Полупроводники достигли уровня обработки на атомном уровне. Производство полупроводниковых устройств с такой точностью требует интеграции знаний и технологий из более чем 50 дисциплин. Более того, точность обработки — это лишь одно измерение. Выход годных изделий имеет решающее значение для производства полупроводников. Поэтому однородность, стабильность, повторяемость, надежность и чистота — все это важно. Существует более 1,000 передовых звеньев в процессе производства полупроводников. Если в каком-либо звене возникнет проблема, будет сложно производить микросхемы, отвечающие требованиям к производительности и выходу годных изделий.

Согласно статистике исследовательской организации SEMI, в 2020 году материковый Китай впервые стал крупнейшим в мире региональным рынком полупроводникового оборудования, объем продаж которого вырос на 39% по сравнению с предыдущим годом и составил 18.72 млрд долларов США; Тайвань занял второе место, объем продаж производителей оборудования на Тайване достиг 17.15 млрд долларов США в 2020 году; Южная Корея заняла третье место, объем продаж вырос на 61% по сравнению с предыдущим годом и составил 16.08 млрд долларов США; Япония заняла четвертое место, объем продаж также достиг 7.58 млрд долларов США. Восточная Азия стала центром глобальной гонки вооружений в полупроводниковой отрасли, потратив в 2020 году в общей сложности 59.53 млрд долларов США, что составляет 83.6% от общего объема мировых расходов на полупроводниковое оборудование (71.2 млрд долларов США) в том году. (Напоминание: для получения информации, связанной с полупроводниковым оборудованием, пожалуйста, перейдите в административную панель для ответа.)Полупроводниковое оборудование】получать)

В связи с усилением геополитического влияния на цепочку поставок полупроводников, конкуренция за инвестиции в производственные мощности полупроводниковых компаний на различных региональных рынках в 2021 году станет ожесточенной. TSMC и Samsung скорректировали свои планы капитальных затрат на полупроводники в 2021 году, увеличив их до более чем 30 миллиардов долларов США. Обе компании отчаянно конкурируют за прогресс в массовом производстве передовых технологических процессов. Обе рассчитывают начать массовое производство 3-нанометровых процессов в 2022 году. По призыву правительства США TSMC и Samsung также создадут заводы в Соединенных Штатах. Нет сомнений, что 2021 год станет еще одним рекордным годом для производителей полупроводникового оборудования. Однако из-за соответствующих ограничений материковый Китай не может закупать высокотехнологичные машины для EUV-литографии и другое оборудование, и ему может быть трудно сохранить свои позиции крупнейшего рынка оборудования.

Согласно данным Тайваньского института промышленных технологий (далее – Тайваньский институт промышленных технологий), различные региональные рынки преследуют разные цели в развитии полупроводниковой промышленности: материковый Китай, как крупнейший в мире рынок применения полупроводников, несомненно, надеется ускорить технологическое развитие в условиях угроз безопасности цепочки поставок, чтобы смягчить текущую ситуацию, когда ключевые звенья, такие как производство, оборудование и материалы, контролируются другими; а Соединенные Штаты, как лидер глобальной цепочки полупроводниковой промышленности, будут продолжать усиливать экспортный контроль за оборудованием для производства высокотехнологичных чипов в материковый Китай, а также вводить новые меры для решения проблемы снижения мощностей по производству кремниевых пластин в США в последние годы; как два региона с самой высокой плотностью производства кремниевых пластин в мире, Тайвань и Южная Корея, как ожидается, будут продолжать лидировать в развитии процессов производства кремниевых пластин. Эти два региона также будут использовать свои мощные производственные возможности для повышения независимости от материалов и оборудования на начальных этапах производства.

Направление развития передовых технологий

После 28 нанометров процесс планарных транзисторов достиг своего предела, и технология FinFET (fin-транзистор) продолжила действие закона Мура, сдвинув технологический узел ниже нынешних 10 нанометров. Однако путь FinFET приближается к своему пределу. Samsung первой внедрит структуру GAA (gate all around) на 3-нм техпроцессе, в то время как TSMC продолжит использовать структуру FinFET на 3-нм узле, а затем перейдет к структуре GAA на 2-нм узле. Тайваньский научно-исследовательский институт промышленных технологий считает, что Intel столкнулась с проблемами в производстве кремниевых пластин. 7-нанометровый техпроцесс (примечание: у трех компаний разные определения размера техпроцесса, и прямое численное сравнение не подходит) может быть отложен до 2023 года, прежде чем начнется массовое производство. Ожидается, что Intel также перейдет на архитектуру GAA на 5-нанометровом узле.

Источник: Тайваньский научно-исследовательский институт промышленных технологий

GAA, полное название Gate-All-Around (затвор со всех сторон), — это транзистор с технологией обертывания затвора, также называемый GAAFET. Концепция была предложена очень рано, в статье, опубликованной доктором Кором Клейсом и его исследовательской группой в IMEC в Бельгии в 1990 году. GAAFET эквивалентен улучшенной версии 3D FinFET. Структура транзистора в рамках этой технологии снова изменилась. Затвор и сток больше не являются ребрами, а становятся «маленькими стержнями», проходящими вертикально через затвор. Таким образом, затвор может обертывать исток и сток со всех сторон.

Источник: Тайваньский научно-исследовательский институт промышленных технологий

По сравнению с FinFET, первоначальные полупроводники истока и стока представляли собой ребра (Fin), но теперь затвор также стал реберным. Поэтому GAAFET и 3D FinFET имеют много общего в принципах и идеях реализации, что является большим преимуществом для фабрик. Переход от трех контактных поверхностей к четырем, а также разделение на несколько четырехконтактных поверхностей, очевидно, значительно улучшили способность затвора управлять током.

По сравнению с FinFET-технологией, структура GAA имеет большую площадь затворного контакта, что улучшает способность транзистора контролировать проводящий канал и значительно снижает паразитные параметры, такие как емкость. Таким образом, это позволяет снизить рабочее напряжение, уменьшить ток утечки, снизить энергопотребление и рабочую температуру, что способствует повышению интеграции и продолжению действия закона Мура.

Поскольку производственный процесс, необходимый для новой структуры, аналогичен процессу изготовления транзисторов с ребристым кристаллом, ключевые этапы процесса практически идентичны, и можно продолжать использовать существующее оборудование и технологические достижения. Для TSMC и Samsung это, несомненно, наиболее экономичное решение по замене технологического пути. Однако требования GAA к точности обработки еще больше возросли, что потребовало применения технологии регионального селективного осаждения и возможностей обработки на атомном уровне. Поэтому возросшая важность материаловедения также будет способствовать расширению деловых возможностей для оборудования для осаждения и травления.

Рынок оборудования для обработки полупроводниковых компонентов контролируется пятью гигантами.

Хотя в 2020 году более 80% мирового рынка оборудования будет продано в Восточную Азию, помимо Японии, Китай (материковый регион плюс Тайвань) и Южная Корея не оказывают значительного влияния на отрасль производства оборудования. Пять крупнейших мировых производителей оборудования для производства полупроводниковых компонентов (то есть, производство пластин, упаковка — это заключительный этап) — Applied Materials (AMAT), ASML (ASML), Lam (Lam), Tokyo Electronics (TEL) и KLA (KLA) — занимают более 70% рынка. Среди них только Tokyo Electronics имеет штаб-квартиру в Восточной Азии, остальные — американские и европейские компании.

Источник: Тайваньский научно-исследовательский институт промышленных технологий

В частности, первое место заняла компания Applied Materials. Ее выручка в 2020 году составила 17.2 миллиарда долларов США, из которых около 70% приходилось на полупроводниковый бизнес. Applied Materials располагает широким спектром полупроводникового оборудования, включая оборудование для PVD-процессов (осаждение тонких пленок), на долю которого приходится 38% мирового рынка, оборудование для CMP-процессов (шлифовка и полировка), на долю которого приходится 70%, оборудование для травления, на долю которого приходится 15%, и установки для ионной имплантации, на долю которых приходится 67%.

Компания ASML занимает второе место с выручкой в ​​13.98 млрд евро в 2020 году. ASML является крупным производителем литографических машин и в настоящее время единственным в мире поставщиком машин для EUV-литографии (экстремального ультрафиолетового излучения). Благодаря стремлению TSMC, Samsung и Intel к разработке передовых процессов, ASML продала 31 машину для EUV-литографии в 2020 году на общую сумму 4.5 млрд евро. На эти 31 машину пришлось 32% от общей выручки компании. В настоящее время ASML работает с партнерами по цепочке поставок над совместной разработкой более совершенных технологий литографической обработки. Например, в 2020 году компания планирует запустить несколько систем обнаружения и сканирования электронного пучка, которые позволят ограничить интерференцию между электронными пучками до менее чем 2%, что подходит для процессов с технологическим узлом выше 5 нанометров. ASML также сотрудничает с Lam и imec в разработке технологии сухого фоторезиста для повышения разрешения EUV-литографии и уменьшения количества фоторезиста. Компания также сотрудничает с Lasertec в разработке нового поколения технологий контроля EUV-масок для снижения затрат, а также с TSMC в разработке нового поколения технологий очистки EUV-масок для снижения затрат.

Объем продаж оборудования Tokyo Electronics в 2020 году составил 10.37 млрд долларов США, что ставит компанию на третье место. Доля рынка оборудования для нанесения покрытий и проявления Tokyo Electronics составляет 91% мирового рынка, при этом на оборудование для нанесения покрытий и проявления в режиме EUV приходится весь рынок, на травильные машины — 25%, на оборудование для осаждения — 37%, а на оборудование для очистки — 27%. В период с 2020 по 2022 год Tokyo Electronics планирует инвестировать 400 млрд иен в НИОКР, сосредоточив внимание на селективном осаждении, интеллектуальном травлении, очистке сверхкритическими жидкостями и других технических направлениях.

Выручка Lam Semiconductor в 2020 году составила 10.05 млрд долларов США, что ставит компанию на четвертое место. Lam является мировым лидером в производстве оборудования для травления: на производство памяти приходится 57%, а на логические технологии — 43%. Это единственная компания среди пяти крупнейших производителей оборудования, на долю которой приходится более 50% бизнеса по производству памяти. Как упоминалось ранее, Lam и ASML работают с imec над разработкой технологии сухих фоторезистов EUV.

Выручка компании Kelei Semiconductor в 2020 году составила 5.81 млрд долларов США, что ставит её на пятое место в рейтинге. Kelei является мировым лидером в производстве оборудования для контроля качества полупроводниковых пластин, занимая более 50% рынка. Компания также инвестирует в разработку технологии измерения дефектов электронным лучом для структур размером менее 5 нанометров в области измерения деформации под воздействием напряжений и многолучевого контроля.

Источник: Тайваньский научно-исследовательский институт промышленных технологий

Согласно оценкам Тайваньского института промышленных исследований, в ближайшие несколько лет ключевое полупроводниковое оборудование продемонстрирует очень хорошие темпы роста. За исключением оборудования для DUV-литографии (глубокой ультрафиолетовой литографии), положительный рост будет наблюдаться и в других сегментах. Среди них наибольший темп роста демонстрирует ALD (атомно-слоевое осаждение), ожидаемый среднегодовой темп роста с 2020 по 2025 год составит 26.3%. Оборудование EUV занимает второе место по темпам роста, демонстрируя двузначный среднегодовой темп роста. По стоимости оборудование EUV занимает первое место. Ожидается, что к 2025 году объем продаж оборудования EUV достигнет 12.55 млрд долларов США, обогнав травильные машины и став полупроводниковым оборудованием с наибольшими продажами в каждом сегменте.

Источник: Тайваньский научно-исследовательский институт промышленных технологий

Китайским производителям оборудования предстоит пройти долгий путь.

По сравнению с международными производителями, китайские производители оборудования значительно отстают по масштабам продаж и технологиям. Согласно данным Ассоциации производителей специального электронного оборудования, объем продаж отечественного полупроводникового оборудования в 2019 году составил 16.182 млрд юаней, что составляет лишь около половины выручки пяти крупнейших игроков рынка, компании Kelei, в 2019 году (4.6 млрд долларов США). В октябре 2020 года ассоциация прогнозировала, что объем продаж отечественного полупроводникового оборудования в 2020 году составит 21.3 млрд юаней, что все еще менее чем на 60% меньше, чем у Kelei (5.8 млрд долларов США).

Сравнение крупнейших отечественных и зарубежных компаний-производителей полупроводникового оборудования (по состоянию на 6 января 2021 г.)

Источник: Deppon Securities

С технической точки зрения, в нашей стране полупроводниковое оборудование в основном еще не достигло стадии исследований и разработок передовых технологических процессов (3 нанометра и ниже) и в настоящее время не способно обеспечить отечественное производство квази-основных процессов, таких как 28 нанометров. Большинство коммерческих продуктов отечественных производителей оборудования по-прежнему основаны на зрелых производственных линиях. В качестве примера можно привести литографическую машину, привлекающую большое внимание общественности. В стране это в основном компания Shanghai Microelectronics Equipment Co., Ltd. (далее именуемая «Shanghai Microelectronics»). Основная продукция Shanghai Microelectronics соответствует требованиям литографических процессов 90 нанометров, 110 нанометров и других.

Однако есть и такие отрасли, которые уже участвовали в конкурсе передовых технологий. Например, компания China Micro Semiconductor получила признание TSMC в области травления CCP и внедрила свою производственную линию по выпуску 7-нм/5-нм техпроцессов; Northern Huachuang занимает лидирующие позиции в области оборудования для травления ICP, и оборудование для травления техпроцессов выше 28 нм уже внедрено в промышленность. Что касается передовых процессов, то оборудование для травления кремния преодолело рубеж 14-нм технологии и поступило в Шанхайский центр исследований и разработок интегральных схем.

Согласно цели программы «Сделано в Китае 2025», к 2020 году необходимо достичь 40% автономности основных компонентов и ключевых базовых материалов для полупроводниковых устройств, а к 2025 году — 70% локализации. Однако, согласно информации о тендерах десяти отечественных компаний-производителей полупроводниковых пластин, таких как Yangtze Memory и Huali Microelectronics, за период с 2017 года по первый квартал 2021 года, уровень локализации всё ещё далёк от целевого показателя. С 2017 по 2019 год эти десять производителей открыли тендеры на поставку в общей сложности 4,197 единиц оборудования, из которых 431 были китайского производства, при уровне локализации около 10.3%. С 2020 года по первый квартал 2021 года эти десять заводов открыли тендеры на поставку в общей сложности 1,862 единиц оборудования, из которых 315 были китайского производства. По оценкам, текущий уровень локализации составляет 17%, что на более чем 6 процентных пунктов больше, чем в 2017-2019 годах.

Слева: Показатель локализации десяти ведущих производителей оборудования для производства полупроводниковых пластин в период с 2017 по 2019 год.

Справа: Показатели локализации оборудования на десяти крупнейших заводах по производству кремниевых пластин в первом квартале 2020-2021 годов.

Источник: Deppon Securities

Однако, отечественное полупроводниковое оборудование также продемонстрировало очень позитивные изменения за последние несколько лет. С точки зрения технологий, компании, возглавляемые China Micro Semiconductor, Northern Huachuang и Yitang Semiconductor, уже приблизились к мировым лидерам в области травления, осаждения, сухой очистки, обработки и ионной имплантации. Что касается рыночной доли, то доля некоторых продуктов превысила 20%, что оказало сильное влияние на рыночные позиции международных производителей полупроводникового оборудования.

Как видно из данных тендеров, опубликованных десятью крупнейшими производителями кремниевых пластин, с 2017 года по первый квартал 2021 года уровень локализации оборудования для сухой дегуммирования достиг 45.5%, в то время как уровни локализации оборудования для очистки (30.6%), травления (22.2%) и полировки (21.6%) превысили 20%, а оборудования для печных трубок (14.7%) и оборудования для разработки клея (10.0%) превысили 10%. Уровень локализации оборудования для осаждения (8.5%) и оборудования для тестирования на начальном этапе (5.2%) относительно низок, всего от 5% до 10%. Наибольшие расхождения наблюдаются в показателях ионного имплантатора (2.4%), оборудования для тестирования на заключительном этапе (1.9%) и фотолитографических машин (1.6%).

После наступления 2020 года темпы локализации будут расти быстрее. Судя по данным о вскрытии заявок десяти крупнейших заводов по производству кремниевых пластин, в первом квартале 2020-2021 годов темпы локализации оборудования для полировки, травления, печного оборудования, а также оборудования для нанесения клея и разработки увеличились более чем на двузначные показатели по сравнению с темпами локализации в период с 2017 по 2019 год.

Судя по тенденциям развития мировой индустрии полупроводникового оборудования, по мере приближения полупроводникового процесса к физическому пределу разработка оборудования нового поколения становится все более сложной задачей. Взяв в качестве примера машины для EUV-литографии, можно отметить, что проект был инициирован еще в 1990-х годах. В нем участвовало около 200 научно-исследовательских учреждений из более чем 40 стран мира (Европа внесла более 100 вкладов). От фундаментальных исследований и технических разработок до системной интеграции, вся система НИОКР инвестировала более 100 миллиардов юаней, превысив общий доход отечественной индустрии оборудования за последние десять лет.

Председатель правления Китайской компании по производству микроэлектронных полупроводников Инь Чжияо также заявил в интервью СМИ, что полупроводники достигли уровня обработки на атомном уровне. Производство полупроводниковых устройств с такой точностью требует интеграции знаний и технологий из более чем 50 дисциплин. Он отметил, что плазменное травление позволяет создавать поры диаметром от одной тысячной до ста тысячных долей диаметра человеческого волоса, а точность, однородность и повторяемость диаметра отверстий могут достигать десятков тысяч до ста тысячных долей диаметра человеческого волоса. Травильный станок обрабатывает более миллиона триллионов тонких и глубоких контактных отверстий каждый год, и почти 100% отверстий должны быть полностью открыты.

Оборудование для производства полупроводников должно не только обеспечивать очень высокую точность обработки, но и, что наиболее важно, обеспечивать однородность, стабильность, повторяемость, надежность и чистоту. Только таким образом можно удовлетворить основное требование к производству кремниевых пластин, а именно – процент соответствия требованиям. Для обеспечения приемлемого процента соответствия (например, 90%) каждый этап обработки и производства требует чрезвычайно высокого процента соответствия, поскольку современные передовые технологические процессы производства микросхем включают 1,000 этапов. Если процент соответствия на каждом этапе составляет 99.9%, то после 1,000 этапов итоговый процент соответствия составит всего 36.77%.

Будучи представителем современного интеллектуального производства и опорой мировой информационной индустрии, производство микросхем редко предоставляет производителям нового оборудования возможность экспериментировать и совершать ошибки. После всей кропотливой работы по разработке прототипа, была завершена лишь небольшая часть работ по созданию и производству оборудования. Более сложной задачей стало убедить производителя кремниевых пластин помочь с тестовым запуском, рискуя при этом снижением процента соответствия требованиям и производственных мощностей. Инь Чжияо отметил, что после создания прототипа и согласия заказчика на сотрудничество, необходимо пройти не менее 80 строгих испытаний, чтобы в конечном итоге соответствовать требованиям завода по производству кремниевых пластин.

Судя по историческому опыту развития международных производителей, отрасли оборудования необходимо стабилизировать рынок и избегать необдуманных шагов. Необходимо инвестировать в долгосрочные исследования и разработки и укреплять свою техническую базу. Как сказал Инь Чжияо, для производства полупроводникового оборудования требуется сотрудничество 50 дисциплин, что не менее сложно, чем создание двух бомб и одного спутника. «Только две-три компании в мире могут производить магнитно-левитирующие молекулярные насосы, один из ключевых компонентов полупроводниковой промышленности. Все это требует долгосрочного накопления технологий».

Благодаря глобализации полупроводниковая промышленность развилась до нынешних масштабов. Однако с приходом к власти администрации Трампа Соединенные Штаты использовали полупроводниковую промышленность как оружие для технологической войны против Китая, что серьезно подорвало механизм взаимного доверия в цепочке поставок, ранее созданный мировой электронной информационной индустрией. Как важнейшая в мире производственная база электронной информационной индустрии, крайне важно создать новую цепочку поставок полупроводников, не подверженную влиянию геополитики. Когда технология действительно совершает реальный рыночный прорыв (например, занимает 20% рынка), соответствующие ограничения Вассенарского соглашения теряют свой смысл. В настоящее время ключевым фактором здорового развития мировой электронной информационной индустрии стало эффективное повышение уровня локализации производства оборудования. Быстрое расширение производства полупроводниковых пластин в Китае предоставило отечественным производителям полупроводникового оборудования широкое рыночное пространство и возможности для проб и ошибок. Для отечественных производителей полупроводникового оборудования это прекрасная историческая возможность.

Отказ от ответственности: Данная статья перепечатана с сайта "TechSugar". Эта статья отражает только личное мнение автора и не представляет точку зрения компании Sacco Micro и отрасли в целом. Перепечатка и распространение предназначены исключительно для защиты прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.