Halfgeleiders worden nu op atomair niveau verwerkt. Het produceren van halfgeleidercomponenten met deze precisie vereist de integratie van kennis en technologie uit meer dan 50 disciplines. Bovendien is verwerkingsnauwkeurigheid slechts één aspect. Opbrengst is cruciaal voor de halfgeleiderproductie. Uniformiteit, stabiliteit, herhaalbaarheid, betrouwbaarheid en reinheid zijn daarom allemaal van groot belang. Er zijn meer dan 1,000 geavanceerde schakels in het halfgeleiderverwerkingsproces. Als er zich een probleem voordoet in een van deze schakels, wordt het moeilijk om chips te produceren die voldoen aan de productprestatie- en opbrengsteisen.

Volgens statistieken van marktonderzoeksbureau SEMI werd China in 2020 voor het eerst de grootste regionale markt voor halfgeleiderapparatuur ter wereld, met een omzetstijging van 39% op jaarbasis tot 18.72 miljard dollar. Taiwan stond op de tweede plaats, met een omzet van 17.15 miljard dollar in 2020. Zuid-Korea volgde op de derde plaats met een omzetstijging van 61% op jaarbasis tot 16.08 miljard dollar. Japan stond op de vierde plaats met een omzet van 7.58 miljard dollar. Oost-Azië is uitgegroeid tot het epicentrum van de wereldwijde wapenwedloop in de halfgeleidersector, met een totale besteding van 59.53 miljard dollar in 2020, goed voor 83.6% van de totale wereldwijde uitgaven aan halfgeleiderapparatuur (71.2 miljard dollar) in dat jaar. (Let op: voor informatie over halfgeleiderapparatuur kunt u terecht in de backend.)Halfgeleiderapparatuur】ontvangen)

Door de toenemende invloed van geopolitiek op de toeleveringsketen van halfgeleiders zal de concurrentie om investeringen in productiecapaciteit in diverse regionale markten in 2021 heviger worden. TSMC en Samsung hebben hun investeringsplannen voor halfgeleiders voor 2021 beide verhoogd naar meer dan 30 miljard dollar. De twee bedrijven concurreren fel om de massaproductie van geavanceerde processen. Beide verwachten in 2022 3-nanometerprocessen op grote schaal te kunnen produceren. Op verzoek van de Amerikaanse overheid zullen TSMC en Samsung ook fabrieken in de Verenigde Staten vestigen. 2021 zal ongetwijfeld opnieuw een topjaar worden voor fabrikanten van halfgeleiderapparatuur. Vanwege relevante beperkingen kan China echter geen hoogwaardige EUV-lithografiemachines en andere apparatuur aanschaffen, waardoor het land zijn positie als grootste afnemer van halfgeleiderapparatuur mogelijk moeilijk kan behouden.

Volgens het Taiwan Industrial Technology Research Institute (hierna Taiwan Industrial Technology Research Institute genoemd) hebben verschillende regionale markten verschillende doelen voor de ontwikkeling van de halfgeleiderindustrie: China, 's werelds grootste afzetmarkt voor halfgeleiders, hoopt ongetwijfeld de technologische inhaalslag te versnellen, met name in een context van bedreigingen voor de veiligheid van de toeleveringsketen, om de huidige situatie van dominantie in belangrijke schakels zoals productie, apparatuur en materialen te verlichten; de Verenigde Staten, als leider van de wereldwijde halfgeleiderindustrie, zullen de exportcontrole van hoogwaardige chipfabricageapparatuur naar China blijven versterken en tevens nieuw beleid introduceren om de afname van de Amerikaanse waferproductiecapaciteit in de afgelopen jaren aan te pakken; Taiwan en Zuid-Korea, de twee regio's met de hoogste waferproductiedichtheid ter wereld, zullen naar verwachting de ontwikkelingstrend van waferproductieprocessen blijven aanvoeren. Deze twee regio's zullen hun sterke productiecapaciteiten ook gebruiken om de onafhankelijkheid van materialen en apparatuur in de toeleveringsketen te vergroten.

Ontwikkelingsrichting geavanceerde technologie

Na 28 nanometer bereikte het planaire transistorproces zijn limiet, en FinFET (fin transistor) zette de wet van Moore voort door de procesnode onder de huidige 10 nanometer te brengen. De FinFET-route nadert echter zijn limiet. Samsung zal als eerste de GAA-structuur (gate all around) toepassen op het 3nm-proces, terwijl TSMC de FinFET-structuur zal blijven gebruiken op de 3nm-node en vervolgens de GAA-structuur zal implementeren op de 2nm-node. Het Taiwanese Industrial Technology Research Institute is van mening dat Intel problemen ondervindt met de waferproductie. Het 7-nanometerproces (let op: de drie bedrijven hanteren verschillende definities van procesgrootte en zijn daarom niet geschikt voor een directe numerieke vergelijking) zal mogelijk pas in 2023 op grote schaal in productie gaan. Naar verwachting zal Intel ook overstappen op de GAA-architectuur op de 5-nanometer-node.

Bron: Taiwan Industrial Technology Research Institute

GAA, de volledige naam van Gate-All-Around, is een transistor met een omwikkelende gate-technologie, ook wel GAAFET genoemd. Het concept werd al vroeg voorgesteld, in een artikel gepubliceerd door Dr. Cor Claeys en zijn onderzoeksteam bij IMEC in België in 1990. GAAFET is equivalent aan een verbeterde versie van de 3D FinFET. De transistorstructuur is bij deze technologie opnieuw veranderd. De gate en drain zijn niet langer vinnen, maar "kleine staafjes" die verticaal door de gate lopen. Op deze manier kan de gate de source en drain aan alle kanten omwikkelen.

Bron: Taiwan Industrial Technology Research Institute

In vergelijking met FinFET, waar de oorspronkelijke source- en drain-halfgeleiders vinnen waren, is nu de gate een vin geworden. Daarom vertonen GAAFET en 3D FinFET veel overeenkomsten in hun implementatieprincipes en ideeën - wat een groot voordeel is voor chipfabrikanten. Van drie contactoppervlakken naar vier contactoppervlakken, en zelfs opgesplitst in meerdere vier contactoppervlakken, is het duidelijk dat het vermogen van de gate om de stroom te regelen verder is verbeterd.

Vergeleken met het FinFET-proces heeft de GAA-structuur een groter gate-contactoppervlak, wat het vermogen van de transistor om het geleidende kanaal te controleren verbetert en parasitaire parameters zoals capaciteit aanzienlijk verbetert. Hierdoor kan de bedrijfsspanning, de lekstroom, het stroomverbruik en de bedrijfstemperatuur worden verlaagd, wat bijdraagt ​​aan een grotere integratie en de voortzetting van de Wet van Moore.

Omdat het productieproces voor de nieuwe structuur vergelijkbaar is met dat van fin-transistoren, zijn de belangrijkste processtappen vrijwel hetzelfde en kan bestaande apparatuur en technologische ontwikkeling worden hergebruikt. Voor TSMC en Samsung is dit ongetwijfeld de meest kostenefficiënte oplossing voor de vervanging van hun technologie. De eisen van GAA ten aanzien van verwerkingsnauwkeurigheid zijn echter verder toegenomen, waardoor regionale selectieve depositietechnologie en verwerkingsmogelijkheden op atomair niveau nodig zijn. De toegenomen rol van materiaalkunde zal daarom ook leiden tot meer zakelijke kansen voor depositie- en etsapparatuur.

De markt voor front-end apparatuur voor halfgeleiders wordt gedomineerd door de vijf giganten.

Hoewel in 2020 meer dan 80% van de wereldwijde apparatuur aan Oost-Azië zal worden verkocht, hebben China (vasteland plus Taiwan) en Zuid-Korea, afgezien van Japan, weinig invloed op de apparatuurindustrie. De vijf grootste fabrikanten van halfgeleiderapparatuur voor de front-end (dat wil zeggen waferproductie; de ​​verpakking is de back-end) – Applied Materials (AMAT), ASML (ASML), Lam (Lam), Tokyo Electronics (TEL) en KLA (KLA) – zijn goed voor meer dan 70% van het marktaandeel. Van deze vijf bedrijven is alleen Tokyo Electronics gevestigd in Oost-Azië; de rest zijn Amerikaanse en Europese bedrijven.

Bron: Taiwan Industrial Technology Research Institute

Applied Materials stond specifiek op de eerste plaats. De omzet in 2020 bedroeg 17.2 miljard dollar, waarvan ongeveer 70% afkomstig was uit de halfgeleideractiviteiten. Applied Materials beschikt over een breed scala aan halfgeleiderapparatuur, waaronder PVD-apparatuur (thin film deposition) die 38% van de wereldmarkt vertegenwoordigt, CMP-apparatuur (grinding and polishing) die 70% vertegenwoordigt, etsapparatuur die 15% vertegenwoordigt en ionenimplantatieapparatuur die 67% vertegenwoordigt.

ASML staat op de tweede plaats met een omzet van 13.98 miljard euro in 2020. ASML is een belangrijke fabrikant van lithografiemachines en momenteel de enige leverancier ter wereld van EUV-lithografiemachines (extreem ultraviolet). Dankzij de inspanningen van TSMC, Samsung en Intel op het gebied van geavanceerde processen verkocht ASML in 2020 31 EUV-lithografiemachines ter waarde van 4.5 miljard euro. Deze 31 EUV-lithografiemachines waren goed voor 32% van de totale omzet. ASML werkt momenteel samen met partners in de toeleveringsketen aan de gezamenlijke ontwikkeling van geavanceerdere lithografietechnologie. Zo zal het bedrijf in 2020 meerdere systemen voor elektronenbundeldetectie en -scanning introduceren, waarmee de interferentie tussen elektronenbundels wordt beperkt tot minder dan 2%. Dit is geschikt voor processen boven de 5-nanometerknoop. ASML werkt ook samen met Lam en imec aan de ontwikkeling van droge fotolaktechnologie om de EUV-resolutie te verbeteren en de hoeveelheid fotolak te verminderen. Het bedrijf werkt ook samen met Lasertec aan de ontwikkeling van een nieuwe generatie EUV-maskerinspectietechnologie om de kosten te verlagen, en met TSMC aan de ontwikkeling van een nieuwe generatie EUV-maskerreinigingstechnologie om de kosten te verlagen.

De omzet van Tokyo Electronics in 2020 bedroeg 10.37 miljard dollar, waarmee het bedrijf de derde plaats bekleedde. Tokyo Electronics heeft een marktaandeel van 91% in de wereldwijde markt voor coating- en ontwikkelapparatuur. EUV-coating- en ontwikkelmachines vertegenwoordigen het volledige marktaandeel, etsmachines 25%, depositieapparatuur 37% en reinigingsapparatuur 27%. Van 2020 tot 2022 is Tokyo Electronics van plan 400 miljard yen te investeren in onderzoek en ontwikkeling, met een focus op selectieve depositie, slim etsen, superkritische vloeistofreiniging en andere technische richtingen.

De omzet van Lam Semiconductor bedroeg in 2020 US$ 10.05 miljard, waarmee het bedrijf op de vierde plaats stond. Lam is wereldleider in etsapparatuur, waarbij de geheugenproductie 57% van het aandeel vertegenwoordigt en de logische technologie 43%. Het is het enige bedrijf in de top vijf van fabrikanten van apparatuur waarvan de geheugenactiviteiten meer dan 50% van het aandeel uitmaken. Zoals eerder vermeld, werken Lam en ASML samen met imec aan de ontwikkeling van EUV-droge fotolaktechnologie.

De omzet van Kelei Semiconductor bedroeg in 2020 US$ 5.81 miljard, waarmee het bedrijf de vijfde plaats bekleedde. Kelei is wereldleider in apparatuur voor waferinspectie en heeft een marktaandeel van meer dan 50%. Kelei investeert tevens in de ontwikkeling van elektronenbundeltechnologie voor defectmetingen aan structuren kleiner dan 5 nanometer, zowel voor spannings- en vervormingsmetingen als voor multi-beam inspectie.

Bron: Taiwan Industrial Technology Research Institute

Volgens schattingen van het Taiwanese Industrial Research Institute zal de belangrijkste halfgeleiderapparatuur ter wereld de komende jaren een zeer sterke groei doormaken. Met uitzondering van DUV-lithografieapparatuur (diep ultraviolet), zal de overige apparatuur een positieve groei laten zien. ALD (atomic layer deposition) kent de hoogste groeisnelheid, met een gemiddelde jaarlijkse groei van 26.3% tussen 2020 en 2025. EUV-apparatuur staat op de tweede plaats qua groeisnelheid, met een gemiddelde jaarlijkse groei van meer dan 10%. EUV-apparatuur is qua waarde koploper. De omzet van EUV-apparatuur zal naar verwachting in 2025 US$ 12.55 miljard bereiken, waarmee het etsmachines overtreft en de best presterende halfgeleiderapparatuur in elk segment wordt.

Bron: Taiwan Industrial Technology Research Institute

Chinese fabrikanten van apparatuur hebben nog een lange weg te gaan.

Vergeleken met internationale fabrikanten is er een grote kloof tussen Chinese fabrikanten van halfgeleiderapparatuur en internationale fabrikanten, zowel qua omzet als qua technologie. Volgens gegevens van de Electronic Special Equipment Industry Association bedroeg de omzet van Chinese halfgeleiderapparatuur in 2019 16.182 miljard yuan, wat slechts ongeveer de helft was van de omzet van Kelei, een van de vijf grootste spelers in de markt, in 2019 (4.6 miljard dollar). De vereniging schatte in oktober 2020 dat de omzet van Chinese halfgeleiderapparatuur in 2020 in totaal 21.3 miljard yuan zou bedragen, wat nog steeds minder dan 60% is van de omzet van Kelei (5.8 miljard dollar).

Vergelijking van de belangrijkste binnenlandse en buitenlandse bedrijven in de halfgeleiderapparatuursector (per 6 januari 2021)

Bron: Deppon Securities

Technisch gezien heeft de halfgeleiderindustrie in mijn land nog niet deelgenomen aan de onderzoeks- en ontwikkelingsfase van geavanceerde processen (3 nanometer en lager), en is ze momenteel niet in staat de nationale productie van quasi-gangbare processen zoals 28 nanometer te ondersteunen. De meeste commerciële producten van binnenlandse fabrikanten zijn nog steeds gebaseerd op productielijnen voor volgroeide processen. Neem bijvoorbeeld de lithografiemachine die veel maatschappelijke aandacht trekt: in China is dat voornamelijk Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (hierna "Shanghai Microelectronics" genoemd). De gangbare producten van Shanghai Microelectronics voldoen alleen aan de eisen voor lithografieprocessen van 90 nanometer, 110 nanometer en andere processen.

Maar er zijn ook enkele sectoren die al hebben deelgenomen aan de competitie voor geavanceerde technologieën. Zo is China Micro Semiconductor door TSMC erkend op het gebied van CCP-etsen en opgenomen in hun 7nm/5nm-productielijn; Northern Huachuang blinkt uit in ICP-etsapparatuur en heeft etsapparatuur voor processen boven de 28 nm geïndustrialiseerd. Wat betreft geavanceerde processen heeft siliciumetsapparatuur de 14nm-technologie doorbroken en is opgenomen in het Shanghai Integrated Circuit R&D Center.

Volgens de doelstelling "Made in China 2025" zouden de belangrijkste basiscomponenten en essentiële basismaterialen voor halfgeleiders in 2020 voor 40% autonoom geproduceerd moeten zijn en in 2025 voor 70% lokaal geproduceerd. Uit openbare aanbestedingsinformatie van tien Chinese waferfabrikanten, zoals Yangtze Memory en Huali Microelectronics, blijkt echter dat het lokale productiepercentage tussen 2017 en het eerste kwartaal van 2021 nog ver verwijderd is van de doelstelling. Van 2017 tot 2019 schreven deze tien fabrikanten offertes uit voor in totaal 4,197 apparaten, waarvan 431 in China geproduceerd waren, wat neerkomt op een lokaal productiepercentage van ongeveer 10.3%. Van 2020 tot het eerste kwartaal van 2021 schreven deze tien fabrikanten offertes uit voor in totaal 1,862 apparaten, waarvan 315 in China geproduceerd waren. Naar schatting bedraagt ​​het huidige lokalisatiepercentage 17%, een stijging van meer dan 6 procentpunten ten opzichte van 2017 tot 2019.

Links: Lokalisatiegraad van de tien meest gebruikte waferfabricageapparatuur van 2017 tot 2019.

Rechts: Locatiegraad van apparatuur in de tien grootste waferfabrieken in het eerste kwartaal van 2020-2021

Bron: Deppon Securities

De binnenlandse halfgeleiderapparatuursector heeft de afgelopen jaren echter ook zeer positieve veranderingen laten zien. Technologisch gezien behoren bedrijven als China Micro Semiconductor, Northern Huachuang en Yitang Semiconductor al tot de wereldtop op het gebied van etsen, depositie, droogstrippen, reinigen en ionenimplantatie. Sommige producten hebben een marktaandeel van meer dan 20%, wat een sterke impact heeft op de marktpositie van internationale fabrikanten van halfgeleiderapparatuur.

Uit de biedingsinformatie van de tien grootste waferfabrikanten blijkt dat het lokalisatiepercentage van droge ontgummingsapparatuur tussen 2017 en het eerste kwartaal van 2021 45.5% bedroeg. De lokalisatiepercentages van reinigingsapparatuur (30.6%), etsapparatuur (22.2%) en polijstapparatuur (21.6%) lagen allemaal boven de 20%, terwijl die van ovenbuisapparatuur (14.7%) en lijmontwikkelingsapparatuur (10.0%) beide boven de 10% lagen. Het lokalisatiepercentage van depositieapparatuur (8.5%) en front-end testapparatuur (5.2%) is relatief laag, slechts tussen de 5% en 10%. De grootste lacunes worden gevormd door ionenimplantatiemachines (2.4%), back-end testapparatuur (1.9%) en fotolithografiemachines (1.6%).

Na de start van 2020 zal de lokalisatiegraad sneller toenemen. Afgaande op de biedingsgegevens van de tien grootste waferfabrieken, is de lokalisatiegraad van polijstapparatuur, etsapparatuur, ovenbuisapparatuur en lijmcoating- en ontwikkelingsapparatuur in het eerste kwartaal van 2020 tot 2021 met meer dan dubbele cijfers gestegen ten opzichte van de lokalisatiegraad in de periode 2017-2019.

Afgaande op de ontwikkelingstrend van de wereldwijde halfgeleiderindustrie, wordt het steeds moeilijker om een ​​nieuwe generatie apparatuur te ontwikkelen naarmate het halfgeleiderproces de fysieke limiet nadert. Neem bijvoorbeeld EUV-lithografiemachines: het project hiervoor werd al in de jaren negentig gestart. Bijna 200 onderzoeksinstellingen uit meer dan 40 landen wereldwijd (waarvan meer dan 100 uit Europa) namen eraan deel. Van fundamenteel onderzoek en technisch onderzoek tot systeemintegratie, het gehele R&D-systeem investeerde meer dan 100 miljard yuan, een bedrag dat de totale omzet van de Chinese halfgeleiderindustrie in de afgelopen tien jaar overtrof.

Yin Zhiyao, voorzitter van China Microelectronics Semiconductor, zei in een interview met de media dat halfgeleiders het verwerkingsniveau van atomaire precisie hebben bereikt. Het produceren van halfgeleidercomponenten met deze precisie vereist de integratie van kennis en technologie uit meer dan 50 disciplines. Hij benadrukte dat plasma-etsen poriën kan creëren met een diameter van een duizendste tot een honderdduizendste van een mensenhaar, en dat de nauwkeurigheid, uniformiteit en herhaalbaarheid van de gatdiameter tienduizenden tot honderdduizendsten van een mensenhaar kan bedragen. Een etsmachine verwerkt jaarlijks meer dan een miljoen biljoen dunne en diepe contactgaten, en bijna 100% van de gaten moet volledig open zijn.

Halfgeleiderapparatuur moet niet alleen zeer nauwkeurige processen mogelijk maken, maar vooral uniformiteit, stabiliteit, herhaalbaarheid, betrouwbaarheid en reinheid zijn essentieel. Alleen zo kunnen we voldoen aan de kernvereiste van waferproductie: het kwalificatiepercentage van de chip. Om een ​​acceptabel slagingspercentage (bijvoorbeeld 90%) te garanderen, vereist elke verwerkings- en productiestap een extreem hoog slagingspercentage, omdat de huidige geavanceerde proceschips 1,000 processtappen doorlopen. Als het slagingspercentage van elke stap 99.9% is, is het uiteindelijke slagingspercentage na 1,000 stappen slechts 36.77%.

Als vertegenwoordiger van moderne intelligente productie en de onderliggende basis van de wereldwijde informatie-industrie, biedt de chipfabricage fabrikanten van nieuwe apparatuur zelden de kans om te experimenteren en fouten te maken. Na al het harde werk aan de ontwikkeling van het prototype is slechts een klein deel van de ontwikkelings- en productieapparatuur voltooid. Het moeilijkste is om de waferfabrikant te overtuigen mee te werken aan de testrun, met het risico dat het kwalificatiepercentage en de productiecapaciteit dalen. Yin Zhiyao zei dat, nadat het prototype is gemaakt en de klant bereid is mee te werken, het minstens 80 strenge testonderdelen moet doorstaan ​​om uiteindelijk aan de eisen van de waferfabriek te voldoen.

Afgaande op de historische ontwikkelingservaring van internationale fabrikanten, moet de halfgeleiderindustrie de markt stabiliseren en geen overhaaste stappen zetten. Er moet worden geïnvesteerd in onderzoek en ontwikkeling op de lange termijn en de technische basis moet worden versterkt. Zoals Yin Zhiyao zei, vereist de productie van halfgeleiderapparatuur de samenwerking van vijftig disciplines, wat niet minder moeilijk is dan het bouwen van twee atoombommen en een satelliet. "Slechts twee of drie bedrijven ter wereld kunnen de magnetisch zwevende moleculaire pomp produceren, een van de belangrijkste kerncomponenten van de halfgeleiderindustrie. Alles vereist een langdurige technologische ontwikkeling."

Dankzij globalisering heeft de halfgeleiderindustrie zich ontwikkeld tot de huidige omvang. Sinds de regering-Trump heeft de Verenigde Staten de halfgeleiderindustrie echter ingezet als wapen in een technologische oorlog tegen China. Dit heeft het eerder door de wereldwijde elektronische informatie-industrie opgebouwde mechanisme van wederzijds vertrouwen in de toeleveringsketen ernstig aangetast. Als 's werelds belangrijkste productiebasis voor de elektronische informatie-industrie is het cruciaal om een ​​nieuwe, niet door geopolitiek beïnvloede, toeleveringsketen voor halfgeleiders te creëren. Zodra een technologie daadwerkelijk een marktdoorbraak realiseert (bijvoorbeeld een marktaandeel van 20%), verliezen de bijbehorende beperkingen in het Akkoord van Wassenaar hun betekenis. Momenteel is de vraag of de mate van lokalisatie van apparatuur effectief kan worden verbeterd een cruciale factor voor de gezonde ontwikkeling van de wereldwijde elektronische informatie-industrie. De snelle expansie van de Chinese waferproductie heeft binnenlandse fabrikanten van halfgeleiderapparatuur een brede markt en mogelijkheden tot experimenteren geboden. Voor binnenlandse fabrikanten van halfgeleiderapparatuur is dit een uitstekende historische kans.

Disclaimer: Dit artikel is overgenomen van "TechSugar". Dit artikel geeft uitsluitend de persoonlijke mening van de auteur weer en vertegenwoordigt niet de standpunten van Sacco Micro en de sector. Het is uitsluitend bedoeld voor herpublicatie en verspreiding ter ondersteuning van de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk op het auteursrecht contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.

Telefoonnummer van het bedrijf: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li

Vraag: 332496225 Manager Qiu

Adres: Kamer 809, Gebouw C, Zhantao Technologiegebouw, Minzhilaan 1079, Longhua Nieuw District, Shenzhen