星星之火,可以燎原——国产半导体设备制造业发展概况

2018-01-29 13:36 宁南山 阅读 5610

作者:宁南山

半导体生产设备和材料,是半导体产品的最上游。全世界每年销售的生产设备和材料,加起来总共800多亿美元左右,如果仅仅从规模上来看,其实并不大,就算有个国家占据了全球50%的生产设备和材料的份额,一年销售额也就是400亿美元多点。这两个领域主要是技术门槛高,同时是制高点,因此可以起到控制他国集成电路发展速度的作用。

具体来说,根据国际半导体产业协会SEMI的统计,2016年全球半导体设备出货额412亿美元,全球半导体材料出货额443亿美元。

而据国际半导体产业协会(SEMI) 2018年1月26日公布的数据,2017年全球半导体设备商出货金额达到560亿美元,比起上一年大幅增长接近40%,创下历史新高。很遗憾的是,由于全球新建的12英寸晶圆厂在逐渐向中国集中,因此半导体设备采购额增长,很大程度上来自中国,在这个领域,我们处于受制于人的局面。

我们看下Gartner 2016年的全球十大半导体设备制造商排名,当然里面并没有中国公司出现,只有三个国家的公司上榜了,美国,日本和荷兰。

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世界前三名是美国应用材料,美国Lam Research,荷兰ASML。

接下来是第四名日本的东京电子,第五名美国的KLA Tencor

前十名的门槛为4.97亿美元,可以看出其实世界十强的门槛并不高,但就是这么低的门槛,也就是30多亿人民币,我国仍然没有一家企业入围,但是这也从侧面说明,我国有企业进入世界前十的日子已经不会太远。

世界十强里面,只有美日荷三个国家的企业入围。

美国三家应用材料,Lam Research(科林研发)和KLA Tencor,营收共计153.56亿美元,可以看出美国这三家就占了全球份额的接近37%。 

其次是日本有五家,东京电子,Screen semiconductor(迪恩士),日立先端科技尼康和日立国际电气,合计84.76亿美元。占全球20.6%,仅次于美国。

但是注意,日本虽然有五家,但是只有东京电子体量比较大,营收为48.61亿美元,比其他四家加起来还要多。

尤其是曾经在半导体设备制造盛极一时的尼康,现在年营收下滑到只有7.32亿美元了,日立国际电气也在2016年出现营收大幅下滑。

与此同时日本半导体设备制造的领头羊东京电子发展势头不错,日本迪恩士增速更是前十强中最高,因此东京电子,迪恩士,日立先端科技三家是日本的代表公司。 

然后是荷兰有两家,没错荷兰居然有两家,一家就是大名鼎鼎的ASML,排名全球第三。

另外还有一家ASM International,两家合计55.88亿美元,占了全球的13.55%。

前十名只有美日荷,因此美国、日本、荷兰是世界半导体装备制造的三大强国。 

当然,上面的数据只是设备的收入,实际上这些厂家除了卖设备以外,还有服务收入,比如说你工厂的设备出问题了,那么就只能找厂家来解决,这个可是要收费的。

因此如果全部收入加上的话,营收和利润是下面的图里面这样。

以第一名的应用材料为例,设备收入为77.37亿美元,而总营收为108.25亿美元,可见服务收入也是很大的。实际上,凡是购买国外先进设备的中国公司,都应该知道洋人服务费收取的高昂,工程师按小时计费,备件贵的惊人,利润率甚至比卖设备更高。 

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那么我们关心的问题来了,中国的情况如何呢?

世界前十强的门槛是4.97亿美元,而中国2016年营收最高的半导体设备公司收入才9.08亿人民币,按照6.64的平均汇率计算,只有区区1.367亿美元,离世界十强的门槛还差了四倍。 

中国半导体制造设备的现状是:星星之火,可以燎原,增速很快。

2016年中国半导体设备销售收入总计57.33亿元,同比增长21.5%,其中前十强单位完成销售收入48.34亿元,同比增长28.5%,也就是说,前十强的增速快于整体增速,也就是市场集中度在不断提高,可喜可贺。

我们换成美元算一下,全球市场是412亿美元,中国设备厂家全部加起来才57.33亿元,差不多8.63亿美元,也就是差不多2%左右。

但是我们也要有信心,世界前十只有美国,日本,荷兰三强而已,这个产业玩家并不多,我们只要在里面,就是世界前五的水平,因为韩国的设备产业也比我国强。

目前我国保持超过20%的增速,差不多四年可以翻一倍,也就是到了2020年,我们就可以达到世界的4%了,再继续保持,到2025年就可以超过世界10%了,虽然比例和我国的国力不相称,但总算是世界主流玩家了,任重而道远啊。

另外还有一个,半导体生产设备由于其技术难度高的关系,每一种工艺设备基本都是前三名占据了全球90%的市场份额,可见其研发难度。 

我们来盘点下中国半导体设备制造的十强,我们看下这十强里面有哪些有希望的公司。

下图来自中国半导体行业协会。 

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这里要澄清一下,半导体不只是集成电路,其他如LED发光二极管和光伏电池也是半导体,他们都是硅基的。

在晶圆制造中,总共有七大生产区域,分别是扩散(Thermal Process)、光刻(Photo- lithography)、刻蚀(Etch)、离子注入(Ion Implant)、薄膜生长(Dielectric Deposition)、抛光(CMP,即化学机械抛光)、金属化(Metalization)

这其中金属化,也就是把集成电路里的各个元件用金属导体连接起来,用到的设备也是薄膜生长设备,所以这两个区域的设备是类似的,应该算成是六大类生产设备。另外几乎每个区域都会用到清洗机,因为生产工艺越来越复杂,几乎每一两步就要对硅片清洗一次。

所以我们说是七大类生产设备:扩散炉,光刻机,刻蚀机,离子注入机,薄膜沉积设备,化学机械抛光机,清洗机

半导体晶圆制造中最主要价值最贵的三类是镀膜设备(或者叫沉积设备,包括PECVD,LPCVD,ALD等)、刻蚀设备、光刻机,分别占半导体晶圆厂设备总投资的15%、15%、20-25%,当然这个数只是外界估计值,毕竟我们谁也不知道中芯国际,台积电购买设备的实际价格。当然,我们注意到了,光刻机最贵技术也最复杂,所以我们最关注光刻机。

排名第一位的,中电科电子装备公司,2016年的销售收入仅为9.08亿元。当然从名字我们可以看出来,这是国家队。实际上,中电科装备隶属于中国电子科技集团,集团旗下有一家大名鼎鼎的称霸全球的公司,就是海康威视。

不过中电科装备公司主营业务其实还是光伏部分,

在集成电路晶圆制造的七大领域设备中,中电科电子装备公司在离子注入机和CMP(化学机械抛光机)两个领域实现了重大突破。 

离子注入机是集成电路制造至关重要的核心装备——主要是将粒子注入到半导体材料中,从而控制半导体材料的导电性能,进而形成PN结等集成电路器件的基本单元。

电科装备目前是国内唯一一家集研发、制造、服务于一体的离子注入机供应商,电科装备在承担了02专项后,在离子注入机研发方面,一年迈上一个新台阶。我们要注意两个词,一个是唯一的一家离子注入机供应商,一个是02专项,实际上如果没有国家02专项的支持,我国离子注入机到现在还是一片空白。 

那么电科装备的离子注入机到现在发展到什么水平了呢?如果是研发出来后就停留在实验室,那就让人遗憾了。

2014年,12英寸中束流离子注入机以优秀等级通过国家02专项实施管理办公室组织的验收。2015年,在中芯国际先后完成了55nm、45nm和40nm小批量产品工艺验证,这一年国产首台中束流离子注入机率先实现了量产晶圆过百万片。

到2017年11月,中束流离子注入机已经在中芯国际实现了稳定流片200万片,请注意这个数字在2015年还是刚刚突破百万片。

这个200万片意味着什么呢?2017年第三季度,中芯国际的实际产能为44.8万片。

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从2015年的百万片,到2017年的200万片,两年时间国产离子注入机完成了100万片的生产量,而按照中芯国际2017年第三季度的实际产能计算,年产能为180万片左右。

因此我们可以合理估计,在七大类设备中的离子注入机,中芯国际产线的25%-30%左右已经基本实现了国产化。

当然我们要注意,中束流离子注入机只是适用于55nm、45nm和40nm,要进一步适应更先进制程,还需要大束流离子注入机,2016年,电科装备推出满足高端工艺的新机型45—22nm低能大束流离子注入机,前面提到中束流、低能大束流系列产品已经批量应用于IC大线。

而2016年推出的45-22nm低能大束流离子注入机在2017年也在中芯国际产线进行验证,验证通过后,将会批量出货,进一步提高中芯国际产线离子注入机国产化率。

2017年,离子注入机批量制造条件厂房及工艺实验室投入使用,具备符合SEMI标准的产业化平台,年产能达50台。

下图为中电科的大束流28nm离子注入机在中芯国际12英寸生产线现场。

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电科装备董事长、党委书记刘济东强调,电科装备自主研发的离子注入机打破了高端市场被美日垄断的局面,打造了离子注入机国产品牌。

七大类设备中的离子注入机,中电科已经可以和中芯国际最先进的28nm制程齐头并进,

当然更先进制程的离子注入机我国目前还没有,合理估计中芯国际在研的14nm制程,也在和中电科共同研发更先进的离子注入机。

这也是中芯国际的发展如此重要的原因,国产下游不发展,就形不成对上游国产设备的需求,不要指望台积电,英特尔,三星,海力士,联电会购买你的制造设备耗时耗力进行技术验证,他们没有这个心。

另外是七大类生产设备中的CMP抛光机,2017年我国实现了零的突破。

2017年11月21日,电科装备自主研发的200mmCMP商用机完成内部测试,发往中芯国际天津公司进行上线验证。这是国产200mmCMP设备首次进入集成电路大生产线,有效解决了制约我国集成电路产业自主可控发展的瓶颈问题。

CMP作为集成电路制造七大关键设备之一,用于平坦化工艺及铜互联工艺。 

有意思的是该设备并非是02专项,而是电科装备在承担“十二五”(2011-2015年)02专项“28—14nm抛光设备及成套工艺、材料产业化”项目的同时,自主投入研制200mm和300mm CMP商用设备,形成300mm、200mm设备研发齐头并进、相互支撑的局面。

200mm也就是我们常说的8英寸硅片,300mm也就是我们常说的12英寸硅片,300mm是目前集成电路硅片的主力尺寸。 

从2015年1月开始,电科装备CMP设备研发团队用两年的时间,连续突破了10余项关键技术,完成了技术改进50余项,在2017年8月成功研发出了国内首台拥有完全自主知识产权的200mmCMP商用机,成功打破国外技术封锁垄断。经严格的万片“马拉松”测试,该设备目前可媲美国际同类设备。

在2017年11月底接下来的6个月里,200mm CMP设备要正式接受大生产的考验,设备的可靠性和一致性将经受严格考核。也就是说这个验证要到2018年5月完成。

下图为200mmCMP设备进入中芯国际生产线进行工艺验证

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与此同时,电科装备的300mm CMP抛光机也在研发中,如果一切进展顺利,那么2018年电科装备的200mm CMP将会在中芯国际产线完成工艺验证,300mm CMP将在2018年研发成功。 

除了集成电路晶圆制造两大关键设备以外,电科装备还是国内主力的集成电路封装设备制造商,

其封装设备累计销售2000余台套,已经批量应用于长电科技、通富微电、苏州晶方等国内知名封测企业——在高端封装设备领域,电科装备已经形成局部成套的供应能力。

在02专项支持下,电科装备完成了封装产线必须的300mm超薄晶圆减薄抛光一体机研发与产业化。同时研发了倒装芯片键合机、全自动精密划片机用于封装产线,技术水平在国内处于领先地位。

第二位的晶盛机电就有意思了,

董事长兼CEO邱敏秀原来是浙江大学教授,这是一家技术背景的公司。

这家公司现在处于火热的状态,2017年前三季度实现营业收入12.57亿元,增长87.3%, 净利润2.53亿元,增长95.33%。

不过晶盛光电增长火爆的原因并不是因为半导体设备,而是因为光伏部分单晶硅组件由于成本降低逼近多晶硅,所以市场占比在上扬,而晶盛光电以单晶炉为核心的单晶硅生产设备方面占有优势,晶盛光电是国内最大规模出货单晶炉设备的厂家,占据了绝对份额。

今年以来晶盛光电在光伏领域的单晶炉,晶体生长设备等拿到了不少大单,带动了公司增长。

实际上,根据晶盛机电的前三季度财报,2017年公司新签订的合同总额已经有30亿人民币了,相比公司前三季度仅仅12.57亿人民币的营收,晶盛机电还将保持高速增长。

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而我们关心的半导体设备嘛,按照2017年10月30日晶盛机电接受机构调研的表示,2017年以来接到的总半导体设备订单才刚刚达到1.3亿元,这还是在较2016年有大幅增长的前提下。。

而且晶盛光电的半导体设备,主要是集中在晶体生长炉,单晶硅加工领域

所以晶盛光电在半导体领域还需要时间,不过也有非常可喜的进步,就是晶盛机电获得了全球十大硅片供应商之一的台湾合晶科技8000万人民币的设备订单,合晶科技把高纯度的半导体级硅加工成200mm的硅片,也就是说要把一堆散装的硅料制作成圆形的硅片,这个过程需要购买生产设备。

晶盛机电提供的还是半导体级单晶炉,也就是把高纯度硅做成晶棒并且掺入必要的成分。

嗯,我们记住,硅片领域日本最强,美国,台湾也有不少硅片供应商,但是至少现在,部分硅片的生产设备我们已经进入了,这是我国在光伏领域突飞猛进的传导作用。

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2017年10月31日,晶盛机电公司公告与中环股份以及无锡市政府签订合作协议,计划在江苏宜兴建设集成电路用大硅片生产与制造项目,总投资30亿美元,第一期投资15亿美元。

国内现在严重缺乏大硅片项目,处于被日本台湾韩国卡脖子的状态,目前硅片日本信越,日本SUMCO,台湾环球,德国Siltronic,韩国SKSiltronic五家垄断了98%的份额,其中日本的两家占了全球60%。

该项目基本可以确定会从晶盛机电采购生产设备,这是巨大的利好,预计2018年以后晶盛机电的半导体生产设备出货将会大幅上升,当然预计主要是以单晶炉为主

第三位的深圳捷佳伟创新公司还是以光伏生产设备为主要业务。

第四位来了,北方华创科技集团,这家公司是我国半导体设备生产的规模最大的公司,它是在2015年由北方微电子和七星电子重组而成,是国家队的一员,也是带头大哥。

当然,北方华创2017年也赶上了单晶硅组件爆发的东风,签了不少来自光伏设备的订单,例如2017年与隆基股份签订的单晶炉设备就有8.57亿元。

隆基股份相比大家都很熟悉了,由于专注于单晶技术,是全球光伏产业经营状况最好的公司,净利润遥遥领先。 

北方华创2017年上半年实现营业总收入10.45亿元,同比增长48.87%,归属于上市公司股东的净利润5,247.13万元,同比增长29.09%。嗯我们注意到了净利润真的有点少,当然这跟研发投入高有关系,北方华创的研发投入强度非常高。

公司主要产品为电子工艺装备和电子元器件。

2017年上半年公司电子工艺装备主营业务收入6.9亿元,比上年同期增长44.28%。

其中半导体设备主营业务收入5.77亿元,比上年同期增长41.35%,

真空设备主营业务收入8,807.01万元,比上年同期增长260.78%,

新能源锂电设备主营业务收入2,631.97万元,比上年同期下降43.50%。

电子元器件主营业务收入3.47亿元,比上年同期增长59.14%。 

我们注意下其中半导体设备的收入增长速度超过40%,占北方华创总收入的比例是大约60%左右,这个增长速度是惊人的,意味着两年翻一倍。实际上,北方华创目前和所有国内大厂都有合作,比如我们正在武汉和南京如火如荼建设的长江存储公司,3D NAND FLASH产线的氧化炉设备就有采用北方华创的产品,2017年11月搬入产线,注意七大生产设备区域中的扩散,其实就是用氧化炉来完成的。

另外长江存储还购买了北方华创的刻蚀机和PVD机台(物理气相沉积,属于薄膜沉积设备的一种),也就是说,国产集成电路设计制造的发展,也给北方华创带来了新的机遇。

七大类生产设备北方华创涉及到了氧化炉,刻蚀机和薄膜沉积三类。

在氧化炉领域,2017年11月30日,北方华创下属子公司北方华创微电子自主研发的12英寸立式氧化炉THEORISO 302 Move In长江存储生产线,应用于3D NAND Flash制程,扩展了国产立式氧化炉的应用领域。

THEORISO 302立式氧化炉具有先进的颗粒控制技术、高精度温度场控制技术、先进的微环境氧含量控制技术、后期维护费用低等特点,具备12英寸晶圆干氧氧化、湿氧氧化、DCE氧化等工艺能力,主要应用于逻辑电路、DRAM、NAND等产品工艺制程,成为长江存储的POR(Process of Record)机台(扩产优先采购机台)。

该款氧化炉在进入长江存储产线之前,已经批量应用于中芯国际、上海华力芯片生产线

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当然我们又一次看到了,北方华创的氧化炉客户,中芯国际,上海华力微,长江存储,都是国产厂家。 

在刻蚀机领域,按照材料来分,主要有三种:金属刻蚀机,硅刻蚀机,介质刻蚀机。

在硅刻蚀机领域,在2003年启动研制时,中国和国外差距在20年以上,仅仅能够制造90nm制程,在国家02专项的支持下,北方华创在硅刻蚀机领域不断实现突破,先进制程工艺一路上扬,28nm,22nm都实现了突破,2016年研发出了14nm工艺的硅刻蚀机。

目前中芯国际在研发的14nm工艺,就在验证使用北方华创的硅刻蚀机,这是有里程碑意义的。 

因为中芯国际作为中国最好的集成电路制造商,正在努力实现28nm的全面量产,而其在研的最先进工艺就是14nm,这意味着在硅刻蚀机领域,国产设备和国产集成电路制造已经实现了制程同步,也就是说,至少在这个领域,以往本来就不先进的国产集成电路制造工艺,还不得不放慢脚步等待国产设备技术进步的尴尬局面已经消失。 

实际上,2017年北方华创已经在研发更先进的7nm硅刻蚀机

也就是说,至少在刻蚀机里面的“硅刻蚀机”这个领域,我们离世界顶尖水平的差距其实并没有差太远,当然我们也要看到,仅仅是造出来进行产线验证,跟实现市场占有率领先还是两回事,更何况目前也只是14nm而已,和最好的水平还是有差距。 

刻蚀机里面还包括金属刻蚀机,2017年11月,北方华创研发的中国首台适用于8英寸晶圆的金属刻蚀机,也成功搬入中芯国际的产线,这个也是有重大突破意义的,当然主流的12英寸晶圆的金属刻蚀机,我们还得努力实现突破,晶圆尺寸越大,成本降低越大。 

除了氧化炉和刻蚀机领域以外,北方华创在PVD设备(物理气相沉积,薄膜沉积设备的一种)和单片退火设备领域也实现了批量出货,目前主要在28nm级别。单片退火设备主要是和离子注入机配合使用,实现对离子注入后硅片被损伤的原子结构的修复,本文前面已经提到,离子注入机中国电科做的比较好。 

在薄膜沉积设备领域,北方华创进展较快,多种14nm的生产设备也在产线验证中,包括ALD,AL PVD,LPCVD,HM PVD等,基本都是不同的沉积设备,目的是制作氧化薄膜,便于绝缘,和控制不同的杂质扩散速度,或者金属化,PVD是物理气相沉积,CVD是化学气相沉积,ALD是原子层沉积,他们的工作原理不同,但是目的是一样的。

所以我们看出来了,七大类生产设备中,北方华创主要是氧化炉,镀膜设备(各种沉积设备)和刻蚀设备(硅刻蚀机和金属刻蚀机)三大类。当然我们注意,刻蚀机里面的介质刻蚀机北方华创并没有涉及。

除了这三大类设备外,北方华创还有第四种关键设备:清洗机。 

2017年8月7日,北方华创1500万美元,也就是才1亿人民币多点实现了对美国Akrion公司的收购,

Akrion公司是位于美国宾夕法尼亚州的一家专注于硅片清洗设备业务的公司,主要用于集成电路制造领域,硅晶圆制造领域、微机电系统和先进封装领域,该公司拥有多年的清洗技术积累和广泛的市场与客户基础,累计在线机台千余台。

北方华创自研的12英寸单片清洗机产品主要应用于集成电路芯片制程,成功收购Akrion公司,北方华创微电子的清洗机产品线将得以补充,形成涵盖应用于集成电路、先进封装、功率器件、微机电系统和半导体照明等半导体领域的8-12英寸批式和单片清洗机产品线

实际上,根据北方华创2017年披露的2016年年报,其自研的12英寸清洗机到2016年底的累计流片量已突破60万片,收购Akrion之后,北方华创的实力进一步加强。

在七大类关键设备中,北方华创涉及到了4种,这是中国实力最强的。 

第五位就是著名的中微半导体了,按照中国半导体行业协会的统计,他们2016年的销售额4.846亿人民币。不过按照中微自己的统计,他们估计2017年销售额能够达到11.8亿元人民币,增长80%,这两个数字不太对的上。不过无论如何,我们知道中微2017年的销售额大概是11亿人民币左右这个水平。 

2017年1月6日,以美国政府首席科学顾问John P. Holdren和布洛德研究所(Broad Institut)总裁Eric S. Lander为首的美国总统科学技术咨询委员会(President’s Council of Advisors on Scienceand Technology,简称PCAST)发表了名为《Ensuring Long-Term U.S. Leadership in Semiconductor》/《确保美国在半导体领域的长期领导地位》的报告。

该报告里面提到中国的集成电路制造设备生产商,

说中国没有tier 1的设备制造商,但有一家tier 2的,就是中微半导体。

中微半导体是尹志尧创办,他之前是全球最大的半导体生产设备商应用材料公司的副总裁,回国创办中微。从今年的销售额来说,中微和北方华创在半导体设备领域的销售都会大约在10-11亿人民币左右,似乎可以把两者并列成为半导体设备两个希望。 

但是实际上,总体来说,北方华创要强得多,产线范围也要宽的多。

中微的产品,主要是三大领域,一个是LED芯片的MOCVD机台,这个是LED芯片制造的核心设备,以致于衡量芯片厂家的制造能力,都是用它有多少MOCVD机台来衡量,机台数量越多的产能越大。

目前国内LED芯片产业在高速发展,三安光电,华灿光电等公司逐渐脱颖而出,逐渐进行进口替代,曾经LED灯里面的芯片中国是100%需要进口的,然而现在这种情况已经彻底改变,2016年LED芯片国产率提升至76%,达到了106亿元,进口则为33亿元。随着大陆厂商产能不断释放,2016年大陆芯片厂产值同比成长13%。

作为中国LED芯片的龙头企业三安光电,2017年底估计拥有多少台MOCVD呢,大约450台。三安的目标是2018年全球市占率提升到22%,可谓野心勃勃。 

在MOCVD设备商方面,中微半导体在2017年10月宣布,其MOCVD设备Prismo A7机型出货量已突破100台,迈向重要里程碑,该款MOCVD是在2016年才推向市场的,由于持续接到新订单,中微预计2017年底可望出货约120台MOCVD设备。

整个中国大陆市场2017年预计新增的MOCVD为大约200台,按照中微半导体的出货量,国内市场占有率可以达到30%-40%甚至以上,这是非常不错的成绩。

当然中微的MOCVD主要还是在国内卖,美国的VEECO,德国的爱思强(没错就是曾经被中国资本试图收购,但是被美国人否决的德国爱思强)两巨头在全球MOCVD市场还是总体占有技术优势和份额领先优势。 

例如三安光电在2016年以前购买的MOCVD机台,基本不是VEECO的就是爱思强的,

VEECO和爱思强曾经占据了全球MOCVD  90%的市场份额,国内也有不少公司在做MOCVD,

国产MOCVD设备从2012年底研发成功,到2016年开始完成批量验证,目前处于迅速上升的态势。经过不断洗牌,目前国产厂家中中微半导体和中晟光电在国产中较为领先,2016年占据国内市场11%的份额,由于技术验证已经完成,2017年国产MOCVD市场份额将出现暴增的局面。 

在国际巨头VEECO和爱思强两家中,爱思强目前已经逐渐式微,其产品因为技术原因不满足三安光电的需求,导致其丧失了三安这一全球最大客户。爱思强已经处于掉队的状态,国际上唯一的强敌是美国VEECO公司。 

VEECO现在在和中微半导体在中国和美国同时在打官司,实际上也是VEECO试图捍卫自己的领先地位,感受到了来自中微的强大威胁,不过中微也在积极应战,中微在技术方面自主研发的态度一直比较坚定,过去十年中微的各种专利官司,不管是国内还是国外,保持全胜。 

由于中国已经逐渐掌握了LED生产各个环节的技术,在芯片,封装等领域都在迅速走强,出现了一批具备世界竞争力的龙头企业,从长期来看,MOCVD设备领域中微和中晟逐渐取得优势地位,VEECO走向衰落是大势所趋,这个先进技术产业向中国转移是不可逆转的趋势。 

中微半导体的另外一个领域,主要是其最早开始研发,具有多年经验的介质刻蚀机,这个目前是用在集成电路芯片制造上面,目前已经可以做到22nm及其以下,且中微半导体的14nm也在产线进行验证,同时在推进5nm的联合研究。

2017年早些时候,网络上流传的中微研发出了5nm制程的刻蚀机,不少媒体开始说中国掌握5nm生产设备技术,

实际上刻蚀机只是集成电路制造中的一类设备,而刻蚀机根据材料的不同,分为硅刻蚀机,介质刻蚀机和金属刻蚀机三类。相比北方华创在硅刻蚀机和金属刻蚀机的不断突破,而中微只是在介质刻蚀机领域比较强,因此这个5nm实际上应该是中微在研的介质刻蚀机。

另外如中微的声明所言,先进的制程不可能是由设备厂家单独完成的,而是设备和制造厂家共同研发攻关的结果,不然中芯国际和台积电还有什么技术可言。 

除了集成电路晶圆制造领域以外,中微还有一类是硅通孔刻蚀设备,主要用在集成电路芯片的先进封装上,也就是是封装设备,像长电科技这样的封装厂家会购买。

目前总体而言,中微处于比较好的发展态势,MOCVD机台已经经受住了量产的考验,将会迎来大批量出货时期,其多年来集中力量攻关的等离子体介质刻蚀机,已经在国际大厂部署多年,同时目前也开始进入最先进的5nm制程的预研。未来几年中微还将保持高速增长。当然我们也要注意,三四年内,中微还是一家销售收入不到20亿人民币的小公司。 

看完了前五名,我们总觉得少了点什么,北方华创在氧化炉,清洗机,单片退火设备,硅刻蚀机,金属刻蚀机,以及各种沉积设备上都有了突破,中微半导体也有介质刻蚀机。中国电科则有了CMP和离子注入机。

七大类设备的六种都有了,那么最核心的光刻机呢? 

目前,光刻机领域荷兰ASML已经占据了大约80%的市场份额,垄断了高端光刻机市场,日本尼康在高端光刻机上已经彻底败退, Intel、台积电、三星,格罗方德、联电以及中芯国际等晶圆厂的光刻机目前基本是来自ASML。

最先进的EUV光刻机全球仅有ASML能够生产,ASML在2016年下半年出售的两台EUV光刻机,单价都超过1亿美元,而落后EUV一代的ArF光刻机平均售价也在四五千万欧元左右。可以说光刻机是集成电路制造领域最后的皇冠。 

在国内半导体生产设备排名第六的上海微电子公司,2016年半导体设备收入2.9亿元,该公司就具备研发和制造光刻机的能力,也是国内唯一的一家从事光刻机研发制造的公司,然而很遗憾,目前只能做到90nm 

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下图为上海微电子的SSA600/20 ArF光刻机外观,兼容200mm和300mm硅片 

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目前业界主要制程工艺,基本已经在65nm以下,上海微电子目前也在进行65nm制程工艺光刻机的研发,但是研发进度不得而知,事实上,我们也不要抱有太高的信心,因为上海微电子还是一家小公司,目前我国也还没有到完全攻克光刻机技术的这一步,

即使是已经在产线验证的各种沉积设备和刻蚀机,我国设备商的市场占有率也还非常低。

更不要说还没有研发出来的65nm光刻机。

虽然在集成电路制造领域的光刻机上海微电子还是路漫漫,

但是至少在集成电路后段的封装领域的光刻机,上海微电子已经出头了,事实上,上海微电子是国内唯一的先进封装光刻机设备供应商。

集成电路的封装使用的光刻机,并不需要很高的精度,达到1-2微米(1000-2000nm)就可以使用,上海微电子研发制造的500系列步进投影光刻机,面向IC后道封装和MEMS/NEMS制造领域,国内市场占有率达80%以上。

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另外上海微电子还开发了针对LCD, LED领域的光刻机,这些领域的光刻机应用也并不需要很高的精度。

借助我国在LCD显示面板, LED,集成电路封装等领域的突飞猛进,上海微电子先从这些领域的发展受益,获取利润,才能有真正的能力投入去研发更高等级的集成电路制造用的光刻机。

在液晶显示面板领域应用的核心的生产设备光刻机,也叫曝光机,这个领域几乎100%被日本佳能和尼康两家垄断,但是上海微电子也在这方面不断取得突破,上海微电子耗资数亿元为天马研制了两台4.5代曝光机并已在量产线上使用,

2017年12月28日,上海微电子自主研发的首台平板显示6代投影曝光机正式发运到客户,一举打破尼康和佳能的垄断,成为全球第三家具备量产6代投影曝光机能力的公司,有力提升了我国高精密零件制造能力。 

不管怎样,以以光为核心和技术发展主线的上海微电子,是目前中国光刻机发展的唯一产业化力量,这个力量目前还非常弱小,短期内,上海微电子肯定还是要借助先进封装光刻机,LED和LCD用光刻机来获取利润进行发展,集成电路制造光刻机这个皇冠,上海微电子只要能有所进步,比方说明年或者后年研发出65nm工艺的光刻机就是胜利,不要追求十年内能赶上ASML。 

但是也不要灰心,按照下游带动上游的发展规律,如果最上游的核心生产设备光刻机都造出来了,那么说明基本上整个半导体产业,从上游到下游的技术中国就全部吃透了,那么这一天就是欧美日韩的末日。

排名第七的北京京运通,第八的天通吉成,都是光伏设备为主。

第九位的盛美半导体由入选国家千人计划的王晖博士创立,王晖博士1978年考入清华大学精密仪器系,之后留学日本和美国,2017年11月3日,盛美半导体在美国纳斯达克上市,这也是上海张江首家由归国留学人员创办并且到美国上市的半导体设备公司。

这家公司事实上创办于硅谷,但是研发和核心人员都在上海。营业收入也不高,2016年大约1.64亿人民币。 

盛美半导体专攻硅片的清洗,随着集成电路制造工艺的不断进步,在制造过程中,由于对硅片的不断处理,几乎每个步骤之后都要进行硅片清洗,去除颗粒物和杂质。尤其是目前芯片结构从2D走向3D,清洗难度更高。

ACM(盛美半导体)主打Smart Megasonix清洗技术,该技术中的SAPS技术最高可以应用于65nm制程的硅片清洗,另外TEBO技术硅片清洗系列产品,可以实现对FinFET, DRAM, 3D NAND,实现覆盖16nm-19nm的制程,根据2017年7月的报道,基于该技术的清洗机已经批量应用于上海华力微电子的产线。 

实际上,海力士,中芯国际,华力微电子的产线都重复下单购买盛美半导体的清洗机。

由于盛美的清洗技术可以同时应用于2D和3D图形结构,预计生产3D NAND FLASH和DRAM的长江存储公司也会购入盛美半导体的硅片清洗机 

2017年5月,盛美半导体在合肥投资3000万美元建立研发中心,事实上就是和合肥长鑫,睿力集成和兆易创新一起组团开发DRAM技术。

目前盛美半导体预计单片清洗设备市场总共大约27亿美元,相对于盛美目前的营收,还是有很大的增长空间。

当然我们知道清洗机领域除了盛美以外,还有北方华创,因此在清洗机国产化道路上,盛美半导体并不孤单。 

第十名的深圳格兰达,主要是一些集成电路制造的外围非核心生产设备,包括激光标刻,晶圆检测等等,规模也很小,1.5亿人民币左右。 

好,我们做下总结,也就是集成电路制造设备几个主要的点:

1:最大的两家是北方华创和中微半导体,2017年的营收都是11亿人民币左右。

北方华创半导体出货增长超过40%,

中微半导体增速更快,达到80%,主要是因为LED用的MOCVD出货爆发。

其中北方华创是国内最全面的生产设备厂家,涵盖了各种沉积设备,刻蚀机,氧化炉和清洗机;

中微半导体在LED的MOCVD设备进展很大,但在集成电路制造领域还主要局限于介质刻蚀机

2:上海微电子是唯一的光刻机玩家

3:中国电科装备是国家队,在离子主机和CMP化学抛光机两个领域不断突破。

4:晶盛机电的半导体设备将会异军突起,不过现在规模还很小,只有1亿人民币。

5:盛美半导体专攻硅片清洗机,技术上直追国际厂家,但是规模也很小,不到2亿人民币。

6:2017年中国电科首次研发出了200mm CMP抛光机,北方华创首次研发出了金属刻蚀机,目前都已经在中芯国际产线上进行验证。同时LED芯片制造用的MOCVD设备国产厂家在2017年迎来了爆发性增长。 

再次注意,以上国产集成电路生产设备厂家,主要客户还是在国内,具体的说就是中芯国际,华力微电子等厂家。

中芯国际,上海华力微,长江存储,合肥长鑫,杭州士兰微等国产集成电路制造厂家的发展,直接关系到甚至是决定着上游国产设备厂家的发展。 

由于国内集成电路制造厂家都还很弱小,例如最大的中芯国际的营收只有台积电的10%,所以大大限制了国产设备厂家的规模。但是随着全产业链的进步,国产设备厂家每年20-30%的增速将会保持,大概三年左右翻一倍。不过按照现在的份额和增速,即使到2025年,国产设备占全球市场比例也就是10%左右,乐观点可能会到15%。可以说是赶上荷兰的水平,离美国日本还是有差距。从另一方面讲,我们也可以说自己是全球四强。 

也就是说,即使到那个时候,中国也只是刚刚成了一个主流玩家,但是要彻底的击败美国,日本,荷兰,还有很长的路要走,尤其是光刻机,最核心最昂贵的设备,现在反而差距最大。

中芯国际现在在寻求28nm高阶制程量产,台积电已经量产10nm了,这个差距已经够大了,然而光刻机我们还停留在90nm的水平,不仅如此上海微电子还是一家小公司,本身实力不足以支撑高额资本投入的研发,当如果其母体上海电气集团决定大规模资金投入,又是另外一回事。 

从另一方面来讲,我们也要有信心,如果把集成电路最上游的生产设备我们都彻底吃透了,那么说明中国已经彻底站到了电子工业的最顶端了,那么凭着海量的生产能力以及超强的成本控制能力,其他国家会迅速丧失市场份额。

从集成电路制造的生产设备来看,所有的设备我国都有厂家在攻关,只是由于技术难度和产线验证原因有先有后。

七大类设备中国电科,北方华创,中微半导体,上海微电子,盛美半导体组成的集团全部都有涵盖,所谓星星之火,可以燎原,弱小并不可怕,怕的是完全没有人去做这个事情。 

试想一下,再用一二十年时间,从最上游的集成电路设备,到集成电路制造,到集成电路设计,封测,到中游的零部件,到下游的消费电子终端的设计,研发,品牌,以及在终端运行的各种软件应用全部被中国掌握的话,那我国就是毫无疑问的顶端国家了。

而这一切,至少从现在往未来看,已经隐约看得见了。