I semiconduttori hanno raggiunto la fase di lavorazione a livello atomico. La produzione di dispositivi a semiconduttore con questa precisione richiede l'integrazione di conoscenze e tecnologie provenienti da oltre 50 discipline. Inoltre, la precisione di lavorazione è solo una delle dimensioni. La resa è fondamentale per la produzione di semiconduttori. Pertanto, uniformità, stabilità, ripetibilità, affidabilità e pulizia sono tutte caratteristiche importanti. Esistono oltre 1,000 fasi avanzate del processo di lavorazione dei semiconduttori. Se si verifica un problema in una qualsiasi di queste fasi, sarà difficile produrre chip che soddisfino i requisiti di prestazioni e resa del prodotto.

Secondo le statistiche dell'organizzazione di ricerche di mercato SEMI, la Cina continentale è diventata per la prima volta nel 2020 il più grande mercato regionale al mondo per le apparecchiature per semiconduttori, con un aumento delle vendite del 39% su base annua, raggiungendo i 18.72 miliardi di dollari; Taiwan si è classificata al secondo posto, con vendite di apparecchiature pari a 17.15 miliardi di dollari nel 2020; la Corea del Sud si è classificata al terzo posto, con un aumento delle vendite del 61% su base annua, arrivando a 16.08 miliardi di dollari; il Giappone si è classificato al quarto posto, con vendite pari a 7.58 miliardi di dollari. L'Asia orientale è diventata l'altopiano della corsa globale agli armamenti dei semiconduttori, spendendo un totale di 59.53 miliardi di dollari nel 2020, pari all'83.6% della spesa globale totale per apparecchiature per semiconduttori (71.2 miliardi di dollari) in quell'anno. (Nota: per informazioni relative alle apparecchiature per semiconduttori, si prega di accedere al backend per rispondere [Apparecchiature a semiconduttore】ricevere)

A causa dell'intensificarsi dell'impatto geopolitico sulla catena di approvvigionamento dei semiconduttori, la competizione per gli investimenti in capacità produttiva di semiconduttori nei vari mercati regionali si intensificherà nel 2021. TSMC e Samsung hanno entrambe rivisto al rialzo i propri piani di spesa in conto capitale per i semiconduttori nel 2021, portandoli a oltre 30 miliardi di dollari. Le due aziende si contendono strenuamente il primato nello sviluppo della produzione di massa di processi avanzati. Entrambe prevedono di avviare la produzione di massa di processi a 3 nanometri nel 2022. Su richiesta del governo statunitense, TSMC e Samsung apriranno anche stabilimenti negli Stati Uniti. Non c'è dubbio che il 2021 sarà un altro anno eccezionale per i produttori di apparecchiature per semiconduttori. Tuttavia, a causa di restrizioni, la Cina continentale non è in grado di acquistare macchine per litografia EUV di fascia alta e altre apparecchiature, e potrebbe avere difficoltà a mantenere la sua posizione di maggiore mercato di apparecchiature.

Secondo il Taiwan Industrial Technology Research Institute (di seguito denominato Taiwan Industrial Technology Research Institute), i diversi mercati regionali hanno obiettivi differenti per lo sviluppo dell'industria dei semiconduttori: la Cina continentale, in quanto maggiore mercato mondiale per le applicazioni dei semiconduttori, spera indubbiamente di accelerare il recupero tecnologico, in un contesto di minacce alla sicurezza della catena di approvvigionamento, al fine di mitigare l'attuale situazione di controllo da parte di altri Paesi in anelli chiave come la produzione, le apparecchiature e i materiali; gli Stati Uniti, in quanto leader della catena globale dell'industria dei semiconduttori, continueranno a rafforzare il controllo sulle esportazioni di apparecchiature di fascia alta per la produzione di chip verso la Cina continentale e introdurranno nuove politiche per affrontare il calo della capacità produttiva di wafer negli Stati Uniti registrato negli ultimi anni; Taiwan e Corea del Sud, le due regioni con la più alta densità di produzione di wafer al mondo, dovrebbero continuare a guidare lo sviluppo dei processi di produzione di wafer. Queste due regioni sfrutteranno inoltre le loro solide capacità produttive per migliorare l'indipendenza a monte in termini di materiali e apparecchiature.

direzione per lo sviluppo di tecnologie avanzate

Dopo i 28 nanometri, il processo dei transistor planari ha raggiunto il suo limite e il FinFET (transistor a aletta) ha continuato a seguire la Legge di Moore, spingendo il nodo di processo al di sotto degli attuali 10 nanometri. Tuttavia, anche il processo FinFET si sta avvicinando al suo limite. Samsung sarà la prima ad adottare la struttura GAA (gate all around) nel processo a 3 nm, mentre TSMC continuerà con la struttura FinFET al nodo a 3 nm per poi adottare la struttura GAA al nodo a 2 nm. L'Istituto di Ricerca Tecnologica Industriale di Taiwan ritiene che Intel abbia incontrato difficoltà nella produzione di wafer. Il processo a 7 nanometri (nota: le tre aziende hanno definizioni diverse delle dimensioni del processo e non sono adatte a un confronto numerico diretto) potrebbe essere posticipato al 2023 prima della produzione di massa. Si prevede che Intel passerà all'architettura GAA anche al nodo a 5 nanometri.

Fonte: Istituto di ricerca sulla tecnologia industriale di Taiwan

GAA, acronimo di Gate-All-Around, è un transistor con tecnologia a gate avvolgente, noto anche come GAAFET. Il concetto fu proposto molto presto, in un articolo pubblicato dal Dr. Cor Claeys e dal suo team di ricerca presso l'IMEC in Belgio nel 1990. Il GAAFET è equivalente a una versione migliorata del FinFET 3D. La struttura del transistor in questa tecnologia è cambiata ulteriormente. Il gate e il drain non sono più alette, ma diventano "piccoli bastoncini" che attraversano verticalmente il gate. In questo modo, il gate può avvolgere il source e il drain su tutti i lati.

Fonte: Istituto di ricerca sulla tecnologia industriale di Taiwan

Rispetto al FinFET, i semiconduttori originali di source e drain erano alette (Fin), ma ora anche il gate è diventato un'aletta. Pertanto, GAAFET e 3D FinFET presentano molte similitudini nei principi e nelle idee di implementazione, il che rappresenta un grande vantaggio per le fabbriche di semiconduttori. Il passaggio da tre a quattro superfici di contatto, e la suddivisione in più di quattro superfici di contatto, dimostra chiaramente un ulteriore miglioramento nella capacità del gate di controllare la corrente.

Rispetto al processo FinFET, la struttura GAA presenta un'area di contatto del gate più ampia, che migliora la capacità del transistor di controllare il canale conduttivo e riduce significativamente i parametri parassiti come la capacità. Pertanto, consente di ridurre la tensione di esercizio, la corrente di dispersione, il consumo energetico e la temperatura di esercizio, favorendo una maggiore integrazione e il proseguimento della Legge di Moore.

Poiché il processo produttivo richiesto per la nuova struttura è simile a quello dei transistor a alette, le fasi chiave del processo sono pressoché identiche e si possono continuare a utilizzare le apparecchiature e le tecnologie già esistenti. Per TSMC e Samsung, questa rappresenta indubbiamente la soluzione di sostituzione tecnologica più economica. Tuttavia, i requisiti di precisione di processo di GAA sono ulteriormente aumentati, richiedendo tecnologie di deposizione selettiva regionale e capacità di elaborazione a livello atomico. Pertanto, la crescente importanza dell'ingegneria dei materiali genererà maggiori opportunità commerciali per le apparecchiature di deposizione e incisione.

Il mercato delle apparecchiature front-end per semiconduttori controllato dai cinque giganti

Sebbene nel 2020 oltre l'80% delle apparecchiature mondiali sarà venduto in Asia orientale, a parte il Giappone, la Cina (continentale più Taiwan) e la Corea del Sud non hanno molta influenza nel settore. I cinque principali produttori mondiali di apparecchiature front-end per semiconduttori (ovvero la produzione di wafer, mentre il packaging rappresenta il back-end) – Applied Materials (AMAT), ASML (ASML), Lam (Lam), Tokyo Electronics (TEL) e KLA (KLA) – detengono oltre il 70% della quota di mercato. Tra questi, solo Tokyo Electronics ha sede in Asia orientale, mentre gli altri sono aziende americane ed europee.

Fonte: Istituto di ricerca sulla tecnologia industriale di Taiwan

Nello specifico, Applied Materials si è classificata al primo posto. Il suo fatturato nel 2020 è stato di 17.2 miliardi di dollari, di cui circa il 70% proveniente dal settore dei semiconduttori. Applied Materials possiede una vasta gamma di apparecchiature per semiconduttori, tra cui apparecchiature PVD (deposizione di film sottili) che rappresentano il 38% del mercato mondiale, apparecchiature CMP (levigatura e lucidatura) che rappresentano il 70%, apparecchiature di incisione che rappresentano il 15% e impiantatori ionici che rappresentano il 67%.

ASML si posiziona al secondo posto, con un fatturato di 13.98 miliardi di euro nel 2020. ASML è un importante produttore di macchine per la litografia ed è attualmente l'unico fornitore al mondo di macchine per la litografia EUV (ultravioletto estremo). Grazie alla ricerca di processi avanzati da parte di TSMC, Samsung e Intel, ASML ha venduto 31 macchine per la litografia EUV nel 2020, per un totale di 4.5 miliardi di euro. Queste 31 macchine per la litografia EUV da sole hanno rappresentato il 32% del suo fatturato totale. Attualmente, ASML sta collaborando con i partner della catena di fornitura per sviluppare congiuntamente tecnologie di elaborazione litografica più sofisticate. Ad esempio, nel 2020 lancerà sistemi di rilevamento e scansione a fascio di elettroni multipli, limitando l'interferenza tra i fasci di elettroni a meno del 2%, il che è adatto a processi superiori al nodo a 5 nanometri. ASML sta inoltre collaborando con Lam e imec per sviluppare la tecnologia del fotoresist a secco per migliorare la risoluzione EUV e ridurre la quantità di fotoresist. Collabora inoltre con Lasertec per sviluppare una nuova generazione di tecnologia di ispezione delle maschere EUV per ridurre i costi, e collabora con TSMC per sviluppare una nuova generazione di tecnologia di pulizia delle maschere EUV per ridurre i costi.

Nel 2020, Tokyo Electronics ha registrato un fatturato di 10.37 miliardi di dollari nel settore delle apparecchiature, posizionandosi al terzo posto. La sua quota di mercato nel settore delle apparecchiature per la deposizione e lo sviluppo di rivestimenti rappresenta il 91% del mercato globale, di cui la totalità è costituita da macchine per la deposizione e lo sviluppo EUV, il 25% da macchine per l'incisione, il 37% da apparecchiature per la deposizione e il 27% da apparecchiature per la pulizia. Dal 2020 al 2022, Tokyo Electronics prevede di investire 400 miliardi di yen in fondi per la ricerca e sviluppo, concentrandosi su deposizione selettiva, incisione intelligente, pulizia con fluidi supercritici e altre direzioni tecnologiche.

Nel 2020, il fatturato di Lam Semiconductor si è attestato a 10.05 miliardi di dollari, posizionandola al quarto posto. Lam è leader mondiale nelle apparecchiature per l'incisione, con il 57% del suo business nella produzione di memorie e il 43% nella tecnologia logica. È l'unica azienda tra i primi cinque produttori di apparecchiature il cui business delle memorie rappresenta oltre il 50%. Come accennato in precedenza, Lam e ASML stanno collaborando con imec per sviluppare la tecnologia di fotoresist a secco EUV.

Nel 2020, Kelei Semiconductor ha registrato un fatturato di 5.81 miliardi di dollari, posizionandosi al quinto posto nella classifica mondiale. Kelei è leader globale nelle apparecchiature per l'ispezione di wafer, con una quota di mercato superiore al 50%. L'azienda investe inoltre nello sviluppo di tecnologie di misurazione dei difetti tramite fascio di elettroni per strutture di dimensioni inferiori a 5 nanometri, nell'ambito della misurazione della deformazione da stress e dell'ispezione multi-fascio.

Fonte: Istituto di ricerca sulla tecnologia industriale di Taiwan

Secondo le stime dell'Istituto di Ricerca Industriale di Taiwan, le principali apparecchiature per semiconduttori a livello mondiale registreranno un'ottima crescita nei prossimi anni. Ad eccezione delle apparecchiature per la litografia DUV (ultravioletto profondo), anche le altre apparecchiature mostreranno una crescita positiva. Tra queste, la deposizione a strati atomici (ALD) presenta il tasso di crescita più elevato, con una crescita media annua prevista del 26.3% dal 2020 al 2025. Le apparecchiature EUV si classificano al secondo posto per tasso di crescita, con una crescita media annua a doppia cifra. Le apparecchiature EUV si posizionano al primo posto in termini di valore. Si prevede che le vendite di apparecchiature EUV raggiungeranno i 12.55 miliardi di dollari nel 2025, superando le macchine per l'incisione e diventando le apparecchiature per semiconduttori con le vendite più elevate in ciascun segmento.

Fonte: Istituto di ricerca sulla tecnologia industriale di Taiwan

I produttori cinesi di attrezzature hanno ancora molta strada da fare.

Rispetto ai produttori internazionali, esiste un grande divario tra i produttori cinesi di apparecchiature in termini di volume di vendite e tecnologia. Secondo i dati dell'Associazione dell'industria delle apparecchiature elettroniche speciali, le vendite di apparecchiature per semiconduttori sul mercato interno nel 2019 ammontavano a 16.182 miliardi di yuan, pari a circa la metà del fatturato dei primi cinque produttori (Kelei) nel 2019 (4.6 miliardi di dollari). L'associazione ha stimato a ottobre 2020 che le vendite di apparecchiature per semiconduttori sul mercato interno nel 2020 avrebbero raggiunto i 21.3 miliardi di yuan, ancora meno del 60% di quelle di Kelei (5.8 miliardi di dollari).

Confronto tra le principali aziende nazionali ed estere produttrici di apparecchiature per semiconduttori (al 6 gennaio 2021)

Fonte: Deppon Securities

Technically, my country's semiconductor equipment has basically not yet participated in the research and development stage of advanced processes (3 nanometers and below), and it is currently unable to support the national production of quasi-mainstream processes such as 28 nanometers. Most domestic equipment manufacturers' commercial products are still based on mature process production lines. Taking the lithography machine that attracts high social attention as an example, domestically it is mainly Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (referred to as "Shanghai Microelectronics"). Shanghai Microelectronics' mainstream products can only meet the lithography process requirements of 90 nanometer, 110 nanometer and other processes.

Ma ci sono anche alcuni settori che hanno già partecipato alla competizione sulle tecnologie avanzate. Ad esempio, China Micro Semiconductor è stata riconosciuta da TSMC nel campo dell'incisione CCP e ha avviato la sua linea di produzione a 7 nm/5 nm; Northern Huachuang si distingue per le sue apparecchiature di incisione ICP e ha industrializzato apparecchiature di incisione superiori a 28 nm. Per quanto riguarda i processi avanzati, le apparecchiature per l'incisione del silicio hanno superato la tecnologia a 14 nm e sono entrate a far parte del Centro di Ricerca e Sviluppo per Circuiti Integrati di Shanghai.

Secondo l'obiettivo "Made in China 2025", i componenti di base e i materiali chiave per i semiconduttori dovrebbero raggiungere un tasso di autonomia del 40% entro il 2020 e un tasso di localizzazione del 70% entro il 2025. Tuttavia, secondo le informazioni sulle gare d'appalto pubbliche di dieci aziende cinesi produttrici di wafer, come Yangtze Memory e Huali Microelectronics, dal 2017 al primo trimestre del 2021, il tasso di localizzazione è ancora lontano dall'obiettivo. Dal 2017 al 2019, questi dieci produttori hanno indetto gare d'appalto per un totale di 4,197 apparecchiature, di cui 431 erano apparecchiature di produzione cinese, con un tasso di localizzazione di circa il 10.3%. Dal 2020 al primo trimestre del 2021, questi dieci stabilimenti hanno indetto gare d'appalto per un totale di 1,862 apparecchiature, di cui 315 erano apparecchiature di produzione cinese. Si stima che l'attuale tasso di localizzazione sia del 17%, con un incremento di oltre 6 punti percentuali tra il 2017 e il 2019.

Left: Localization rate of top ten wafer fab equipment from 2017 to 2019

A destra: Tasso di localizzazione delle apparecchiature nei dieci principali stabilimenti di produzione di wafer nel primo trimestre 2020-2021

Fonte: Deppon Securities

However, domestic semiconductor equipment has also shown very positive changes in the past few years. In terms of technology, companies led by China Micro Semiconductor, Northern Huachuang and Yitang Semiconductor are already close to the world's first-class manufacturers in the fields of etching, deposition, dry stripping, cleaning, and ion implantation. In terms of market share, the market share of some products has exceeded 20%, which has launched a strong impact on the market position of international semiconductor equipment manufacturers.

Dai dati sulle offerte pubblicati dalle prime dieci fabbriche di wafer si evince che, dal 2017 al primo trimestre del 2021, il tasso di localizzazione delle apparecchiature per la degommazione a secco ha raggiunto il 45.5%, mentre i tassi di localizzazione delle apparecchiature per la pulizia (30.6%), per l'incisione (22.2%) e per la lucidatura (21.6%) sono risultati tutti superiori al 20%, e quelli delle apparecchiature per i tubi del forno (14.7%) e per lo sviluppo della colla (10.0%) sono entrambi superiori al 10%. Il tasso di localizzazione delle apparecchiature per la deposizione (8.5%) e per i test front-end (5.2%) è relativamente basso, attestandosi tra il 5% e il 10%. Le maggiori lacune si riscontrano negli impiantatori ionici (2.4%), nelle apparecchiature per i test back-end (1.9%) e nelle macchine per la fotolitografia (1.6%).

After entering 2020, the localization rate will increase faster. Judging from the bid opening data of the top ten wafer fabs, in the first quarter of 2020 to 2021, the localization rate of polishing equipment, etching equipment, furnace tube equipment and glue coating and development equipment all increased by more than double digits compared with the localization rate in the 2017 to 2019 stage.

A giudicare dall'andamento dello sviluppo dell'industria globale delle apparecchiature per semiconduttori, con l'avvicinarsi dei limiti fisici dei processi di fabbricazione dei semiconduttori, diventa sempre più difficile sviluppare una nuova generazione di apparecchiature. Prendendo ad esempio le macchine per la litografia EUV, il progetto è stato avviato già negli anni '1990. Vi hanno partecipato quasi 200 istituti di ricerca provenienti da oltre 40 paesi del mondo (di cui più di 100 europei). Dalla ricerca di base alla ricerca tecnologica fino all'integrazione di sistema, l'intero sistema di ricerca e sviluppo ha richiesto investimenti per oltre 100 miliardi di yuan, superando il fatturato totale dell'industria delle apparecchiature del mio paese negli ultimi dieci anni.

Yin Zhiyao, presidente di China Microelectronics Semiconductor, ha dichiarato in un'intervista ai media che i semiconduttori hanno raggiunto un livello di lavorazione a livello atomico. La produzione di dispositivi a semiconduttore con questa precisione richiede l'integrazione di conoscenze e tecnologie provenienti da oltre 50 discipline. Ha sottolineato che la tecnica di incisione al plasma ha permesso di realizzare pori con un diametro compreso tra un millesimo e un centomillesimo di quello di un capello umano, e che la precisione, l'uniformità e la ripetibilità del diametro dei fori possono raggiungere valori compresi tra decine di migliaia e centomillesimi di quello di un capello umano. Una macchina per l'incisione elabora ogni anno oltre un milione di trilioni di fori di contatto sottili e profondi, e quasi il 100% di questi fori deve essere completamente aperto.

Le apparecchiature per semiconduttori non devono solo essere in grado di raggiungere una lavorazione estremamente precisa, ma soprattutto devono garantire uniformità, stabilità, ripetibilità, affidabilità e pulizia. Solo in questo modo è possibile soddisfare il requisito fondamentale della produzione di wafer, ovvero il tasso di qualificazione dei chip. Per garantire un tasso di successo accettabile (ad esempio, il 90%), ogni fase del processo produttivo richiede un tasso di successo estremamente elevato, poiché i chip realizzati con processi avanzati attualmente richiedono 1,000 fasi di lavorazione. Se il tasso di successo di ogni singola fase è del 99.9%, il tasso di successo finale dopo 1,000 fasi sarà solo del 36.77%.

In quanto rappresentante della moderna produzione intelligente e pilastro fondamentale dell'industria informatica globale, la produzione di chip raramente offre ai produttori di nuove apparecchiature l'opportunità di sperimentare e commettere errori. Dopo tutto il duro lavoro di sviluppo del prototipo, solo una piccola parte delle apparecchiature di sviluppo e produzione è stata completata. La parte più difficile è convincere il produttore di wafer a collaborare alla fase di test, pur correndo il rischio di una diminuzione del tasso di qualificazione e della capacità produttiva. Yin Zhiyao ha affermato che, una volta realizzato il prototipo e ottenuta la collaborazione del cliente, questo deve superare almeno 80 rigorosi test per soddisfare finalmente i requisiti della fabbrica di wafer.

A giudicare dall'esperienza storica di sviluppo dei produttori internazionali, l'industria delle apparecchiature deve stabilizzare il mercato ed evitare passi falsi. Deve investire in ricerca e sviluppo a lungo termine e consolidare le proprie basi tecniche. Come ha affermato Yin Zhiyao, le apparecchiature per semiconduttori richiedono la collaborazione di 50 discipline, un'impresa non meno complessa di quella di costruire due bombe e un satellite. "Solo due o tre aziende al mondo sono in grado di realizzare la pompa molecolare a levitazione magnetica, uno dei componenti chiave dell'industria dei semiconduttori. Tutto richiede un accumulo tecnologico a lungo termine."

Grazie alla globalizzazione, l'industria dei semiconduttori ha raggiunto le dimensioni attuali. Tuttavia, dall'insediamento dell'amministrazione Trump, gli Stati Uniti hanno utilizzato l'industria dei semiconduttori come arma per lanciare una guerra tecnologica contro la Cina, compromettendo seriamente il meccanismo di fiducia reciproca nella catena di approvvigionamento precedentemente instaurato dall'industria elettronica e informatica globale. Essendo la Cina la base produttiva più importante al mondo per l'industria elettronica e informatica, è fondamentale creare una nuova catena di approvvigionamento di semiconduttori non influenzata dalla geopolitica. Quando una tecnologia raggiunge un vero e proprio successo di mercato (ad esempio, una quota di mercato del 20%), le relative restrizioni previste dall'Accordo di Wassenaar perdono di significato. Attualmente, la capacità di migliorare efficacemente il tasso di localizzazione delle apparecchiature è diventata un fattore chiave per il sano sviluppo dell'industria elettronica e informatica globale. La rapida espansione della Cina nella produzione di wafer ha offerto ai produttori nazionali di apparecchiature per semiconduttori un ampio spazio di mercato e opportunità di sperimentazione. Per i produttori cinesi di apparecchiature per semiconduttori, questa rappresenta un'eccellente opportunità storica.

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