Os semicondutores atingiram o nível de processamento atômico. A fabricação de dispositivos semicondutores com essa precisão exige a integração de conhecimento e tecnologia de mais de 50 disciplinas. Além disso, a precisão do processamento é apenas uma dimensão. O rendimento é vital para a fabricação de semicondutores. Portanto, uniformidade, estabilidade, repetibilidade, confiabilidade e limpeza são todos importantes. Existem mais de 1,000 etapas avançadas de processamento de semicondutores. Se houver um problema em qualquer uma dessas etapas, será difícil fabricar chips que atendam aos requisitos de desempenho e rendimento do produto.

Segundo dados da organização de pesquisa de mercado SEMI, a China continental tornou-se o maior mercado regional de equipamentos semicondutores do mundo pela primeira vez em 2020, com um aumento de 39% nas vendas em relação ao ano anterior, atingindo US$ 18.72 bilhões; Taiwan ficou em segundo lugar, com vendas de fabricantes de equipamentos em Taiwan alcançando US$ 17.15 bilhões em 2020; a Coreia do Sul ficou em terceiro lugar, com um aumento de 61% nas vendas em relação ao ano anterior, chegando a US$ 16.08 bilhões; o Japão ficou em quarto lugar, com vendas também atingindo US$ 7.58 bilhões. O Leste Asiático tornou-se o epicentro da corrida armamentista global de semicondutores, com um gasto total de US$ 59.53 bilhões em 2020, representando 83.6% do gasto global total com equipamentos semicondutores (US$ 71.2 bilhões) naquele ano. (Lembrete: Para informações relacionadas a equipamentos semicondutores, acesse o painel administrativo e responda [Equipamento semicondutor】receber)

Devido ao impacto intensificado da geopolítica na cadeia de suprimentos de semicondutores, a competição por investimentos em capacidade de produção de semicondutores em diversos mercados regionais se acirrará em 2021. Tanto a TSMC quanto a Samsung ajustaram seus planos de investimento em semicondutores para 2021, elevando-os para mais de US$ 30 bilhões. As duas empresas competem acirradamente pelo avanço na produção em massa de processos avançados. Ambas esperam iniciar a produção em massa de processos de 3 nanômetros em 2022. A pedido do governo dos EUA, a TSMC e a Samsung também instalarão fábricas nos Estados Unidos. Não há dúvida de que 2021 será mais um ano excepcional para os fabricantes de equipamentos de semicondutores. No entanto, devido às restrições vigentes, a China continental não consegue adquirir máquinas de litografia EUV de ponta e outros equipamentos, o que pode dificultar a manutenção de sua posição como o maior mercado de equipamentos.

De acordo com o Instituto de Pesquisa de Tecnologia Industrial de Taiwan (doravante denominado Instituto de Pesquisa de Tecnologia Industrial de Taiwan), diferentes mercados regionais têm objetivos distintos para o desenvolvimento da indústria de semicondutores: como o maior mercado de aplicações de semicondutores do mundo, a China continental espera, sem dúvida, acelerar a convergência tecnológica em um contexto de ameaças à segurança da cadeia de suprimentos, a fim de atenuar a atual situação de controle externo em elos-chave, como fabricação, equipamentos e materiais; e os Estados Unidos, como líderes da cadeia produtiva global de semicondutores, continuarão a fortalecer o controle de exportação de equipamentos de fabricação de chips de alta tecnologia para a China continental, além de introduzir novas políticas para lidar com o declínio da capacidade de fabricação de wafers nos EUA nos últimos anos; como as duas regiões com a maior densidade de fabricação de wafers do mundo, espera-se que continuem a liderar a tendência de desenvolvimento dos processos de fabricação de wafers. Essas duas regiões também utilizarão suas fortes capacidades de fabricação para aprimorar a independência em relação a materiais e equipamentos a montante.

Direção de desenvolvimento de tecnologia avançada

Após 28 nanômetros, o processo de transistor planar atingiu seu limite, e o FinFET (transistor de aletas) continuou a Lei de Moore, impulsionando o nó de processo para abaixo dos atuais 10 nanômetros. No entanto, a rota FinFET está se aproximando de seu limite. A Samsung será a primeira a adotar a estrutura GAA (gate all around) no processo de 3 nm, enquanto a TSMC continuará com a estrutura FinFET no nó de 3 nm e, posteriormente, adotará a estrutura GAA no nó de 2 nm. O Instituto de Pesquisa de Tecnologia Industrial de Taiwan acredita que a Intel encontrou dificuldades na fabricação de wafers. O processo de 7 nanômetros (nota: as três empresas têm definições diferentes de tamanho de processo e não são adequadas para comparação numérica direta) pode ser adiado para 2023 antes da produção em massa. Espera-se que a Intel também mude para a arquitetura GAA no nó de 5 nanômetros.

Fonte: Instituto de Pesquisa de Tecnologia Industrial de Taiwan

GAA, sigla para Gate-All-Around (Porta Totalmente Envolvente), é um transistor com tecnologia de porta envolvente, também chamado GAAFET. O conceito foi proposto inicialmente, em um artigo publicado pelo Dr. Cor Claeys e sua equipe de pesquisa no IMEC, na Bélgica, em 1990. O GAAFET é equivalente a uma versão aprimorada do FinFET 3D. A estrutura do transistor, nessa tecnologia, foi alterada. A porta e o dreno não são mais aletas, mas sim "pequenas hastes" que atravessam a porta verticalmente. Dessa forma, a porta pode envolver a fonte e o dreno por todos os lados.

Fonte: Instituto de Pesquisa de Tecnologia Industrial de Taiwan

Em comparação com o FinFET, os semicondutores originais de fonte e dreno eram aletas (Fin), mas agora o gate também é uma aleta. Portanto, o GAAFET e o FinFET 3D apresentam muitas semelhanças em seus princípios e ideias de implementação, o que representa uma grande vantagem para as fábricas de semicondutores. A transição de três para quatro superfícies de contato, e até mesmo a divisão em várias superfícies de quatro contatos, demonstra uma melhoria significativa na capacidade do gate de controlar a corrente.

Em comparação com o processo FinFET, a estrutura GAA possui uma área de contato de porta maior, o que melhora a capacidade do transistor de controlar o canal condutor e reduz significativamente parâmetros parasitas como a capacitância. Portanto, é possível reduzir a tensão de operação, a corrente de fuga, o consumo de energia e a temperatura de operação, o que contribui para o aumento da integração e a continuidade da Lei de Moore.

Como o processo de produção necessário para a nova estrutura é semelhante ao dos transistores de aletas, as principais etapas do processo são praticamente as mesmas, e os equipamentos e avanços tecnológicos existentes podem continuar sendo utilizados. Para a TSMC e a Samsung, esta é, sem dúvida, a solução de substituição tecnológica de menor custo. No entanto, os requisitos de precisão de processamento da GAA aumentaram ainda mais, exigindo tecnologia de deposição seletiva regional e capacidades de processamento em nível atômico. Portanto, a crescente importância da engenharia de materiais também impulsionará mais oportunidades de negócios para equipamentos de deposição e corrosão.

O mercado de equipamentos front-end para semicondutores é controlado pelas cinco gigantes.

Embora mais de 80% dos equipamentos do mundo sejam vendidos para o Leste Asiático em 2020, além do Japão, a China (continente e Taiwan) e a Coreia do Sul não têm grande influência na indústria de equipamentos. Os cinco maiores fabricantes mundiais de equipamentos para a etapa de fabricação de wafers (a embalagem é a etapa final) da indústria de semicondutores — Applied Materials (AMAT), ASML (ASML), Lam (Lam), Tokyo Electronics (TEL) e KLA (KLA) — detêm mais de 70% do mercado. Dentre eles, apenas a Tokyo Electronics tem sede no Leste Asiático, sendo as demais empresas americanas e europeias.

Fonte: Instituto de Pesquisa de Tecnologia Industrial de Taiwan

Especificamente, a Applied Materials ficou em primeiro lugar. Sua receita em 2020 foi de US$ 17.2 bilhões, dos quais o segmento de semicondutores representou cerca de 70%. A Applied Materials possui uma ampla gama de equipamentos para semicondutores, incluindo equipamentos de PVD (deposição de filmes finos), que representam 38% do mercado mundial, equipamentos de CMP (retificação e polimento), que representam 70%, equipamentos de corrosão, que representam 15%, e implantadores iônicos, que representam 67%.

A ASML ocupa o segundo lugar, com receita de 13.98 bilhões de euros em 2020. A ASML é uma importante fabricante de máquinas de litografia e atualmente é a única fornecedora mundial de máquinas de litografia EUV (ultravioleta extremo). Graças à busca por processos avançados da TSMC, Samsung e Intel, a ASML vendeu 31 máquinas de litografia EUV em 2020, totalizando 4.5 bilhões de euros. Essas 31 máquinas de litografia EUV representaram 32% de sua receita total. Atualmente, a ASML está trabalhando com parceiros da cadeia de suprimentos para desenvolver em conjunto tecnologias de processamento de litografia mais sofisticadas. Por exemplo, lançará sistemas de detecção e varredura de múltiplos feixes de elétrons em 2020, que limitarão a interferência entre os feixes de elétrons a menos de 2%, o que é adequado para processos acima do nó de 5 nanômetros. A ASML também está cooperando com a Lam e o imec para desenvolver tecnologia de fotorresistente seco, visando melhorar a resolução EUV e reduzir a quantidade de fotorresistente necessária. A empresa também coopera com a Lasertec para desenvolver uma nova geração de tecnologia de inspeção de máscaras EUV, visando a redução de custos, e com a TSMC para desenvolver uma nova geração de tecnologia de limpeza de máscaras EUV, também com o objetivo de reduzir custos.

As vendas de equipamentos da Tokyo Electronics em 2020 foram de US$ 10.37 bilhões, colocando-a em terceiro lugar no ranking. A participação de mercado da Tokyo Electronics em equipamentos de revestimento e revelação representa 91% do mercado global, sendo que as máquinas de revestimento e revelação EUV detêm a maior participação, as máquinas de corrosão representam 25% do mercado mundial, os equipamentos de deposição 37% e os equipamentos de limpeza 27%. De 2020 a 2022, a Tokyo Electronics planeja investir 400 bilhões de ienes em fundos de P&D, com foco em deposição seletiva, corrosão inteligente, limpeza com fluido supercrítico e outras áreas tecnológicas.

A receita da Lam Semiconductor em 2020 foi de US$ 10.05 bilhões, ocupando o quarto lugar no ranking. A Lam é líder mundial em equipamentos de gravação, com seu negócio de fabricação de memória representando 57% do mercado e a tecnologia lógica, 43%. É a única empresa entre os cinco maiores fabricantes de equipamentos cujo negócio de memória representa mais de 50%. Como mencionado anteriormente, a Lam e a ASML estão trabalhando com o imec para desenvolver a tecnologia de fotorresistente seco EUV.

A receita da Kelei Semiconductor em 2020 foi de US$ 5.81 bilhões, ocupando o quinto lugar no ranking mundial. A Kelei é líder global em equipamentos de inspeção de wafers, detendo mais de 50% do mercado. A empresa também investe no desenvolvimento de tecnologia de medição de defeitos por feixe de elétrons para estruturas menores que 5 nanômetros, em medição de deformação por tensão e inspeção multifeixe.

Fonte: Instituto de Pesquisa de Tecnologia Industrial de Taiwan

Segundo estimativas do Instituto de Pesquisa Industrial de Taiwan, os principais equipamentos semicondutores do mundo apresentarão um forte ritmo de crescimento nos próximos anos. Com exceção dos equipamentos de litografia DUV (ultravioleta profundo), os demais equipamentos demonstrarão crescimento positivo. Entre eles, a deposição de camadas atômicas (ALD) apresenta a maior taxa de crescimento, com uma média anual de 26.3% prevista para o período de 2020 a 2025. Os equipamentos EUV ocupam o segundo lugar em taxa de crescimento, com uma média anual de dois dígitos. Os equipamentos EUV lideram em valor. A expectativa é que as vendas de equipamentos EUV alcancem US$ 12.55 bilhões em 2025, ultrapassando as máquinas de gravação e se tornando o equipamento semicondutor com maior volume de vendas em cada segmento.

Fonte: Instituto de Pesquisa de Tecnologia Industrial de Taiwan

Os fabricantes chineses de equipamentos ainda têm um longo caminho a percorrer.

Em comparação com os fabricantes internacionais, existe uma grande disparidade entre os fabricantes chineses de equipamentos em termos de escala de vendas e tecnologia. De acordo com dados da Associação da Indústria de Equipamentos Eletrônicos Especiais (ESIA), as vendas de equipamentos semicondutores no mercado interno em 2019 foram de 16.182 bilhões de yuans, o que representa apenas cerca de metade da receita da Kelei, uma das cinco maiores empresas do setor, no mesmo ano (US$ 4.6 bilhões). A associação estimou, em outubro de 2020, que as vendas de equipamentos semicondutores no mercado interno totalizariam 21.3 bilhões de yuans em 2020, valor ainda inferior a 60% do faturamento da Kelei (US$ 5.8 bilhões).

Comparação das principais empresas nacionais e estrangeiras de equipamentos semicondutores (em 6 de janeiro de 2021)

Fonte: Deppon Securities

Tecnicamente, os equipamentos semicondutores do meu país ainda não participaram da fase de pesquisa e desenvolvimento de processos avançados (3 nanômetros e abaixo) e, atualmente, não conseguem suportar a produção nacional de processos quase convencionais, como o de 28 nanômetros. A maioria dos produtos comerciais dos fabricantes nacionais de equipamentos ainda se baseia em linhas de produção com processos já consolidados. Tomando como exemplo a máquina de litografia que atrai grande atenção da sociedade, no mercado nacional, ela é fabricada principalmente pela Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (doravante denominada "Shanghai Microelectronics"). Os principais produtos da Shanghai Microelectronics atendem apenas aos requisitos de processos de litografia de 90 nanômetros, 110 nanômetros e outros.

Mas também existem alguns setores que já participam da competição por tecnologias avançadas. Por exemplo, a China Micro Semiconductor foi reconhecida pela TSMC na área de gravação CCP e já iniciou sua linha de produção de 7 nm/5 nm; a Northern Huachuang se destaca em equipamentos de gravação ICP, e equipamentos de gravação acima de 28 nm já foram industrializados. Em termos de processos avançados, os equipamentos de gravação de silício ultrapassaram a tecnologia de 14 nm e foram integrados ao Centro de P&D de Circuitos Integrados de Xangai.

De acordo com a meta "Made in China 2025", os componentes básicos de semicondutores e as principais matérias-primas devem atingir um índice de autonomia de 40% em 2020 e um índice de nacionalização de 70% em 2025. No entanto, segundo informações de licitações públicas de dez empresas nacionais de fabricação de wafers, como a Yangtze Memory e a Huali Microelectronics, entre 2017 e o primeiro trimestre de 2021, o índice de nacionalização ainda está longe da meta. De 2017 a 2019, esses dez fabricantes abriram licitações para um total de 4,197 equipamentos, dos quais 431 eram de fabricação chinesa, com um índice de nacionalização de aproximadamente 10.3%. De 2020 ao primeiro trimestre de 2021, essas dez fábricas abriram licitações para um total de 1,862 equipamentos, dos quais 315 eram de fabricação chinesa. Estima-se que a taxa atual de localização seja de 17%, um aumento de mais de 6 pontos percentuais entre 2017 e 2019.

À esquerda: Taxa de localização dos dez principais equipamentos de fabricação de wafers de 2017 a 2019.

À direita: Taxa de localização de equipamentos nas dez maiores fábricas de wafers no primeiro trimestre de 2020-2021.

Fonte: Deppon Securities

Contudo, o setor de equipamentos semicondutores nacional também apresentou mudanças muito positivas nos últimos anos. Em termos de tecnologia, empresas como a China Micro Semiconductor, a Northern Huachuang e a Yitang Semiconductor já estão próximas dos principais fabricantes mundiais nas áreas de corrosão, deposição, remoção a seco, limpeza e implantação iônica. Em termos de participação de mercado, a participação de alguns produtos ultrapassou os 20%, o que teve um forte impacto na posição de mercado dos fabricantes internacionais de equipamentos semicondutores.

Analisando as informações de licitação divulgadas pelas dez maiores fábricas de wafers, observa-se que, de 2017 ao primeiro trimestre de 2021, a taxa de nacionalização de equipamentos de desgomagem a seco atingiu 45.5%, enquanto as taxas de nacionalização de equipamentos de limpeza (30.6%), equipamentos de corrosão (22.2%) e equipamentos de polimento (21.6%) foram todas superiores a 20%, e as de equipamentos para tubos de forno (14.7%) e equipamentos para desenvolvimento de cola (10.0%) foram ambas superiores a 10%. A taxa de nacionalização de equipamentos de deposição (8.5%) e equipamentos de teste front-end (5.2%) é relativamente baixa, situando-se entre 5% e 10%. As maiores lacunas são nos implantadores iônicos (2.4%), equipamentos de teste back-end (1.9%) e máquinas de fotolitografia (1.6%).

Após a entrada em 2020, a taxa de nacionalização aumentará mais rapidamente. Analisando os dados de abertura de licitações das dez maiores fábricas de wafers, no primeiro trimestre de 2020 a 2021, a taxa de nacionalização de equipamentos de polimento, equipamentos de corrosão, equipamentos para tubos de forno e equipamentos de revestimento e desenvolvimento de cola aumentou em mais de dois dígitos em comparação com a taxa de nacionalização no período de 2017 a 2019.

A julgar pela tendência de desenvolvimento da indústria global de equipamentos semicondutores, à medida que o processo de fabricação de semicondutores se aproxima do limite físico, torna-se cada vez mais difícil desenvolver uma nova geração de equipamentos. Tomando como exemplo as máquinas de litografia EUV, o projeto foi iniciado já na década de 1990. Quase 200 instituições de pesquisa de mais de 40 países ao redor do mundo (com a participação de mais de 100 da Europa) participaram. Da pesquisa básica à pesquisa técnica e à integração de sistemas, todo o sistema de P&D investiu mais de 100 bilhões de yuans, superando a receita total da indústria de equipamentos do meu país nos últimos dez anos.

Yin Zhiyao, presidente da China Microelectronics Semiconductor, também afirmou em entrevista à imprensa que os semicondutores atingiram o nível de processamento em escala atômica. A fabricação de dispositivos semicondutores com essa precisão exige a integração de conhecimento e tecnologia de mais de 50 disciplinas. Ele destacou que a gravação a plasma permite a criação de poros com diâmetro de um milésimo a um centésimo milésimo da espessura de um fio de cabelo humano, e a precisão, uniformidade e repetibilidade do diâmetro dos orifícios podem chegar a dezenas de milhares a um centésimo milésimo da espessura de um fio de cabelo humano. Uma máquina de gravação processa mais de um milhão de trilhões de orifícios de contato finos e profundos por ano, e quase 100% dos orifícios devem ser completamente abertos.

Os equipamentos para semicondutores não devem apenas ser capazes de realizar processamentos de alta precisão, mas, principalmente, devem apresentar uniformidade, estabilidade, repetibilidade, confiabilidade e limpeza. Somente assim podemos atender ao requisito fundamental da fabricação de wafers: a taxa de qualificação de chips. Para garantir uma taxa de aprovação aceitável (por exemplo, 90%), cada etapa de processamento e fabricação exige uma taxa de aprovação extremamente alta, visto que os chips com processos avançados atuais requerem 1,000 etapas de processamento. Se a taxa de aprovação de cada etapa for de 99.9%, a taxa de aprovação final após 1,000 etapas será de apenas 36.77%.

Como representante da manufatura inteligente moderna e pilar fundamental da indústria global de informação, a fabricação de chips raramente dá aos fabricantes de novos equipamentos a oportunidade de experimentar e errar. Após todo o árduo trabalho de desenvolvimento do protótipo, apenas uma pequena parte do desenvolvimento e do equipamento de produção está concluída. A parte mais difícil é convencer o fabricante de wafers a colaborar com os testes, sob o risco de diminuir a taxa de aprovação e a capacidade de produção. Yin Zhiyao afirmou que, após a fabricação do protótipo e a aprovação do cliente, é necessário que ele passe por pelo menos 80 testes rigorosos para atender aos requisitos finais da fábrica de wafers.

A julgar pela experiência histórica de desenvolvimento de fabricantes internacionais, a indústria de equipamentos deve estabilizar o mercado e não fazer avanços precipitados. Deve investir em pesquisa e desenvolvimento a longo prazo e consolidar sua base tecnológica. Como disse Yin Zhiyao, o desenvolvimento de equipamentos semicondutores exige a colaboração de 50 disciplinas, o que é tão complexo quanto construir duas bombas e um satélite. "Apenas duas ou três empresas no mundo conseguem produzir a bomba molecular de levitação magnética, um dos componentes essenciais da indústria de semicondutores. Tudo requer um longo período de acumulação tecnológica."

Graças à globalização, a indústria de semicondutores atingiu sua escala atual. No entanto, desde a ascensão do governo Trump ao poder, os Estados Unidos têm utilizado a indústria de semicondutores como arma para travar uma guerra tecnológica contra a China, o que afetou seriamente o mecanismo de confiança mútua na cadeia de suprimentos previamente estabelecido pela indústria global de informação eletrônica. Como a base de manufatura mais importante do mundo para a indústria de informação eletrônica, é crucial criar uma nova cadeia de suprimentos de semicondutores que não seja afetada pela geopolítica. Sempre que uma tecnologia realmente alcança um avanço significativo no mercado (por exemplo, uma participação de mercado de 20%), as restrições correspondentes no Acordo de Wassenaar perdem seu significado. Atualmente, a capacidade de aumentar efetivamente a taxa de nacionalização de equipamentos tornou-se um fator-chave para o desenvolvimento saudável da indústria global de informação eletrônica. A rápida expansão da fabricação de wafers na China proporcionou aos fabricantes nacionais de equipamentos para semicondutores um amplo espaço de mercado e oportunidades de experimentação. Para os fabricantes nacionais de equipamentos para semicondutores, esta é uma excelente oportunidade histórica.

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