芯耀
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隨著集成電路芯片的特征尺寸不斷縮小，芯片的集成規(guī)模越來越大，對應的集成電路芯片制程設備的技術壁壘越高、制造難度越大、研發(fā)投入也越來越高。一條先進半導體產(chǎn)品的生產(chǎn)線投資中設備價值約占總投資規(guī)模的75%以上，由此衍生出巨大的設備需求市場。在集成電路制程設備中，晶圓制造設備的最終產(chǎn)品為硅片，主要受眾為晶圓制造廠，如日本信越化學（Shin-Estu）、日本三菱住友（SUMCO）、上海新昇等；光刻、刻蝕、鍍膜等設備主要用于芯片制造，主要受眾為芯片代工廠，如臺積電、中芯國際、上海華虹等，或為整合元件制造商，如英特爾（Intel）、三星（Samsung）等；封測設備主要用于芯片制造中與芯片制造完成后的系列工序，后者包括揀選、測試、貼片、鍵合等多個環(huán)節(jié)，設備受眾為專門的封測廠，如日月光、Amkor、長電科技等。
據(jù)智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國半導體設備行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查及投資發(fā)展?jié)摿蟾妗繁硎荆?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/5G/">5G/物聯(lián)網(wǎng)/人工智能等新技術的出現(xiàn)將驅(qū)動半導體行業(yè)發(fā)展，目前全球半導體設備已進入新一輪增長周期。如下圖所示，2021年，全球半導體制造設備銷售額高達約670億美元，約4200億元人民幣，相較于2020年，同比增長11%。半導體設備市場增長主要受益于三點：(1)新一代芯片制程工藝提升半導體設備的價格和數(shù)量。(2)5G/IoT/AI等新應用帶來芯片制造商擴產(chǎn)需求。(3)中國集成電路芯片自主可控趨勢下，中國半導體Fab大規(guī)模擴產(chǎn)時對半導體設備的增量需求。
國外市場分析
全球半導體設備市場集中度高，美日歐五大巨頭引領全球半導體設備市場。據(jù)Bloomberg數(shù)據(jù)，2020年全球五大半導體設備制造商分別為應用材料(AMAT)、阿斯麥(ASML)、泛林半導體(Lam Research)、東京電子(TEL)、科磊(KLA)，這五大半導體制造商憑借其領先的技術、強大的資金支持占據(jù)著全球半導體設備制造業(yè)超過65%的份額。下表1所示為2020年全球前十大半導體設備供應商排名，表2給出了2020年全球半導體設備企業(yè)主要產(chǎn)品分布情況。
細分領域術業(yè)有專攻，全球設備行業(yè)龍頭各顯神通占據(jù)世界領先地位。下面將對相關領域的主要企業(yè)作簡要介紹。
1.應用材料
美國應用材料公司（Applied Materials INC, AMAT）成立于1967年，目前是世界上最大的半導體設備供應商之一。其主營業(yè)務涵蓋三大模塊，具體包括:半導體系統(tǒng)(Semiconductor Systems)、應用材料全球服務(Applied Global Services )、顯示及相關市場(Display and Adjacent Markets)，分別占營業(yè)收入的63%，22%，14%，其中半導體系統(tǒng)主要開發(fā)、制造和銷售用于制造半導體芯片的各種設備，包括淀積(CVD、PVD等)、離子注入、刻蝕、快速熱處理、化學機械平整、計量檢驗等。全球服務模塊主要提供一系列提高晶圓廠效率的解決方案以及軟件服務，顯示器相關業(yè)務主要生產(chǎn)用于制造LED、OLED和其他顯示器件的設備。下圖所示為2020年應用材料業(yè)務構成占比。
按照應用材料公司的產(chǎn)品來看，主要有包括CVD、ALD、CMP等在類的12類設備，幾乎涵蓋集成電路芯片制造的全過程。
AMAT長期位居設備銷售額榜首，多種設備技術領先。近年來，AMAT一直憑借著在淀積、刻蝕、離子注入、熱處理等設備領域的領先技術獲得高市占率，名列銷售額榜首。2020年，全球前十大半導體設備生產(chǎn)商中，AMAT以163.6億美元的銷售額位居全球第一。
一直以來，美國應用材料在離子刻蝕和薄膜淀積領域都是行業(yè)中的佼佼者，在公司成立之初就專注于薄膜淀積領域，其產(chǎn)品占全球PVD設備市場近55%的份額和全球CVD設備市場近30%的份額。淀積設備利用氣相中發(fā)生的物理、化學過程，在工件表面形成功能性或裝飾性的金屬、非金屬或化合物涂層。在2011年，公司研發(fā)Centura系統(tǒng)原子淀積技術（ALD），一次可只淀積一層原子；2014年，公司研發(fā)Endura系統(tǒng)，能夠完成連續(xù)薄的阻擋層和種子層的硅通孔淀積。在2018年，公司推出采用全新設計的新型CENTURA 200毫米常壓厚硅外延反應室PRONTO。該反應室專為生產(chǎn)工業(yè)級高質(zhì)量厚硅（厚度為20～150μm）外延膜而設計，能使當前的外延膜生產(chǎn)效率最大化。
在刻蝕、清洗、平整化設備、離子注入設備、過程控制設備與自動化裝備市場，AMAT也占有一席之地。應用材料公司是除LAM和東京電子之外的該領域的第三大設備生產(chǎn)商，三家公司市占率占全球90%以上。公司研發(fā)的Etch系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)先進FinFET的原子級刻蝕控制，進一步縮減3D邏輯和存儲芯片尺寸，進而延續(xù)摩爾定律的勢頭。公司生產(chǎn)的VIISTA系列產(chǎn)品采用高密度、低能量工藝，在整個晶圓表面快速注入高濃度摻雜物，且產(chǎn)品注入系統(tǒng)的技術部署在通用的VIISTA平臺之上，這種通用性有助縮短第一次硅晶的時間，提升應用的生產(chǎn)效率，在離子注入工藝中存在廣泛的應用。
2.阿斯麥
阿斯麥（ASM Holding NV, ASML）是世界領先的半導體設備制造商之一，總部位于荷蘭，主要向全球集成電路生產(chǎn)企業(yè)提供領先的綜合性關鍵設備。公司的產(chǎn)品主要包括光刻機、量測設備和計算光刻解決方案等。作為全球光刻機行業(yè)龍頭，ASML生產(chǎn)的光刻機主要包括EUV光刻機和DUV光刻機，其中DUV光刻機分為浸入式和干式兩類，在EUV光刻機市場中表現(xiàn)出壟斷地位；公司的量測設備主要包括光學和電子束兩大類，ASML于2020年推出了具有九束光的第一代多光束檢測系統(tǒng)HMIeScan1000，可以用于5nm及以下工藝制程節(jié)點的檢測。
ASML的營業(yè)收入主要分為兩個部分，第一部分是系統(tǒng)收入，包括光刻機以及量測設備；第二部分是軟件和服務，主要包括計算光刻的軟件以及光刻機的維修升級服務等。近幾年，公司系統(tǒng)收入占比一直增加，2019年，系統(tǒng)收入達到89.96億歐元，占比76.12%；軟件和服務的收入達到28.24億歐元，占比33.88%。2010-2014年，受市場需求影響，公司光刻機出貨量連續(xù)下降。2015年后，市場需求開始反彈，2018年公司光刻機出貨量為224臺，已經(jīng)恢復到了2010年的水平。2019年ASML光刻機出貨量為229臺，創(chuàng)歷史新高。下圖1為ASML公司光刻機市場及2019年營業(yè)收入結構，圖2為ASML公司發(fā)展歷程。
3.泛林半導體
泛林半導體（LAM Research Corp）成立于1980年，是美國一家從事設計、制造、營銷和服務用于制造集成電路的半導體加工設備的公司，是向世界半導體產(chǎn)業(yè)提供晶圓制造設備和服務的主要供應商之一，也是全球最大的半導體刻蝕機廠商。Lam Research公司產(chǎn)品主要用于前端晶片處理，涉及有源元件的半導體器件和布線。同時為后端晶圓級封裝和相關制造市場提供設備。
Lam Research的產(chǎn)品結構中，主要由硅基刻蝕、介質(zhì)刺蝕、CVD，ALD、清洗和鍍銅設備組成，如下圖所示。根據(jù)2018年Gather數(shù)據(jù)，刻蝕設備在Lam Research收入中占比62%，隨著集成電路中器件互連層數(shù)增多，刻蝕設備的使用量不斷增大，Lam Research由于其刻蝕設備品類齊全，從65nm、45nm設備市場起逐步超過應用材料和東京電子成為行業(yè)第一。此外，Lam Research公司的CVD設備占比27%，清洗、鍍銅等工藝設備占比11%，Lam Research在硅基刻蝕中的市占率超過50%，穩(wěn)居第一，在介質(zhì)刻蝕中的市占率接近40%，住居第二，在CVD中的市占率約為27%，僅次于應用材料。
隨著半導體技術節(jié)點的進步，也極大促進了Lam Research公司的發(fā)展。1981年，F(xiàn)CC批準手機用于商業(yè)開發(fā)，同年Lam Research就開發(fā)出了第一臺自動刻蝕機；1995年，Lam Research半導體制程達到350nm，同年發(fā)布首款雙頻受限介質(zhì)蝕刻產(chǎn)品，技術節(jié)點為350nm；1999年半導體制程達到180nm，第二年Lam Research發(fā)布了2300?蝕刻平臺，并且推出了VECTOR?PECVD系統(tǒng)；2010年，半導體工藝節(jié)點達到32nm，同年推出用于晶圓級封裝的SABRE 3D ECD系統(tǒng)。
4.日本東京電子
東京電子公司（TOKYO Electron Inc）成立于1963年，是日本最大、世界第三的半導體設備公司。該公司的產(chǎn)品幾乎覆蓋了半導體制造流程中的所有工序。其主要產(chǎn)品包括：涂布/顯像設備、熱處理成膜設備、干法刻蝕設備、CVD、濕法清洗設備及測試設備，如下圖所示。東京電子的涂布設備在全球占有率達到87%。另外，F(xiàn)PD制造設備中，蝕刻機設備占有率達到71%。其他設備的占有率也有相當?shù)姆蓊~。
下期內(nèi)容，我們會為大家繼續(xù)介紹集成電路芯片制程設備國內(nèi)市場分析和半導體設備行業(yè)發(fā)展前景，敬請期待。
《一本書讀懂芯片制程設備》王超 姜晶 牛夷 王剛 編著
- 清華大學和電子科大專家傾力打造之作
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本書是圍繞集成電路芯片發(fā)展和新一代信息產(chǎn)業(yè)技術領域（集成電路及專用設備）等重大需求，編著的集成電路芯片制程設備通識書籍。集成電路芯片作為信息時代的基石，是各國競相角逐的“國之重器”，也是一個國家高端制造能力的綜合體現(xiàn)。芯片制程設備位于集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的上游，貫穿芯片制造全過程，是決定產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵一環(huán)。
本書首先介紹了集成電路芯片制程及其設備，并著重分析了芯片制程設備的國內(nèi)外市場環(huán)境；然后，針對具體工藝技術涉及的設備，詳細綜述了設備原理及市場情況；并對我國集成電路芯片制程設備的發(fā)展做了總結展望。本書可為制造業(yè)企業(yè)和研究機構提供參考，也可供對集成電路芯片制程設備感興趣的讀者閱讀。
撰 稿 人：張璐
責任編輯：李馨馨
審 核 人：時靜
