Los semiconductores han alcanzado un nivel de procesamiento atómico. La fabricación de dispositivos semiconductores con esta precisión requiere la integración de conocimientos y tecnología de más de 50 disciplinas. Además, la precisión del procesamiento es solo una dimensión. El rendimiento es vital para la fabricación de semiconductores. Por lo tanto, la uniformidad, la estabilidad, la repetibilidad, la fiabilidad y la limpieza son fundamentales. Existen más de 1,000 etapas avanzadas en el procesamiento de semiconductores. Si se produce un problema en cualquiera de ellas, será difícil fabricar chips que cumplan con los requisitos de rendimiento y producción del producto.

Según las estadísticas de la organización de investigación de mercado SEMI, China continental se convirtió por primera vez en el mercado regional más grande del mundo para equipos semiconductores en 2020, con ventas que aumentaron un 39% interanual hasta alcanzar los 18.72 millones de dólares estadounidenses; Taiwán ocupó el segundo lugar, con ventas de fabricantes de equipos en Taiwán que alcanzaron los 17.15 millones de dólares estadounidenses en 2020; Corea del Sur ocupó el tercer lugar, con ventas que aumentaron un 61% interanual hasta los 16.08 millones de dólares estadounidenses; Japón ocupó el cuarto lugar, con ventas que también alcanzaron los 7.58 millones de dólares estadounidenses. Asia Oriental se ha convertido en la cima de la carrera armamentística mundial de semiconductores, gastando un total de 59.53 millones de dólares estadounidenses en 2020, lo que representa el 83.6% del gasto total mundial en equipos semiconductores (71.2 millones de dólares estadounidenses) ese año. (Recordatorio: para obtener información relacionada con equipos semiconductores, diríjase al backend para responder [equipo de semiconductores】recibir)

Debido al creciente impacto de la geopolítica en la cadena de suministro de semiconductores, la competencia por la inversión en capacidad de producción de semiconductores en diversos mercados regionales se intensificará en 2021. Tanto TSMC como Samsung han ajustado sus planes de inversión en semiconductores para 2021 a más de 30 millones de dólares. Ambas compañías compiten ferozmente por el avance en la producción en masa de procesos avanzados. Ambas esperan comenzar la producción en masa de procesos de 3 nanómetros en 2022. A petición del gobierno estadounidense, TSMC y Samsung también instalarán fábricas en Estados Unidos. Sin duda, 2021 será otro año excepcional para los fabricantes de equipos de semiconductores. Sin embargo, debido a las restricciones vigentes, China continental no puede adquirir máquinas de litografía EUV de alta gama ni otros equipos, lo que podría dificultar que mantenga su posición como el mayor mercado de equipos.

Según el Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de Taiwán (en adelante, Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de Taiwán), los distintos mercados regionales tienen diferentes objetivos para el desarrollo de la industria de semiconductores: China continental, como el mayor mercado de aplicaciones de semiconductores del mundo, espera sin duda acelerar su puesta al día tecnológica en el contexto de las amenazas a la seguridad de la cadena de suministro para mitigar la situación actual de estar bajo el control de otros en eslabones clave como la fabricación, los equipos y los materiales; y Estados Unidos, como líder de la cadena de la industria global de semiconductores, seguirá reforzando el control de las exportaciones de equipos de fabricación de chips de alta gama a China continental, e introducirá nuevas políticas para hacer frente a la disminución de la capacidad de fabricación de obleas en EE. UU. en los últimos años; Taiwán y Corea del Sur, como las dos regiones con la mayor densidad de fabricación de obleas del mundo, se espera que sigan liderando la tendencia de desarrollo de los procesos de fabricación de obleas. Estas dos regiones también utilizarán sus sólidas capacidades de fabricación para mejorar la independencia de los materiales y equipos de la cadena de suministro.

Dirección de desarrollo de tecnología avanzada

Después de los 28 nanómetros, el proceso de transistor planar alcanzó su límite, y el FinFET (transistor de aleta) continuó la Ley de Moore, empujando el nodo de proceso por debajo de los 10 nanómetros actuales. Sin embargo, la ruta FinFET se está acercando a su límite. Samsung será el primero en adoptar la estructura GAA (gate all around) en el proceso de 3 nm, mientras que TSMC continuará con la estructura FinFET en el nodo de 3 nm y luego adoptará la estructura GAA en el nodo de 2 nm. El Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de Taiwán cree que Intel ha encontrado problemas en la fabricación de obleas. El proceso de 7 nanómetros (nota: las tres compañías tienen definiciones diferentes de tamaño de proceso y no son adecuadas para una comparación numérica directa) podría retrasarse hasta 2023 antes de la producción en masa. Se espera que Intel también cambie a la arquitectura GAA en el nodo de 5 nanómetros.

Fuente: Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de Taiwán

GAA, acrónimo de Gate-All-Around (puerta envolvente), es un transistor con tecnología de puerta envolvente, también conocido como GAAFET. El concepto se propuso muy pronto, en un artículo publicado por el Dr. Cor Claeys y su equipo de investigación en IMEC, Bélgica, en 1990. GAAFET es equivalente a una versión mejorada del FinFET 3D. La estructura del transistor bajo esta tecnología ha cambiado nuevamente. La puerta y el drenador ya no son aletas, sino que se convierten en "pequeñas varillas" que atraviesan verticalmente la puerta. De esta manera, la puerta puede envolver la fuente y el drenador por todos lados.

Fuente: Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de Taiwán

En comparación con el FinFET, donde los semiconductores de fuente y drenaje originales eran aletas, ahora la compuerta también es una aleta. Por lo tanto, el GAAFET y el FinFET 3D comparten muchos principios e ideas de implementación, lo que representa una gran ventaja para las fábricas de semiconductores. Al pasar de tres superficies de contacto a cuatro, e incluso dividirse en varias configuraciones de cuatro, es evidente que la capacidad de la compuerta para controlar la corriente ha mejorado aún más.

En comparación con el proceso FinFET, la estructura GAA presenta una mayor área de contacto de puerta, lo que mejora la capacidad del transistor para controlar el canal conductor y optimiza significativamente parámetros parásitos como la capacitancia. Por lo tanto, permite reducir la tensión de funcionamiento, la corriente de fuga, el consumo de energía y la temperatura de operación, lo que favorece una mayor integración y la continuidad de la Ley de Moore.

Dado que el proceso de producción requerido para la nueva estructura es similar al de los transistores de aleta, los pasos clave del proceso son prácticamente los mismos, y se pueden seguir utilizando los equipos y los avances tecnológicos existentes. Para TSMC y Samsung, esta es sin duda la solución de reemplazo tecnológico de menor costo. Sin embargo, los requisitos de precisión de procesamiento de GAA han aumentado aún más, lo que exige tecnología de deposición selectiva regional y capacidades de procesamiento a nivel atómico. Por lo tanto, la creciente importancia de la ingeniería de materiales también impulsará más oportunidades de negocio para los equipos de deposición y grabado.

El mercado de equipos de procesamiento frontal de semiconductores está controlado por los cinco gigantes.

Aunque más del 80 % de los equipos del mundo se venderán en Asia Oriental en 2020, aparte de Japón, China (continental más Taiwán) y Corea del Sur no tienen mucha influencia en la industria de equipos. Los cinco principales fabricantes mundiales de equipos para la fase inicial de semiconductores (es decir, la fabricación de obleas, siendo el empaquetado la fase final) —Applied Materials (AMAT), ASML (ASML), Lam (Lam), Tokyo Electronics (TEL) y KLA (KLA)— representan más del 70 % de la cuota de mercado. De ellos, solo Tokyo Electronics tiene su sede en Asia Oriental; el resto son empresas estadounidenses y europeas.

Fuente: Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de Taiwán

En concreto, Applied Materials ocupó el primer puesto. Sus ingresos en 2020 fueron de 17.2 millones de dólares estadounidenses, de los cuales el negocio de semiconductores representó aproximadamente el 70%. Applied Materials cuenta con una amplia gama de equipos para semiconductores, incluyendo equipos de PVD (deposición de película delgada), que representan el 38% del mercado mundial; equipos de CMP (pulido y rectificado), que representan el 70%; equipos de grabado, que representan el 15%; e implantadores de iones, que representan el 67%.

ASML ocupa el segundo lugar, con ingresos de 13.98 millones de euros en 2020. ASML es un importante fabricante de máquinas de litografía y actualmente es el único proveedor mundial de máquinas de litografía EUV (ultravioleta extremo). Gracias a la apuesta de TSMC, Samsung e Intel por los procesos avanzados, ASML vendió 31 máquinas de litografía EUV en 2020, por un total de 4.5 millones de euros. Estas 31 máquinas de litografía EUV representaron por sí solas el 32% de sus ingresos totales. Actualmente, ASML está trabajando con socios de la cadena de suministro para desarrollar conjuntamente tecnología de procesamiento de litografía más sofisticada. Por ejemplo, lanzará sistemas de detección y escaneo de múltiples haces de electrones en 2020, y limitará la interferencia entre haces de electrones a menos del 2%, lo que resulta adecuado para procesos superiores al nodo de 5 nanómetros. ASML también está cooperando con Lam e imec para desarrollar tecnología de fotorresistencia seca con el fin de mejorar la resolución EUV y reducir la cantidad de fotorresistencia. También colabora con Lasertec para desarrollar una nueva generación de tecnología de inspección de máscaras EUV con el fin de reducir costes, y colabora con TSMC para desarrollar una nueva generación de tecnología de limpieza de máscaras EUV con el fin de reducir costes.

Las ventas de equipos de Tokyo Electronics en 2020 alcanzaron los 10.37 millones de dólares, situándose en tercer lugar. La cuota de mercado de Tokyo Electronics en equipos de recubrimiento y revelado representa el 91% del mercado mundial, de los cuales las máquinas de recubrimiento y revelado EUV representan la totalidad del mercado, las máquinas de grabado el 25%, los equipos de deposición el 37% y los equipos de limpieza el 27%. Entre 2020 y 2022, Tokyo Electronics planea invertir 400 millones de yenes en fondos de I+D, centrándose en la deposición selectiva, el grabado inteligente, la limpieza con fluidos supercríticos y otras líneas de investigación y desarrollo.

Los ingresos de Lam Semiconductor en 2020 ascendieron a 10.05 millones de dólares, ocupando el cuarto lugar. Lam es líder mundial en equipos de grabado, con un 57% de sus ingresos dedicados a la fabricación de memorias y un 43% a la tecnología lógica. Es la única empresa entre los cinco principales fabricantes de equipos cuyo negocio de memorias supera el 50%. Como se mencionó anteriormente, Lam y ASML colaboran con imec en el desarrollo de tecnología de fotorresistencia seca EUV.

Los ingresos de Kelei Semiconductor en 2020 ascendieron a 5.81 millones de dólares, ocupando el quinto puesto. Kelei es líder mundial en equipos de inspección de obleas, con una cuota de mercado superior al 50 %. Además, Kelei invierte en el desarrollo de tecnología de medición de defectos mediante haz de electrones para estructuras de menos de 5 nanómetros, así como en la medición de deformaciones por tensión y la inspección multihaz.

Fuente: Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de Taiwán

Según estimaciones del Instituto de Investigación Industrial de Taiwán, los principales equipos para semiconductores a nivel mundial experimentarán un fuerte crecimiento en los próximos años. A excepción de los equipos de litografía DUV (ultravioleta profundo), los demás equipos mostrarán un crecimiento positivo. Entre ellos, la deposición de capas atómicas (ALD) presenta la mayor tasa de crecimiento, con un promedio anual del 26.3% previsto entre 2020 y 2025. Los equipos EUV ocupan el segundo lugar en crecimiento, con un promedio anual de dos dígitos. En términos de valor, los equipos EUV lideran el mercado. Se espera que las ventas de equipos EUV alcancen los 12.55 millones de dólares estadounidenses en 2025, superando a las máquinas de grabado y convirtiéndose en los equipos para semiconductores con mayores ventas en cada segmento.

Fuente: Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de Taiwán

Los fabricantes de equipos chinos tienen un largo camino por recorrer.

En comparación con los fabricantes internacionales, existe una gran brecha entre los fabricantes de equipos chinos en términos de volumen de ventas y tecnología. Según datos de la Asociación de la Industria de Equipos Electrónicos Especiales, las ventas de equipos semiconductores nacionales en 2019 alcanzaron los 16.182 millones de yuanes, lo que representó apenas la mitad de los ingresos de Kelei, uno de los cinco principales fabricantes del sector, en 2019 (4.6 millones de dólares). La asociación estimó en octubre de 2020 que las ventas de equipos semiconductores nacionales en 2020 totalizarían 21.3 millones de yuanes, cifra que aún representa menos del 60% de las ventas de Kelei (5.8 millones de dólares).

Comparación de las principales empresas nacionales y extranjeras de equipos para semiconductores (a 6 de enero de 2021)

Fuente: Deppon Securities

Técnicamente, la industria de semiconductores de mi país prácticamente no ha participado en la etapa de investigación y desarrollo de procesos avanzados (3 nanómetros o menos), y actualmente no puede respaldar la producción nacional de procesos casi convencionales como el de 28 nanómetros. La mayoría de los productos comerciales de los fabricantes nacionales aún se basan en líneas de producción de procesos maduros. Tomando como ejemplo la máquina de litografía que atrae gran atención social, en China la principal empresa es Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (en adelante, "Shanghai Microelectronics"). Los productos principales de Shanghai Microelectronics solo cumplen con los requisitos de los procesos de litografía de 90 nanómetros, 110 nanómetros y otros.

Pero también hay algunos sectores que ya han participado en la competencia de tecnología avanzada. Por ejemplo, China Micro Semiconductor ha sido reconocida por TSMC en el campo del grabado CCP y ha puesto en marcha su línea de producción de 7 nm/5 nm; Northern Huachuang destaca en equipos de grabado ICP, y ha industrializado equipos de grabado de más de 28 nm. En cuanto a procesos avanzados, los equipos de grabado de silicio han superado la tecnología de 14 nm y han sido incorporados al Centro de I+D de Circuitos Integrados de Shanghái.

Según el objetivo de "Made in China 2025", los componentes básicos centrales de semiconductores y los materiales básicos clave deberían alcanzar una tasa de autonomía del 40 % en 2020 y una tasa de localización del 70 % en 2025. Sin embargo, según la información de las licitaciones públicas de diez empresas nacionales de fabricación de obleas, como Yangtze Memory y Huali Microelectronics, desde 2017 hasta el primer trimestre de 2021, la tasa de localización aún está lejos del objetivo. Desde 2017 hasta 2019, estos diez fabricantes abrieron licitaciones para un total de 4,197 equipos, de los cuales 431 eran de fabricación china, con una tasa de localización de aproximadamente el 10.3 %. Desde 2020 hasta el primer trimestre de 2021, estas diez fábricas abrieron licitaciones para un total de 1,862 equipos, de los cuales 315 eran de fabricación china. Se estima que la tasa de localización actual es del 17%, lo que supone un aumento de más de 6 puntos porcentuales entre 2017 y 2019.

Izquierda: Tasa de localización de los diez principales equipos de fabricación de obleas entre 2017 y 2019.

Derecha: Tasa de localización de equipos en las diez principales fábricas de obleas durante el primer trimestre de 2020-2021.

Fuente: Deppon Securities

Sin embargo, el sector nacional de equipos para semiconductores también ha experimentado cambios muy positivos en los últimos años. En términos tecnológicos, empresas como China Micro Semiconductor, Northern Huachuang e Yitang Semiconductor se encuentran ya cerca de los fabricantes líderes mundiales en los campos de grabado, deposición, decapado en seco, limpieza e implantación iónica. En cuanto a la cuota de mercado, algunos productos han superado el 20%, lo que ha tenido un fuerte impacto en la posición de mercado de los fabricantes internacionales de equipos para semiconductores.

Según la información de licitación publicada por las diez principales fábricas de obleas, desde 2017 hasta el primer trimestre de 2021, la tasa de localización de equipos de desgomado en seco alcanzó el 45.5%, mientras que las tasas de localización de equipos de limpieza (30.6%), equipos de grabado (22.2%) y equipos de pulido (21.6%) fueron superiores al 20%, y los equipos de tubos de horno (14.7%) y equipos de desarrollo de adhesivos (10.0%) fueron superiores al 10%. La tasa de localización de equipos de deposición (8.5%) y equipos de prueba de front-end (5.2%) es relativamente baja, solo entre el 5% y el 10%. Las mayores brechas se encuentran en los implantadores de iones (2.4%), los equipos de prueba de back-end (1.9%) y las máquinas de fotolitografía (1.6%).

Tras entrar en 2020, el ritmo de localización aumentará aún más rápidamente. A juzgar por los datos de apertura de licitaciones de las diez principales fábricas de obleas, en el primer trimestre de 2020 a 2021, el ritmo de localización de los equipos de pulido, grabado, tubos de horno y recubrimiento y revelado de adhesivos aumentó en más de dos dígitos en comparación con el ritmo de localización del período 2017-2019.

A juzgar por la tendencia de desarrollo de la industria mundial de equipos para semiconductores, a medida que el proceso de fabricación de semiconductores se acerca a su límite físico, resulta cada vez más difícil desarrollar una nueva generación de equipos. Tomando como ejemplo las máquinas de litografía EUV, el proyecto se inició ya en la década de 1990. Casi 200 instituciones de investigación de más de 40 países de todo el mundo (Europa aportó más de 100) participaron en él. Desde la investigación básica y la investigación técnica hasta la integración de sistemas, todo el sistema de I+D invirtió más de 100 mil millones de yuanes, superando los ingresos totales de la industria de equipos de mi país en los últimos diez años.

Yin Zhiyao, presidente de China Microelectronics Semiconductor, también declaró en una entrevista con los medios que los semiconductores han alcanzado un nivel de procesamiento a escala atómica. La fabricación de dispositivos semiconductores con esta precisión requiere la integración de conocimientos y tecnología de más de 50 disciplinas. Señaló que el grabado por plasma ha creado poros con diámetros que oscilan entre una milésima y una cienmilésima parte del diámetro de un cabello humano, y que la precisión, uniformidad y repetibilidad del diámetro de los orificios pueden alcanzar entre decenas de miles y una cienmilésima parte del diámetro de un cabello humano. Una máquina de grabado procesa más de un millón de billones de orificios de contacto finos y profundos cada año, y casi el 100 % de estos orificios deben abrirse por completo.

Los equipos para semiconductores no solo deben lograr un procesamiento muy preciso, sino que, sobre todo, deben garantizar uniformidad, estabilidad, repetibilidad, fiabilidad y limpieza. Solo así se puede cumplir con el requisito fundamental de la fabricación de obleas: la tasa de cualificación de chips. Para asegurar una tasa de aprobación aceptable (por ejemplo, del 90 %), cada etapa del proceso de fabricación requiere una tasa de aprobación extremadamente alta, ya que actualmente los chips de procesos avanzados requieren 1,000 pasos. Si la tasa de aprobación de cada paso es del 99.9 %, la tasa de aprobación final tras 1,000 pasos es de tan solo el 36.77 %.

Como representante de la fabricación inteligente moderna y pilar fundamental de la industria global de la información, la fabricación de chips rara vez ofrece a los fabricantes de equipos nuevos la oportunidad de experimentar y cometer errores. Tras todo el arduo trabajo de desarrollo del prototipo, solo se ha completado una pequeña parte del desarrollo y la producción del equipo. La parte más difícil es convencer al fabricante de obleas para que colabore en las pruebas, a riesgo de que disminuya la tasa de calificación y la capacidad de producción. Yin Zhiyao afirmó que, una vez fabricado el prototipo y con la disposición del cliente para cooperar, este debe superar al menos 80 pruebas rigurosas para cumplir finalmente con los requisitos de la fábrica de obleas.

A juzgar por la experiencia histórica de los fabricantes internacionales, la industria de equipos debe estabilizar el mercado y evitar avances precipitados. Debe invertir en investigación y desarrollo a largo plazo y consolidar su base tecnológica. Como señaló Yin Zhiyao, los equipos semiconductores requieren la colaboración de 50 disciplinas, lo cual es tan complejo como fabricar dos bombas y un satélite. "Solo dos o tres empresas en el mundo pueden fabricar la bomba molecular de levitación magnética, uno de los componentes clave de la industria de semiconductores. Todo requiere una acumulación tecnológica a largo plazo".

Gracias a la globalización, la industria de semiconductores ha alcanzado su escala actual. Sin embargo, desde que la administración Trump llegó al poder, Estados Unidos ha utilizado esta industria como arma para lanzar una guerra tecnológica contra China, lo que ha afectado gravemente el mecanismo de confianza mutua en la cadena de suministro previamente establecido por la industria global de la información electrónica. Como la base de fabricación más importante de la industria de la información electrónica a nivel mundial, es crucial crear una nueva cadena de suministro de semiconductores que no se vea afectada por la geopolítica. Cuando una tecnología logra un verdadero avance en el mercado (por ejemplo, cuando su cuota de mercado alcanza el 20%), las restricciones correspondientes del Acuerdo de Wassenaar pierden su sentido. Actualmente, la mejora efectiva del índice de localización de equipos se ha convertido en un factor clave para el desarrollo saludable de la industria global de la información electrónica. La rápida expansión de China en la fabricación de obleas ha brindado a los fabricantes nacionales de equipos de semiconductores un amplio espacio de mercado y oportunidades de ensayo y error. Para estos fabricantes, esta es una excelente oportunidad histórica.

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