集成电路前道工艺、设备及市场分析-终课件.ppt

1、集成电路前道工艺、设备及市场分析梅林目录 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、机遇与挑战什么是集成电路RC电阻sLRRW氧化膜氧化膜pnnP型扩散层型扩散层（电阻）（电阻）基区扩散电阻基区扩散电阻VCCLw电容氧化膜氧化膜pN+平板型电容平板型电容铝电极铝电极N-epi隔离隔离槽槽N叠式结构电容叠式结构电容氧化膜氧化膜电容极板电容极板nPN结晶体管NPN型双极性晶体管BECpn+n-epin+P-SiP+P+S发射发射区区(N+型型)基区基区(P型型)集电区集电区(N型外延型外延层层)衬底衬底(P型型)n+-BLnpnBECCBEN P NBECCMO

2、S晶体管Sisourcedrain上层的氮化物上层的氮化物金属连接的源金属连接的源极极金属连接的栅极金属连接的栅极漏极金属连接漏极金属连接多晶硅栅极多晶硅栅极掺杂的多晶掺杂的多晶硅硅氧化层氧化层栅极氧化栅极氧化层层源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)n+n+P型硅基板型硅基板栅极（多晶硅）栅极（多晶硅）绝缘层（绝缘层（SiO2）半半导导体体基基板板漏极漏极源极源极目录 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silicon substrate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。

3、silicon substrate氧化层氧化层silicon substrateShadow on photoresist曝曝光光区区掩模版掩模版Ultraviolet Lightsilicon substrate光刻非感光区域非感光区域silicon substrate感光区域感光区域光刻后silicon substratesilicon substratesilicon substrate刻蚀silicon substratesilicon substrate去胶silicon substrate沉积氧化层沉积氧化层沉积栅极氧化层silicon substrate栅极氧化层栅极氧化层栅极氧

4、化层栅极氧化层栅极氧化层silicon substrate栅极氧化层栅极氧化层多晶硅栅极沉积silicon substrategate栅极氧化层栅极氧化层多晶硅栅极多晶硅栅极刻蚀形成多晶硅栅极silicon substrategate离子注入形成源极离子注入形成源极sourcedrain离子源离子源光刻胶在离子注入后去除光刻胶在离子注入后去除离子注入silicon substrategatesourcedrainCMOS晶体管silicon substratesourcedrain沉积氮化层氮化氮化物物silicon substrate连接孔连接孔drainsource刻蚀出连接孔silico

5、n substrate连接孔连接孔drainsource沉积金属线silicon substratedrainsource连接点连接点表面平坦化晶圆 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

6、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。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0.5m工艺； i线365nm，常用在0.35m工艺； KrF248nm，0.25m0.11m ArF193nm，7nm130nm EUV13.5nm，10nm以 为了突破衍射极限又分为干式和浸没

7、式 为了提高效率又可为步进重复式和步进扫描式刻蚀 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）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，SiO2、Si3N4、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

8、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PVDCVDALDCMP 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、机遇与挑战技术革新带来了成本的增加 晶圆代

9、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日本信日本信越越 28%销售额销售额, 日本胜日本胜高高, 25%销售额销售额, 德国世德国世创

10、创, 15%销售额销售额, 韩国韩国LG, 9%销售额销售额, 台湾环台湾环球晶圆球晶圆, 17%其他其他, 6%晶圆晶圆市场占有率市场占有率数据来源：中国报告网清洗设备市场 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Screen, 52%销售额销售额, TEL, 20%销售额销售额, Lam, 13%销售额销售额, SEMES, 10%销售额销售额, ACM, 3%销售额销售额, 其他其他, 2%

11、清洗清洗市场占有率市场占有率数据来源：Screen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：盛美半导体清洗机国产情况-北方华创和至纯科技 北方华

12、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Hitachi, 43%销售额销售额, TEL, 38%销售额销售额, ASM, 14%销售额销售额, 其他其他, 5%氧化氧化/扩散设备扩散设备占有率占有率

13、数据来源：中国产业信息网光刻机市场分析 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%ASML, 76%销售额销售额, Nikon, 11%销售销售额额, Canon, 6%销售销售额额, 其其他他, 7%光刻机市场光刻机市场占有率占有率数据来源：中国产业信息网100.00%92.68%63.64%76.34%30.23%7.32%36.36%2.15%11.63%21.51%58.14%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%EUV 光刻机ArFi 光刻机ArF 光刻机KrF光刻机i-line

14、光刻机2017年度全球光刻机市场份额ASMLNikonCanon数据来源：各公司官网总结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）ASML26539494691261209Nikon0734664119302Canon00090319409总计266129562356419201.35%31.88%4.95%32.45%29.38%EUV 光刻机ArFi 光刻机Ar

15、F 光刻机KrF光刻机i-line光刻机数据来源：各公司官网总结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

16、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LAM, 53%

17、销售额销售额, TEL, 20%销售额销售额, AMAT, 18%销售额销售额, 其他其他, 9%刻蚀设备市场刻蚀设备市场占有率占有率数据来源：中国产业信息网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

18、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%以上北方华创

19、 北方华创硅刻蚀的拓荒者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AMAT, 70%销售销售额额, Axcelis, 20%销售销售额额, 其他其他, 10%离子注入机市场离子注入机市场占有占有率率数据来源：应用材料官网AMAT, 40%销售销售额额, Axcelis, 32%销售销售额额, AIBT, 25%销售销售额额, 其他其他,

20、3%低能离子注入机市场低能离子注入机市场占有率占有率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

21、Market Research薄膜沉积市场细分薄膜沉积市场细分数据来源：Variant Market ResearchCVD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LAM, 19%销售额销售额, TEL, 21%销售额销售额, AMAT, 30%其他其他, 30%CVD设备市场设备市场占有率占有率数据来源：中国产业信息网PVD市场 美国的应用材料85% Evatec5.9%； Ulvac5.4% TOP

22、3 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Ulvac, 5%销售额销售额, Evatec, 6%销售额销售额, AMAT, 85%其他其他, 4%PVD设备市场设备市场占有率占有率数据来源：中国产业信息网全球镀膜设备巨头 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

23、元，占销售额的12.2%数据来源：应用材料数据来源：应用材料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

24、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。Ebara, 23%销售销售额额, AMAT, 75%销售销售额额, 其其他他, 2%CMP设备市场设备市场占有率占有率数据来源：应用材料CMP设备国产化情况 华海清科 20

25、15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

26、飞测KLA52%AMAT, 12%Hitachi, 11%Nanometrics, 4%Hermes Microvision, 3%Nova, 2%销售额销售额, 其他其他, 16%检测设备市场占有率检测设备市场占有率数据来源：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

27、进对制造过程的控制。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

28、发的“朋友圈”数据来源：wind数据来源：科磊官网国内检测设备现状-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2017年全球十大IC设备厂

29、排排名名公司公司主要产品领域主要产品领域2017年营年营收（单位：收（单位：亿美元）亿美元）较较2016年增长年增长率（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107382美国泛林半导体（Lam Research） 刻蚀、沉积、清洗等84.4623日本东京电子（Tokyo Electron）沉积、刻蚀、匀胶显影设备等72.03484荷兰阿斯麦（ASML）光刻设备71.86415美国科磊半导体（KLA-Tencor）硅片检测、量测设备28.32176日本迪恩士（Screen Semiconductor Solution）清洗、刻蚀设备13

30、.917韩国的细美事（SEMES）清洗、封装设备10.51428日本日立高新（Hitachi high-technologies）沉积、刻蚀、封装贴片设备10.359日本日立国际电气（Hitachi KOKUSAI）热处理设备9.78410日本大幅（Daifuku）无尘室搬运设备6.94611荷兰先域（ASM International）沉积、封装键合设备6.53112日本尼康（Nikon）光刻设备6.3-16数据来源：SEMI总结 应用材料73%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、机遇与挑战机遇-市场需求在不断增加 随着5G、AI、大数据、云计

31、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：中国产业信息网公司在半导体领域