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但目前本土企业的发展已经渐入佳境

作者:传奇扑克手机版 发布时间:2020-09-15 00:30 浏览

  当我们谈论芯片产业时,首先想到的就是光刻、刻蚀、沉积、离子注入、化学机械抛光(CMP)等工艺,在过去的一段时间内,《每日财报》基本对这些环节实现了覆盖。

  今天要讲的是一个看起来不起眼但同样重要的环节——清洗。半导体清洗主要是为了去除芯片生产中产生的各种沾污杂质,是芯片制造中步骤最多的工艺,几乎贯穿整个作业流程。由于硅片的加工过程对洁净度要求非常高,所有与硅片接触的媒介都可能对硅片造成污染,硅片清洗的好坏对器件性能有严重的影响,因此几乎每一步加工都需要清除沾污。

  在很多人看来,芯片生产中所用的清洗设备似乎并没有什么技术门槛,也就没有那么大的价值,但事实却并非如此,芯片制造是一个极其复杂和精致的产业,任何一环出现问题都会前功尽弃。

  在半导体设备市场中,晶圆制造设备采购大约占整体的80%,测试设备大约占9%,封装设备大约占7%,其他设备大约占4%,同时清洗设备在晶圆制造设备中的采购费用占比约为6%,因此可以推算出清洗设备约占半导体设备投资的4.8%。

  芯片制造需要在无尘室中进行,如果在制造过程中,有沾污现象,将影响芯片上器件的正常功能。据估计,80%的芯片电学失效都是由沾污带来的缺陷引起的。沾污杂质是指半导体制造过程中引入的任何危害芯片成品率及电学性能的物质,具体的沾污包括颗粒、有机物、金属和自然氧化层等。

  一般来说,工艺越精细对于控污的要求越高,而且难度越大,随着半导体芯片工艺技术节点进入28纳米、14纳米等更先进等级,工艺流程的延长且越趋复杂,产线成品率也会随之下降。造成这种现象的一个原因就是先进制程对杂质的敏感度更高,小尺寸污染物的高效清洗更困难,解决的方法主要是增加清洗步骤。在80-60nm制程中,清洗工艺大约100多个步骤,而到了10nm制程,增至200多个清洗步骤。

  根据清洗介质不同,半导体清洗技术主要分为湿法清洗和干法清洗两种工艺路线。湿法工艺是使用各种化学药液与晶圆表面各种杂质粒子发生化学反应,生成溶于水的物质,再用高纯水冲洗,依次去除晶圆表面各种杂质。干法工艺是不采用溶液的清洗技术,通过等离子清洗技术、汽相清洗技术或束流清洗技术来去除晶圆表面的杂质。

  湿法工艺在达到晶圆表面的洁净度和平滑度方面通常优于干法工艺,并且是目前单晶圆清洗使用的标准工艺,应用于晶圆制造过程中90%以上的清洗步骤。

  清洗设备主要可以分为单片清洗设备和槽式清洗机,槽式清洗机用于批量处理晶圆,单片清洗设备可以针对单个晶圆的清洗进行条件优化。

  需要注意的是,单片清洗设备是目前市场的绝对主流。在过去的十年间,寻求提升清洗质量的晶圆制造商逐渐从批量清洗设备转向单片清洗设备。2019年,单片清洗设备的占比达到75%,而且随着集成电路特征尺寸的进一步缩小。单片清洗设备的运用更加广泛,未来占比有望逐步提高。

  比如说,当工艺尺寸达到14nm之后,存储技术将会达到尺寸缩小的极限,存储芯片逐步从二维(2D)结构向三维(3D)结构推进。

  例如在3D NAND(计算机闪存设备)制造工艺中,需将原来2D NAND中二维平面横向排列的串联存储单元改为垂直排列,通过增加立体层数,解决平面上难以微缩的工艺问题,堆叠层数也从32层、64 层向128层发展。

  存储技术从2D向3D转变,清洗晶圆表面的基础上,还需在无损情况下清洗内部污染物,对清洗设备提出了更高的技术要求,清洗设备单台价值量不断提升,根据SEMI的预测,清洗设备市场未来几年复合增长率为6.8%。

  全球清洗设备市场规模超30亿美元,大陆市场约7亿美元,但与芯片产业的其他工艺类似,目前全球半导体清洗设备市场同样被国外公司垄断。数据显示,全球的清洗设备市场基本由国外的几家巨头把控,特别是日本企业。其中迪恩士、东京电子、拉姆研究是全球半导体清洗设备龙头,2019年CR3接近90%。迪恩士(DNS)是绝对龙头,全球份额达50%,国内公司中,盛美股份、北方华创002371股吧)2019年全球份额分别为3%、1%。

  国内从事半导体清洗设备的公司主要有盛美半导体、北方华创、至纯科技603690股吧)等。客观的评价,国内企业规模和产品竞争力与国际知名企业仍然存在较大差距。比如说,国外单片晶圆清洗设备已发展到12个、16个腔体、对应的附属设备的介质供应也越多,可满足智能化、软件控制、压力均等和清洗后的存放等需求,而国产湿法清洗设备从种类和功能上目前能实现的部分较为有限。但目前本土企业的发展已经渐入佳境,我们分别介绍一下。

  1998年,盛美半导体在美国硅谷成立,是国家千人专家王晖博士为代表的清华校友所创立的,2006 年9月与上海市政府合资成立了盛美半导体设备(上海)有限公司。

  盛美股份是国内半导体清洗设备龙头企业,主攻单片清洗设备。2015年,公司生产的12英寸45纳米半导体单片晶圆清洗设备交付韩国知名存储器厂商海力士,成为国内首台具有自主知识产权的高端12英寸半导体设备,打破了国产设备在海外销售的零记录。

  2019年盛美股份在全球单片清洗设备份额达4%。根据中国国际招标网的数据,长江存储第14-38批设备招标中,公布了88台清洗设备中标名录,其中迪恩士、盛美股份、拉姆研究占据榜单前三,中标台数分别为25台、18台、16台,份额分别为28%、20%、18%。盛美股份获得20%的清洗设备份额,远高于其全球3%的份额。

  今年6月份,盛美股份科创板IPO申请已经获上交所受理。财务数据显示,2017-2019年,盛美股份收入分别为2.54亿元、5.5亿元、7.57 亿元,CAGR 为72.4%,归母净利润分别为1086万元、9253万元、1.35亿元,CAGR 为252.4%,不出意外的话公司会顺利上市。

  北方华创是2015年由七星电子和北方微电子战略重组而成,由此形成了半导体装备、真空装备、新能源锂电装备及精密元器件四个事业群。2017 年北方华创收购了美国硅片清洗公司Akion,在原有清洗设备的基础上进行了整合。目前公司主要清洗设备产品为单片和槽式清洗设备,现在有Saqua 系列12英寸单片清洗机和Bpure系列全自动槽式清洗机,可以用于90-28nm芯片生产。2019年,北方华创在槽式清洗设备份额达7%。

  至纯科技基于自身作为半导体产业高纯工艺系统集成商积累的优势,通过结构优化和工艺延伸,投身于本土集成电路工艺装备事业。公司于 2015年开始启动湿法工艺装备研发,2016年成立院士工作站,2017年成立独立的半导体湿法事业部。

  最新的数据显示,2020年上半年,至纯科技的单片清洗和槽式湿法设备在二季度出机超过了十台,而去年全年才完成近20台设备装机,交付速度明显加快,而且客户已扩展到国内外半导体行业如中芯国际、德州仪器、台湾力晶等知名企业。

  目前至纯科技的单片湿法清洗设备在晶圆表面颗粒清洗能力以及每小时的产出量上,机台性能和工艺将可以支持到14nm以下的工艺技术节点。至纯科技在互动平台上表示,公司的槽式湿法设备在质量上与国际水平相当乃至优于国际水平。

  在《每日财报》看来,国产半导体清洗设备厂商迎来行业扩容和国产替代的双重机遇。首先,随着芯片工艺的进步及芯片结构的复杂化,清洗设备量价齐升,行业规模有望进一步扩容;其次,受益于国内芯片产线的加速建设和产能爬坡,国内清洗设备厂商通过差异化路线追赶,份额有望快速提升。

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