Les semi-conducteurs ont atteint un niveau de traitement atomique. Fabriquer des dispositifs semi-conducteurs avec une telle précision exige l'intégration de connaissances et de technologies issues de plus de 50 disciplines. De plus, la précision de traitement n'est qu'un aspect du problème. Le rendement est essentiel à la fabrication des semi-conducteurs. Par conséquent, l'uniformité, la stabilité, la répétabilité, la fiabilité et la propreté sont toutes importantes. Il existe plus de 1 000 étapes de traitement avancées pour les semi-conducteurs. Le moindre problème à une étape peut compromettre la fabrication de puces répondant aux exigences de performance et de rendement.

Selon les statistiques de l'organisme d'études de marché SEMI, la Chine continentale est devenue, pour la première fois en 2020, le premier marché régional mondial des équipements pour semi-conducteurs, avec des ventes en hausse de 39 % sur un an, atteignant 18.72 milliards de dollars américains. Taïwan se classe deuxième, avec des ventes de 17.15 milliards de dollars américains réalisées par les fabricants d'équipements taïwanais en 2020. La Corée du Sud occupe la troisième place, avec des ventes en progression de 61 % sur un an, à 16.08 milliards de dollars américains. Le Japon se classe quatrième, avec des ventes atteignant également 7.58 milliards de dollars américains. L'Asie de l'Est est devenue le principal acteur de la course mondiale aux équipements pour semi-conducteurs, avec des dépenses totales de 59.53 milliards de dollars américains en 2020, représentant 83.6 % des dépenses mondiales totales en équipements pour semi-conducteurs (71.2 milliards de dollars américains) cette année-là. (Rappel : Pour toute information relative aux équipements pour semi-conducteurs, veuillez consulter la section « Réponse »).Équipement semi-conducteur】recevoir)

En raison de l'impact géopolitique accru sur la chaîne d'approvisionnement des semi-conducteurs, la concurrence pour les investissements dans les capacités de production de semi-conducteurs sur les différents marchés régionaux s'intensifiera en 2021. TSMC et Samsung ont toutes deux revu à la hausse leurs plans d'investissement dans les semi-conducteurs pour 2021, les portant à plus de 30 milliards de dollars américains. Les deux entreprises rivalisent d'efforts pour accélérer la production de masse de procédés avancés. Elles prévoient toutes deux une production en série de procédés 3 nanomètres en 2022. À la demande du gouvernement américain, TSMC et Samsung implanteront également des usines aux États-Unis. 2021 sera sans aucun doute une année faste pour les fabricants d'équipements pour semi-conducteurs. Cependant, en raison des restrictions en vigueur, la Chine continentale ne peut acquérir de machines de lithographie EUV haut de gamme ni d'autres équipements, et il lui sera peut-être difficile de conserver sa position de premier marché d'équipements.

Selon l'Institut de recherche en technologies industrielles de Taïwan (ci-après dénommé Institut de recherche en technologies industrielles de Taïwan), les différents marchés régionaux poursuivent des objectifs distincts en matière de développement de l'industrie des semi-conducteurs : la Chine continentale, premier marché mondial d'applications de semi-conducteurs, souhaite accélérer son rattrapage technologique face aux menaces pesant sur la sécurité de sa chaîne d'approvisionnement, afin de pallier sa dépendance actuelle vis-à-vis d'acteurs extérieurs sur des maillons clés tels que la production, les équipements et les matériaux ; les États-Unis, acteur majeur de la chaîne de valeur mondiale de l'industrie des semi-conducteurs, continueront de renforcer le contrôle des exportations d'équipements de fabrication de puces haut de gamme vers la Chine continentale et mettront en œuvre de nouvelles politiques pour faire face au déclin de leur capacité de production de plaquettes observé ces dernières années ; Taïwan et la Corée du Sud, qui affichent les plus fortes densités de production de plaquettes au monde, devraient continuer à impulser le développement des procédés de fabrication. Ces deux régions s'appuieront également sur leurs importantes capacités de production pour renforcer leur indépendance en matière de matériaux et d'équipements en amont.

orientation du développement des technologies avancées

Après 28 nanomètres, le procédé de gravure des transistors planaires a atteint ses limites, tandis que la technologie FinFET (transistor à ailettes) a poursuivi sa progression, suivant la loi de Moore et repoussant les limites de gravure en dessous de 10 nanomètres. Cependant, la technologie FinFET approche elle aussi de ses limites. Samsung sera le premier à adopter l'architecture GAA (grille enveloppante) pour la gravure en 3 nm, tandis que TSMC conservera l'architecture FinFET à 3 nm avant d'adopter l'architecture GAA à 2 nm. L'Institut taïwanais de recherche en technologies industrielles estime qu'Intel rencontre des difficultés de fabrication des plaquettes. Le procédé en 7 nanomètres (remarque : les trois entreprises ont des définitions différentes de la taille du procédé, ce qui rend toute comparaison numérique directe impossible) pourrait être retardé jusqu'en 2023 avant la production de masse. On s'attend à ce qu'Intel adopte également l'architecture GAA à 5 nanomètres.

Source : Institut de recherche en technologie industrielle de Taïwan

Le GAA, acronyme de Gate-All-Around, est un transistor à grille enveloppante, également appelé GAAFET. Ce concept a été proposé très tôt, dans un article publié en 1990 par le Dr Cor Claeys et son équipe de recherche à l'IMEC en Belgique. Le GAAFET est équivalent à une version améliorée du FinFET 3D. La structure du transistor a été modifiée : la grille et le drain ne sont plus des ailettes, mais de petits bâtonnets qui traversent verticalement la grille. Ainsi, la grille peut envelopper la source et le drain de tous côtés.

Source : Institut de recherche en technologie industrielle de Taïwan

Contrairement aux FinFET d'origine, où les semi-conducteurs de source et de drain étaient des ailettes (Fin), la grille est désormais constituée d'une ailette. De ce fait, les GAAFET et les FinFET 3D présentent de nombreuses similitudes dans leurs principes de fabrication, ce qui représente un avantage considérable pour les usines de fabrication. Le passage de trois à quatre surfaces de contact, voire leur division en plusieurs surfaces de quatre contacts, améliore significativement le contrôle du courant par la grille.

Comparée au procédé FinFET, la structure GAA présente une surface de contact de grille plus importante, ce qui améliore le contrôle du canal conducteur du transistor et réduit significativement les paramètres parasites tels que la capacité. Il en résulte une diminution de la tension de fonctionnement, du courant de fuite, de la consommation d'énergie et de la température de fonctionnement, favorisant ainsi l'intégration croissante et la poursuite de la loi de Moore.

Le processus de production requis pour la nouvelle structure étant similaire à celui des transistors à ailettes, les étapes clés restent quasiment identiques et les équipements et technologies existants peuvent être réutilisés. Pour TSMC et Samsung, il s'agit sans aucun doute de la solution de remplacement technologique la plus économique. Cependant, les exigences de précision de traitement de GAA ont encore augmenté, nécessitant des technologies de dépôt sélectif régionales et des capacités de traitement à l'échelle atomique. Par conséquent, l'importance accrue de l'ingénierie des matériaux générera également de nouvelles opportunités commerciales pour les équipements de dépôt et de gravure.

Le marché des équipements frontaux pour semi-conducteurs est contrôlé par les cinq géants.

Bien que plus de 80 % des équipements mondiaux soient destinés à l'Asie de l'Est en 2020, mis à part le Japon, la Chine (continentale et Taïwan) et la Corée du Sud n'exercent qu'une influence limitée sur ce secteur. Les cinq principaux fabricants mondiaux d'équipements pour la partie front-end de la production de semi-conducteurs (fabrication de plaquettes, l'encapsulation constituant la partie back-end) – Applied Materials (AMAT), ASML (ASML), Lam (Lam), Tokyo Electronics (TEL) et KLA (KLA) – représentent plus de 70 % des parts de marché. Parmi eux, seul Tokyo Electronics a son siège social en Asie de l'Est ; les autres sont des entreprises américaines et européennes.

Source : Institut de recherche en technologie industrielle de Taïwan

Plus précisément, Applied Materials s'est classée première. Son chiffre d'affaires en 2020 s'élevait à 17.2 milliards de dollars américains, dont environ 70 % provenaient du secteur des semi-conducteurs. Applied Materials propose une vaste gamme d'équipements pour semi-conducteurs, notamment des équipements de dépôt physique en phase vapeur (PVD) qui représentent 38 % du marché mondial, des équipements de polissage chimico-mécanique (CMP) qui représentent 70 %, des équipements de gravure qui représentent 15 % et des implanteurs ioniques qui représentent 67 %.

ASML se classe deuxième, avec un chiffre d'affaires de 13.98 milliards d'euros en 2020. Fabricant majeur de machines de lithographie, ASML est actuellement le seul fournisseur mondial de machines de lithographie EUV (ultraviolet extrême). Grâce aux efforts de TSMC, Samsung et Intel pour développer des procédés avancés, ASML a vendu 31 machines de lithographie EUV en 2020, pour un total de 4.5 milliards d'euros. Ces 31 machines ont représenté à elles seules 32 % de son chiffre d'affaires total. ASML collabore actuellement avec ses partenaires de la chaîne d'approvisionnement pour développer conjointement des technologies de lithographie plus sophistiquées. Par exemple, elle lancera plusieurs systèmes de détection et de balayage de faisceaux d'électrons en 2020, limitant l'interférence entre les faisceaux à moins de 2 %, ce qui est adapté aux procédés supérieurs à 5 nanomètres. ASML coopère également avec LAM et imec pour développer une technologie de photorésine sèche afin d'améliorer la résolution EUV et de réduire la quantité de photorésine nécessaire. Elle coopère également avec Lasertec pour développer une nouvelle génération de technologies d'inspection des masques EUV afin de réduire les coûts, et avec TSMC pour développer une nouvelle génération de technologies de nettoyage des masques EUV afin de réduire les coûts.

En 2020, le chiffre d'affaires de Tokyo Electronics dans le secteur des équipements s'élevait à 10.37 milliards de dollars américains, la plaçant au troisième rang mondial. Sa part de marché dans le domaine des équipements de revêtement et de développement représente 91 % du marché mondial. Parmi ces équipements, les machines de revêtement et de développement EUV représentent la totalité de cette part, les machines de gravure 25 %, les équipements de dépôt 37 % et les équipements de nettoyage 27 %. De 2020 à 2022, Tokyo Electronics prévoit d'investir 400 milliards de yens dans la R&D, en se concentrant sur le dépôt sélectif, la gravure intelligente, le nettoyage par fluide supercritique et d'autres axes technologiques.

En 2020, le chiffre d'affaires de Lam Semiconductor s'élevait à 10.05 milliards de dollars américains, la plaçant au quatrième rang mondial. Leader mondial des équipements de gravure, Lam réalise 57 % de son chiffre d'affaires grâce à la fabrication de mémoires et 43 % grâce aux technologies logiques. Parmi les cinq premiers fabricants d'équipements, Lam est la seule entreprise dont l'activité mémoire représente plus de 50 % de son chiffre d'affaires. Comme mentionné précédemment, Lam et ASML collaborent avec imec au développement d'une technologie de photorésine sèche EUV.

En 2020, le chiffre d'affaires de Kelei Semiconductor s'élevait à 5.81 milliards de dollars américains, la plaçant au cinquième rang mondial. Leader mondial des équipements d'inspection de plaquettes, Kelei détient plus de 50 % de parts de marché. L'entreprise investit également dans le développement de technologies de mesure des défauts par faisceau d'électrons pour les structures inférieures à 5 nanomètres, notamment pour la mesure des contraintes et des déformations, ainsi que pour l'inspection multifaisceaux.

Source : Institut de recherche en technologie industrielle de Taïwan

Selon les estimations de l'Institut de recherche industrielle de Taïwan, le marché mondial des principaux équipements pour semi-conducteurs devrait connaître une forte croissance dans les prochaines années. À l'exception des équipements de lithographie DUV (ultraviolet profond), tous les autres équipements afficheront une croissance positive. Parmi eux, le dépôt de couches atomiques (ALD) présente le taux de croissance le plus élevé, avec une croissance annuelle moyenne prévue de 26.3 % entre 2020 et 2025. Les équipements EUV se classent deuxièmes en termes de taux de croissance, avec une croissance annuelle moyenne à deux chiffres. Les équipements EUV occupent la première place en termes de valeur. Leurs ventes devraient atteindre 12.55 milliards de dollars américains en 2025, dépassant ainsi celles des machines de gravure et faisant d'eux l'équipement pour semi-conducteurs le plus vendu de chaque segment.

Source : Institut de recherche en technologie industrielle de Taïwan

Les fabricants d'équipements chinois ont encore un long chemin à parcourir.

Comparativement aux fabricants internationaux, un fossé important existe entre les fabricants chinois d'équipements, tant en termes de volume de ventes que de technologie. Selon les données de l'Association de l'industrie des équipements électroniques spéciaux, les ventes d'équipements pour semi-conducteurs en Chine s'élevaient à 16.182 milliards de yuans en 2019, soit environ la moitié du chiffre d'affaires des cinq principaux acteurs du secteur, Kelei (4.6 milliards de dollars US). En octobre 2020, l'association estimait que les ventes d'équipements pour semi-conducteurs en Chine atteindraient 21.3 milliards de yuans en 2020, ce qui représente toujours moins de 60 % du chiffre d'affaires de Kelei (5.8 milliards de dollars US).

Comparaison des principales entreprises nationales et étrangères d'équipements pour semi-conducteurs (au 6 janvier 2021)

Source : Deppon Securities

Techniquement, l'industrie des semi-conducteurs de mon pays n'a pas encore atteint le stade de la recherche et du développement des procédés avancés (3 nanomètres et moins) et ne permet pas actuellement la production nationale de procédés quasi-standards tels que le 28 nanomètres. La plupart des équipements commercialisés par les fabricants nationaux reposent encore sur des lignes de production utilisant des procédés éprouvés. Prenons l'exemple des machines de lithographie, qui suscitent un vif intérêt : en Chine, ce sont principalement les machines de Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (ci-après « Shanghai Microelectronics ») qui en sont responsables. Les produits phares de Shanghai Microelectronics répondent uniquement aux exigences des procédés de lithographie de 90 et 110 nanomètres.

Cependant, certains secteurs participent déjà à la compétition technologique de pointe. Par exemple, China Micro Semiconductor a été reconnue par TSMC dans le domaine de la gravure CCP et a intégré sa ligne de production 7 nm/5 nm ; Northern Huachuang se distingue particulièrement dans le domaine des équipements de gravure ICP, et la gravure au-delà de 28 nm y est désormais industrialisée. Concernant les procédés avancés, les équipements de gravure du silicium ont franchi le cap des 14 nm et ont intégré le Centre de R&D des circuits intégrés de Shanghai.

Conformément à l'objectif « Made in China 2025 », les composants de base et les matériaux essentiels des semi-conducteurs devraient atteindre un taux d'autonomie de 40 % en 2020 et un taux de localisation de 70 % en 2025. Cependant, d'après les appels d'offres publics de dix fabricants de plaquettes chinois, tels que Yangtze Memory et Huali Microelectronics, entre 2017 et le premier trimestre 2021, le taux de localisation reste bien en deçà de l'objectif. De 2017 à 2019, ces dix fabricants ont lancé des appels d'offres pour un total de 4 197 équipements, dont 431 étaient de fabrication chinoise, soit un taux de localisation d'environ 10.3 %. De 2020 au premier trimestre 2021, ces dix usines ont lancé des appels d'offres pour un total de 1 862 équipements, dont 315 étaient de fabrication chinoise. On estime que le taux de localisation actuel est de 17 %, soit une augmentation de plus de 6 points de pourcentage entre 2017 et 2019.

À gauche : Taux de localisation des dix principaux équipements de fabrication de plaquettes de silicium de 2017 à 2019

À droite : Taux de localisation des équipements dans les dix principales usines de fabrication de plaquettes au premier trimestre 2020-2021

Source : Deppon Securities

Cependant, le secteur chinois des équipements pour semi-conducteurs a également connu une évolution très positive ces dernières années. Sur le plan technologique, des entreprises telles que China Micro Semiconductor, Northern Huachuang et Yitang Semiconductor se rapprochent des leaders mondiaux dans les domaines de la gravure, du dépôt, du décapage à sec, du nettoyage et de l'implantation ionique. En termes de parts de marché, certains produits ont dépassé les 20 %, ce qui a fortement impacté la position des fabricants internationaux d'équipements pour semi-conducteurs.

Il ressort des informations relatives aux appels d'offres publiés par les dix principaux fabricants de semi-conducteurs que, de 2017 au premier trimestre 2021, le taux de localisation des équipements de dégommage à sec a atteint 45.5 %, tandis que les taux de localisation des équipements de nettoyage (30.6 %), de gravure (22.2 %) et de polissage (21.6 %) étaient tous supérieurs à 20 %, et ceux des équipements pour tubes de four (14.7 %) et de développement de colle (10 %) étaient également supérieurs à 10 %. Le taux de localisation des équipements de dépôt (8.5 %) et des équipements de test en amont (5.2 %) est relativement faible, se situant entre 5 % et 10.0 %. Les écarts les plus importants concernent les implanteurs ioniques (2.4 %), les équipements de test en aval (1.9 %) et les machines de photolithographie (1.6 %).

Après le début de l'année 2020, le taux de localisation s'accélérera. D'après les données d'ouverture des appels d'offres des dix principaux fabricants de plaquettes, au premier trimestre 2020-2021, le taux de localisation des équipements de polissage, de gravure, de tubes de four et d'encollage et de développement a progressé de plus de 10 % par rapport à la période 2017-2019.

Au vu de l'évolution du secteur mondial des équipements pour semi-conducteurs, à mesure que les procédés de fabrication approchent de leurs limites physiques, le développement d'une nouvelle génération d'équipements devient de plus en plus complexe. Prenons l'exemple des machines de lithographie EUV : ce projet, lancé dès les années 1990, a mobilisé près de 200 instituts de recherche issus de plus de 40 pays (dont plus de 100 européens). De la recherche fondamentale à l'intégration des systèmes, en passant par la recherche technique, l'ensemble du système de R&D a investi plus de 100 milliards de yuans, dépassant ainsi le chiffre d'affaires total de l'industrie chinoise des équipements au cours des dix dernières années.

Yin Zhiyao, président de China Microelectronics Semiconductor, a également déclaré lors d'un entretien avec les médias que les semi-conducteurs ont atteint un niveau de précision atomique. La fabrication de dispositifs semi-conducteurs avec une telle précision exige l'intégration de connaissances et de technologies issues de plus de 50 disciplines. Il a souligné que la gravure plasma permet de réaliser des pores dont le diamètre est de un millième à un cent millième de l'épaisseur d'un cheveu, et que la précision, l'uniformité et la répétabilité du diamètre des trous peuvent atteindre des dizaines de milliers à un cent millième de l'épaisseur d'un cheveu. Une machine de gravure traite plus d'un million de milliards de trous de contact fins et profonds chaque année, et la quasi-totalité de ces trous doivent être parfaitement ouverts.

Les équipements pour semi-conducteurs doivent non seulement permettre une fabrication très fine, mais surtout garantir l'uniformité, la stabilité, la répétabilité, la fiabilité et la propreté. C'est la seule façon de satisfaire à l'exigence fondamentale de la fabrication de plaquettes : le taux de qualification des puces. Pour assurer un taux de réussite acceptable (par exemple, 90 %), chaque étape de traitement et de fabrication doit présenter un taux de réussite extrêmement élevé, car les puces fabriquées selon les procédés les plus avancés nécessitent actuellement 1 000 étapes. Si le taux de réussite de chaque étape est de 99.9 %, le taux de réussite final après 1 000 étapes n'est que de 36.77 %.

En tant que composante essentielle de l'industrie manufacturière intelligente moderne et pilier de l'industrie mondiale de l'information, la fabrication de puces laisse rarement aux nouveaux fabricants d'équipements la possibilité d'expérimenter et de se tromper. Après tous les efforts déployés pour développer le prototype, seule une petite partie des équipements de développement et de production est achevée. Le plus difficile est de convaincre le fabricant de plaquettes de participer aux essais, au risque de voir le taux de qualification et la capacité de production diminuer. Yin Zhiyao a expliqué qu'une fois le prototype réalisé et le client disposé à collaborer, il doit réussir au moins 80 tests rigoureux pour satisfaire aux exigences du fabricant de plaquettes.

Au vu de l'expérience passée des fabricants internationaux, l'industrie des équipements doit stabiliser le marché et éviter toute avancée précipitée. Elle doit investir dans la recherche et le développement à long terme et consolider ses fondements techniques. Comme l'a souligné Yin Zhiyao, la fabrication d'équipements pour semi-conducteurs requiert la collaboration de 50 disciplines, une tâche aussi complexe que la réalisation de deux bombes atomiques et d'un satellite. « Seules deux ou trois entreprises au monde sont capables de fabriquer la pompe moléculaire à sustentation magnétique, un composant essentiel de l'industrie des semi-conducteurs. Tout cela exige une accumulation technologique de longue haleine. »

Grâce à la mondialisation, l'industrie des semi-conducteurs a atteint son niveau actuel. Cependant, depuis l'arrivée au pouvoir de l'administration Trump, les États-Unis ont instrumentalisé cette industrie dans une guerre technologique contre la Chine, fragilisant gravement le mécanisme de confiance mutuelle au sein de la chaîne d'approvisionnement établi par l'industrie mondiale de l'électronique et de l'information. En tant que principal pôle de production de l'industrie mondiale de l'électronique et de l'information, il est crucial de créer une nouvelle chaîne d'approvisionnement en semi-conducteurs, indépendante des enjeux géopolitiques. Lorsqu'une technologie réalise une véritable percée sur le marché (par exemple, en atteignant 20 % de parts de marché), les restrictions prévues par l'Accord de Wassenaar perdent leur pertinence. Aujourd'hui, l'amélioration effective du taux de localisation des équipements est devenue un facteur clé du développement harmonieux de l'industrie mondiale de l'électronique et de l'information. L'essor rapide de la production de plaquettes de silicium en Chine a offert aux fabricants chinois d'équipements pour semi-conducteurs un vaste marché et de nombreuses opportunités d'expérimentation. Il s'agit là d'une occasion historique exceptionnelle pour ces fabricants.

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