集成电路前道工艺、设备及市场分析-终演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,集成电路前道工艺、设备及市场分析,梅林,1,目录,一、集成电路核心组件简介,二、半导体前道工艺,三、半导体前道设备市场分析,四、机遇与挑战,2,什么是集成电路,麒麟,980,集成电路（,IC,）就是一种微型电子器件或部件的总和，将所有元器件和连接线制作在同一基板上，组成的系统。,半导体产业的两种模式：集成制造模式（,IDM,）和垂直分工模式,R,C,3,电阻,氧化膜,p,n,n,P,型扩散层,（电阻）,基区扩散电阻,V,CC,L,w,4,电容,氧化膜,p,N,+,平板型电容,铝电极,N-epi,隔离槽,N,叠式结构电容,氧化膜,电容极板,n,5,PN,结晶体管,NPN,型双极性晶体管,B,E,C,p,n,+,n-epi,n+,P-Si,P,+,P,+,S,发射区,(N+,型,),基区,(P,型,),集电区,(N,型外延层,),衬底,(P,型,),n+-BL,n,p,n,B,E,C,C,B,E,N,P,N,B,E,C,6,CMOS,晶体管,Si,source,drain,gate,oxide,oxide,上层的氮化物,金属连接的源极,金属连接的栅极,漏极金属连接,多晶硅栅极,掺杂的多晶硅,氧化层,栅极氧化层,源极,(S),漏极,(D),栅极,(G),n,+,n,+,P,型硅基板,栅极（多晶硅）,绝缘层（,SiO,2,）,半,导,体,基,板,漏极,源极,7,目录,一、集成电路核心组件简介,二、半导体前道工艺,三、半导体前道设备市场分析,四、机遇与挑战,8,silicon substrate,芯片制造过程,清洗,Fab,内,IC,制造的流程非常复杂，但其实,IC,制造就只做一件事而已：把掩模上的电路图转移到晶圆上。,9,silicon substrate,oxide,氧化层,氧化,10,silicon substrate,oxide,photoresist,涂胶,11,Shadow on photoresist,photoresist,曝光区,掩模版,Ultraviolet Light,silicon substrate,oxide,光刻,12,非感光区域,silicon substrate,感光区域,oxide,photoresist,光刻后,13,silicon substrate,oxide,photoresist,显影,14,silicon substrate,oxide,oxide,silicon substrate,photoresist,刻蚀,15,silicon substrate,oxide,oxide,silicon substrate,去胶,16,silicon substrate,oxide,oxide,gate oxide,沉积氧化层,沉积栅极氧化层,17,silicon substrate,oxide,oxide,栅极氧化层,栅极氧化层,栅极氧化层,18,silicon substrate,oxide,oxide,多晶硅,栅极氧化层,多晶硅栅极沉积,19,silicon substrate,oxide,oxide,gate,gate,栅极氧化层,多晶硅栅极,刻蚀形成多晶硅栅极,20,silicon substrate,oxide,oxide,gate,gate,photoresist,离子注入形成源极,source,drain,离子源,光刻胶在离子注入后去除,离子注入,21,silicon substrate,oxide,oxide,gate,gate,source,drain,CMOS,晶体管,22,silicon substrate,source,drain,gate,沉积氮化层,氮化物,23,silicon substrate,gate,连接孔,drain,source,刻蚀出连接孔,24,silicon substrate,gate,连接孔,drain,source,沉积金属线,25,silicon substrate,gate,drain,source,连接点,表面平坦化,26,晶圆,晶圆（,Wafer,）：主要指硅片,提炼、纯化、拉晶、滚磨，切片，倒角，抛光,纯度可以达到,99.999999999,4,寸、,6,寸、,8,寸、,12,寸,SiC,、,GaN,、,GaAs,、,InP,27,清洗,清洗的目的是去除各种污染，占整个半导体流程的,33%,获得最好的良率、器件性能和长期的可靠性。,安全、简单、经济和环保,超声波清洗机、刷洗器、等离子体清洗机、浸洗式化学清洗站、喷洗式单箱化学清洗机等,28,氧化,氧化目的是在硅片表面形成二氧化硅；,用途,杂质扩散掺杂的掩蔽膜,器件表面保护或钝化膜,MOS电容的介质材料,MOSFET的绝缘栅材料,电路隔离介质或绝缘介质,湿法、干法,多片垂直氧化炉管、快速热氧化炉,29,匀胶显影,匀胶显影机（,Track,）主要用于光刻材料的涂布、烘烤、显影、去离子水冲洗，也包括晶圆背面的清洗，,最新的发展更是把测量单元集成到了该设备上。,30,光刻,光刻：将掩模版上的图形转移光刻胶上的过程,按照技术发展可以分为接触式、接近式和投影式。,按照光源可以分为：,g,线,436nm,，常用在,0.5,m,工艺；,i,线,365nm,，常用在,0.35,m,工艺；,KrF248nm,，,0.25,m0.11,m,ArF193nm,，,7nm130nm,EUV13.5nm,，,10nm,以,为了突破衍射极限又分为干式和浸没式,为了提高效率又可为步进重复式和步进扫描式,31,刻蚀,刻蚀：根据光刻去除不必要的区域的材料，使用设备为刻蚀机,湿法刻蚀：各向同性、工艺简单、成本低,干法刻蚀：各向异性、分辨率高,等离子体刻蚀,溅射刻蚀,反应离子刻蚀,32,掺杂,掺杂：将杂质掺杂到目标载体中，包括非金属（,B,、,P,、,As,）和金属（,Al,、,Au,、,Pt,）,33,沉积,沉积可以分为物理气相沉积（,PVD,）、化学气相沉积（,CVD,）和原子层沉积（,ALD,）,PVD,：,III-V,族化合物半导体工艺中仍被采用，速度快工艺简单,CVD,：可以沉积几乎所有薄膜，,SiO,2,、,Si,3,N,4,、绝缘介质、金属、单晶硅（外延）等。,ALD,：原子层沉积是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法,蒸发设备、溅射设备、常压,CVD,、低压,CVD,、,PECVD,和,ALD,设备等,PVD,CVD,ALD,34,CMP,CMP:,化学机械平坦化或化学机械抛光，表面全局平坦化的技术,目的：保证沉积后表面的平整度，为下一步工序做准备,35,检测,检测根据测试目的可以细分为量测和检测,量测主要是对芯片的薄膜厚度、关键尺寸、膜应力、掺杂浓度等材料性质进行测量,检测主要用于识别并定位产品表面存在的杂质颗粒沾污、机械划伤、晶圆图案缺陷等问题。,椭偏仪、四探针电阻仪、,AFM,、,SEM,、热波系统、显微镜等,36,目录,一、集成电路核心组件简介,二、半导体前道工艺,三、半导体前道设备市场分析,四、机遇与挑战,37,技术革新带来了成本的增加,晶圆代工厂加工工艺从,28,纳米发展到,7,纳米，制造设备支出增加,100%,；,数据来源：应用材料，西南证券整理,38,半导体设备占主要支出比,12,寸线、产能,5,万片,/,月，各类设备,500,台，周期,2,年,50,台光刻机,10,台大束流离子束注入机，,8,台中束流离子注入机，,40,台刻蚀机，,30,台薄膜沉积设备,数据来源：中国报告网,39,晶圆,日本信越 市场占有率,28%,日本胜高 市场占有率,25%,台湾环球晶圆 市场占有率,17%,德国世创 市场占有率,15%,韩国,LG,市场占有率,9%,国内的有：上海新昇、重庆超硅、北京有研半导体材料和浙江金瑞泓科技,数据来源：中国报告网,40,清洗设备市场,日本,Screen,（迪恩士）市场占有率,52%,日本,TEL,（东京电子）市场占有率,20%,美国,Lam,（泛林半导体）市场占有率,13%,韩国,SEMES,（细美事，三星的子公司）市场占有率,10%,盛美半导体（,ACM,）市场占有率,3%,北方华创、至纯科技等,数据来源：,Screen,41,清洗龙头,-,迪恩士,迪恩士十分注重研发，,2017,年的研发费用为,82,亿日元，占企业资本支出的,46%,；,迪恩士拥有的专利数量庞大，,2017,年迪恩士共拥有,4418,件专利，其中来自日本本土的专利,2115,件，来自海外的专利,2303,件。,数据来源：,Screen,数据来源：,Screen,42,清洗机国产情况,-,盛美半导体,盛美半导体目前的产品主要是基于,SAPS,和,TEBO,技术的单晶圆清洗设备,盛美半导体的,SAPS,产品受到国内外一流半导体制造商的认可，主要客户包括上海华力微电子，,SK,海力士，中芯国际，长江存储等,数据来源：盛美半导体,43,清洗机国产情况,-,北方华创和至纯科技,北方华创：整合,Akrion,，占据清洗机大市场,Saqua,单片清洗机进驻中芯北方,28,纳米生产线,北方华创清洗机设备下游市场涵盖整个泛半导体行业,至纯科技：,2015,年开始启动湿法工艺装备研发，,公司已经于,2017,年形成了,Ultron B200,和,Ultron B300,的槽式湿法清洗设备和,Ultron S200,和,Ultron S300,的单片式湿法清洗设备产品系列，并已经取得,6,台的批量订单。,44,氧化,/,扩散设备,日本的日立（,Hitachi,）,43.1%,；,日本的东京电子（,TEL,）,37.9%,荷兰先域（,ASM,）,13.8%,其他,5.2%,，包括：,英国,Thermco,、,Centrothermthermal Solution,、,Screen,、,Lam,、,北方华创、青岛福润德、中电科,48,所、青岛旭光仪表设备、中电科,45,所,数据来源：中国产业信息网,45,光刻机市场分析,荷兰,ASML,市场占有率,75.3%,日本,Nikon,市场占有率,11.3%,日本佳能,Canon,市场占有率,6.2%,其他,7.2%,数据来源：中国产业信息网,数据来源：各公司官网总结,46,2011-2017,年度全球光刻机总销售情况,2011-2017,累计销售销售光刻机,1920,台，其中,ASML1209,台，,Nikon302,台，,Canon409,台。,公司,EUV,光刻机（台）,ArFi,光刻机（台）,ArF,光刻机（台）,KrF,光刻机,（台）,i-line,光刻机,（台）,总计,（台）,ASML,26,539,49,469,126,1209,Nikon,0,73,46,64,119,302,Canon,0,0,0,90,319,409,总计,26,612,95,623,564,1920,数据来源：各公司官网总结,47,ASML,高端光刻机垄断者,ASML,的转折点浸没式光刻，,2007,年推出第一台浸没式光刻机,数据来源：,ASML,官网,48,ASML,高端光刻机垄断者,公司营业收入和净利润始终保持较高水平。自,2016,年推出,EUV,设备后，营收和净利润实现大幅增长，,2018,年收入将近,100,亿欧元；,ASML 2017,年研发费用高达,15,亿美元，占营业收入比重为,14%,，远高于佳能与尼康的,8%,左右。,数据来源：,ASML,官网,49,Nikon&Canon,尼康：发挥面板光刻比较优势,在,FPD,光刻方面，尼康则可发挥其比较优势，尼康的机器范围广泛,采用独特的多镜头投影光学系统处理大型面板,佳能：光电为主，光刻为辅,尽管光刻设备尤其是芯片光刻设备的销售量有显著上升，但价值量贡献却并无相同趋势,数据来源：,Canon,官网,50,上海微电子,公司设备广泛于先进封装、,FPD,面板、,MEMS,、,LED,、,Power Devices,等制造领域。,公司的封装光刻机在国内市占率高达,80%,，全球市占率也可达到,40%,数据来源：,SMEE,官网,51,刻蚀设备市场分析,美国的泛林半导体（,LAM,）,52.7%,；,日本的东京电子（,TEL,）,19.7%,；,美国的应用材料（,AMAT,）,18.1%,；,TOP3,市场占率高达,90.5%,；其他,9.5%,国内厂家有中微半导体、北方华创、上海新阳、沈阳芯源、苏州伟仕泰克、中电科,48,所,数据来源：中国产业信息网,52,刻蚀机市场份额变迁,在,200mm,晶圆时代；介质、硅（多晶）以及金属刻蚀是刻蚀设备的三大块,入,300mm,时代以后；目前介质刻蚀设备市场份额已经接近,50%,数据来源：,BARRONS,53,全球刻蚀设备龙头,Lam Research,LAM,的营收及净利润一直保持高度增长。,2018,年，泛林半导体实现营业收入,110,亿美元，同比增长,38.23%,，扣非后归母净利润为,23.80,亿美元，同比增长,37.26%,；,LAM,极度重视研发。泛林半导体,2010,年以来研发支出不断增加，从,2010,年,3,亿美元，快速增长至,2018,年,12,亿美元，其研发支出占比长期维持在,10%,以上；,数据来源：,LAM Research,数据来源：,LAM Research,54,中微半导体,中微半导体,介质刻蚀的行业领导者，,2004,年,5,月,31,日成立,中微半导体专利申请达,1157,项，已经获得了,748,项专利，还有,409,项正在申请。,公司目前已经完成了,65-45,纳米、,32-22,纳米、,22-14,纳米三代电介质刻蚀装备产品研制并实现了产业化。,介质刻蚀设备已打入全球顶级企业台积电的,7nm,、,10nm,量产线，并占据了中芯国际,50%,以上的新增采购额,介质刻蚀已经占到,40,纳米到,28,纳米的国内,Foundry,市场的,40%,以上,55,北方华创,北方华创,硅刻蚀的拓荒者,56,离子注入机市场分析,全球离子注入机市场规模为,10,亿美元左右，应用材料长期以来占据了,70%,以上的市场，另外，美国的亚舍立科技发展迅猛，市场分额也在不断增加。,由于芯片尺寸不断缩小，低能大束流日渐成为主流，应用材料占有,40%,的市场份额；其次是,Axcelis,，占,32%,；第三家是,AIBT,，占有,25%,的市场份额,数据来源：应用材料官网,57,离子注入设备国产化进程,北京中科信高能量、大束流和中束流离子注入机中均布局较为完整，其“,45-22nm,低能大束流离子注入机研发与产业化”项目通过验收,凯世通研发出我国第一台商用光伏离子注入机，目前在研发及市场推广方面主攻两个产品：低能大束流离子注入机和,IGBT,氢离子注入机,中科信大束流离子注入机,凯世通太阳能离子注入机,58,薄膜沉积设备市场,全球半导体薄膜沉积市场预计到,2025,年将达到,360,亿美元；从,2017,年到,2025,年将以复合年增长率,14.1%,的速度增加。,从半导体镀膜细分市场上看，,CVD,占比最大，市占率达到,55%,，,PVD,市占率约,24%,，其次是,ALD,等其他镀膜设备。,数据来源：,Variant Market Research,数据来源：,Variant Market Research,59,CVD,设备市场,美国应用材料,29.6%,；,日本东京电子,20.9%,；,泛林半导体,19.5%,；,TOP3,市场占率高达,70%,；其他,30%,，包括、,VEECO,、,Protocol Flex,；荷兰的,ASM,；岛津；国内有北方华创、中微半导体、中电科,45,所,数据来源：中国产业信息网,60,PVD,市场,美国的应用材料,85%,Evatec5.9%,；,Ulvac5.4%,TOP3,市占率高达,96.2%,；其他,3.8%,，其他包括,PVD,、,Vaportech,；英国的,Teer,；德的国,Centrothermt,、,Cemecon,；日本的,TEL,；国内有北方华创、中电科,48,所、中电科,45,所,数据来源：中国产业信息网,61,全球镀膜设备巨头,应用材料,应用材料,2018,年上半年营收,87.71,亿美元，同比增长,28.53%,。预计,2018,全年营收将达到,170,亿美元，,2018,年上半年，净利润为,12.64,亿美元，同比下降,17.22%,应用材料,2017,年研发支出,17.74,亿美元，占销售额的,12.2%,数据来源：应用材料,数据来源：应用材料,62,PVD,设备国产情况,北方华创、沈阳拓荆等公司正在不断突破，北方华创的,28nm Hardmask PVD,设备，实现了我国,PVD,设备零的突破，被指定为,28nm,制程工艺的,Baseline,机台。,从,2013,年开始，中国,PVD,设备市场规模开始逐步扩大，到,2016,年国内市占率已经达,10%,，这一比例在逐渐提高；,数据来源：北方华创,63,CVD,设备国产情况,国产,CVD,设备厂家已北方华创为主，,MOCVD,是国产化最晚的一个设备，目前也已经达到,20%,以上的国产化率,数据来源：北方华创,64,CMP,设备市场,CMP,设备主要被应用材料和日本的,Ebara,垄断，两者市占率之和超过,90%,；其他,10%,包括,Lam,、华海清科、盛美半导体、中电科,45,所,抛光材料是,CMP,工艺必不可少的耗材，以抛光液（,48%,）和抛光垫（,31%,）为主。,抛光液生产企业主要被日本,Fujimi,、,Hinomoto Kenmazai,公司，美国卡博特、杜邦、,Rodel,、,Eka,，韩国的,ACE,等所垄断，占据全球,90%,以上；,抛光垫市场主要被陶氏化学公司所垄断，市场份额超过,80%,，其他供应商还包括日本东丽、,3M,、台湾三方化学、卡博特等。,数据来源：应用材料,65,CMP,设备国产化情况,华海清科,2015,年,8,月，华海清科首台,12,英寸,CMP,设备,Universal-300,进入客户生产线；,2017,年,12,月，华海清科,CMP,设备在客户端大生产线生产晶圆突破,10,万片；,2018,年,1,月，华海清科,Cu&Si CMP,设备进入客户端。,中电,45,所,2017,年,11,月,21,日，,45,所研发的国产首台,200mmCMP,商用机通过了严格的万片马拉松式测试，启程发往中芯国际（天津）公司进行上线验证。,2017,年,3,月，,45,所承研的“,300mm,硅片单面抛光机（,CMP,）的开发”项目荣获,2016,年度北京市科学技术三等奖,66,检测设备市场,科磊半导体市占率为,52.1%,，位居第一位，后面是应用材料和日立。国内的主要厂家是睿励科学仪器和中科飞测,数据来源：,67,检测设备市场需求空间巨大,2017,年该市场规模约为,52,亿美元，而,2018,年该市场规模将进一步扩大到,58,亿美元,数据来源：,VLSI,68,科磊半导体：前道检测一支独秀,科磊通过开发新的过程控制和良率管理工具，不仅可以分析晶圆，光罩和,IC,制造工艺中关键点的缺陷和计量问题，还可以为客户提供信息，以便他们识别和解决潜在的工艺问题。定位缺陷源并解决潜在过程问题的能力使客户能够改进对制造过程的控制。,69,科磊半导体：前道检测一支独秀,公司,2017,财年营业收入创下历史新高，达到,34.80,亿美元，同比增长,16.60%,公司于,2017,年实现毛利润,21.92,亿美元，同比增长,20.37%,，并于,2016,、,2017,年分别实现,61.02%,、,63.00%,的毛利率。,数据来源：,wind,数据来源：,wind,70,科磊半导体：前道检测一支独秀,公司始终重视产品研发,，科磊一直将研发投入占比维持在,15%,以上的水平，通过高额的研发费用支出维持创新能力。,2017,年公司研发支出为,5.27,亿美元，同比增长,9.56%,，研发支出占收入比为,15.14%,。,重视全球布局，科磊积极拓展产品研发的“朋友圈”,数据来源：,wind,数据来源：,科磊官网,71,国内检测设备现状,-,路漫漫其修远兮,睿励科学仪器，睿励拥有,12,寸晶圆全自动光学膜厚检测系统和关键尺寸、形貌检测系统等产品，,2018,年,5,月,6,日睿励,TFX3000,薄膜测量设备三星重复订单发货,中科飞测，三维形貌量测系统,CYPRESS,系列，表面缺陷检测系统,SPRUCE,系列，智能视觉缺陷检测系统,BIRCH,系列，设备主要供应封测厂家,72,国内厂商营收规模和研发投入与国外巨头差距巨大,2017,年北方华创营收,22.23,亿元，研发投入,7.36,亿元；中微半导体全年营收,10.95,亿元，研发投入,3.42,亿元。应用材料、泛林半导体、东京电子,2017,年营业收入分别为,966.32,、,717.83,、,667.88,亿元，研发投入分别为,117.92,、,77.09,、,57.35,亿元。,数据来源：各公司官网,73,2017,年全球十大,IC,设备厂,排名,公司,主要产品领域,2017,年营收（单位：亿美元）,较,2016,年增长率（,%,）,1,美国应用材料（,Applied Materials,）,沉积、刻蚀、离子注入、化学机械研磨等,107,38,2,美国泛林半导体（,Lam Research,）,刻蚀、沉积、清洗等,84.4,62,3,日本东京电子（,Tokyo Electron,）,沉积、刻蚀、匀胶显影设备等,72.03,48,4,荷兰阿斯麦（,ASML,）,光刻设备,71.86,41,5,美国科磊半导体（,KLA-Tencor,）,硅片检测、量测设备,28.32,17,6,日本迪恩士（,Screen Semiconductor Solution,）,清洗、刻蚀设备,13.9,1,7,韩国的细美事（,SEMES,）,清洗、封装设备,10.5,142,8,日本日立高新（,Hitachi high-technologies,）,沉积、刻蚀、封装贴片设备,10.3,5,9,日本日立国际电气（,Hitachi KOKUSAI,）,热处理设备,9.7,84,10,日本大幅（,Daifuku,）,无尘室搬运设备,6.9,46,11,荷兰先域（,ASM International,）,沉积、封装键合设备,6.5,31,12,日本尼康（,Nikon,）,光刻设备,6.3,-16,数据来源：,SEMI,74,总结,应用材料,73%,75,目录,一、集成电路核心组件简介,二、半导体前道工艺,三、半导体前道设备市场分析,四、机遇与挑战,76,机遇,-,市场需求在不断增加,随着,5G,、,AI,、大数据、云计算、物联网等新兴行业需求的逐步提升是重要的行业驱动力，,2018,年半导体销售数量超过,1,万亿,2018,年半导体设备销售额,627.3,亿美元，增长,10.8%,，中国销售额,82.3,亿美元,数据来源：,wsts,数据来源：,wind,77,机遇,-,国家的投入在不断增加,2017-2020,全球集成电路设备投资规模小幅增长，,CAGR=6.2%,；中国集成电路设备投资额高速增长，,CAGR=44.8%,。,2018,年中国集成电路设备投资全球占比达,20%,，超越台湾，成为仅次于韩国的全球第二大半导体设备投资大国,数据来源：,北方华创,78,挑战,-,半导体制造核心设备市场高度垄断,晶圆制造核心设备为光刻机、刻蚀机、,PVD,和,CVD,，四者总和占晶圆制造设备支出的,75%,半导体核心设备,TOP3,市场占有率基本在,90%,以上。,数据来源：,中国产业信息网,79,公司在半导体领域,超精密光学,半导体检测设备,以显微光学为基础的表面缺陷检测设备,超精密机加,半导体量测设备,用于套准精度测量的相干探测显微镜,集成在其他设备的检测系统,以显微系统为基础的集成在清洗、匀胶等设备的检测系统,高精度,吸盘,用于光刻设备、刻蚀设备中的高精度吸盘,高精度,电极,用于,CVD,设备的,硅电极，硅或碳化环,80,谢 谢！,81,