach seiner Fertigstellung und der Zustimmung des Kunden mindestens 80 strenge Tests bestehen muss, um die Anforderungen der Waferfabrik zu erfüllen.

Die historische Entwicklung internationaler Hersteller zeigt, dass die Halbleiterindustrie den Markt stabilisieren und überstürzte Entwicklungen vermeiden muss. Sie muss langfristig in Forschung und Entwicklung investieren und ihre technische Basis festigen. Wie Yin Zhiyao erklärte, erfordert die Halbleiterfertigung die Zusammenarbeit von 50 Disziplinen – eine ebenso große Herausforderung wie die Entwicklung von zwei Bomben und einem Satelliten. „Weltweit beherrschen nur zwei oder drei Unternehmen die Herstellung der magnetisch schwebenden Molekularpumpe, einer der wichtigsten Kernkomponenten der Halbleiterindustrie. All dies erfordert langfristige Technologieentwicklung.“

Dank der Globalisierung hat sich die Halbleiterindustrie zu ihrer heutigen Größe entwickelt. Seit dem Amtsantritt der Trump-Administration nutzten die USA die Halbleiterindustrie jedoch als Waffe im Technologiekrieg gegen China, was den zuvor etablierten Mechanismus des gegenseitigen Vertrauens in der globalen Elektronikindustrie ernsthaft beeinträchtigte. Als weltweit wichtigster Produktionsstandort der Elektronikindustrie ist es für China entscheidend, eine neue, von geopolitischen Einflüssen unabhängige Halbleiterlieferkette zu schaffen. Sobald eine Technologie einen echten Marktdurchbruch erzielt (beispielsweise einen Marktanteil von 20 %), verlieren die entsprechenden Beschränkungen des Wassenaar-Abkommens ihre Bedeutung. Die Frage, ob der Lokalisierungsgrad von Anlagen effektiv gesteigert werden kann, ist heute ein Schlüsselfaktor für die gesunde Entwicklung der globalen Elektronikindustrie. Chinas rasante Expansion in der Waferfertigung hat heimischen Halbleiteranlagenherstellern ein breites Marktpotenzial und die Möglichkeit zum Ausprobieren eröffnet. Für diese Hersteller stellt dies eine hervorragende historische Chance dar.

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