半导体薄膜沉积设备发展趋势与国产化

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失效分析赵工半导体工程师-09-90:5发表于北京摘要

根据最新市场研究,年中国半导体薄膜沉积设备市场将面临更新和替代。AMI、TEL、AppliedMaterial和Lam是该市场上做得最好的供应商,国内的北方华创和沈阳拓荆也有送样机。然而,ALD的交期可能会在5个月左右且存在波动。

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中国半导体薄膜沉积设备市场规模约75亿-90亿美元,其中CVD约占50%,PVD占20-25%,ALD占0-5%,other占0-5%。ALD技术难度高,全球AMI、TEL、AppliedMaterial、Lam做得最好。国内北方华创和沈阳拓荆都送了样机,ALD市场空间有限,大陆可能最多还会有一家走出来。美国可能会要求向大陆禁运4nm以下的设备,在薄膜沉积领域主要就是ALD和epitaxy。半导体设备的发展周期大概一年半到2年,平均大概是一年半左右。

.中国半导体薄膜沉积设备市场规模和增速变化,国产化率情况。今年全球半导体设备市场规模大概在,亿美元,中国半导体薄膜沉积设备市场约75亿-90亿美元。其中CVD约占50%,PVD占20-25%,ALD占0-5%,外延等other占0-5%。

2.PVD、CVD、ALD等各类设备的技术门槛和应用需求对比,下游客户采购需求拓荆科技H、北方华创HE等国内厂商的国产替代机会。

3.ALD设备的市场增长逻辑,核心技术壁垒,国内产商的布局和机会核心洞察。ALD的技术难度远远高过CVD和PVD。全球做得最好的是AMI,然后是TEL、AppliedMaterial、Lam。国内的北方华创和沈阳拓荆都送了样机。ALD市场空间有限,大陆在华创跟拓荆的基础上可能最多还会有一家走出来。

4.基本上工艺比较难,可能会在中美环境下审批时间比较长的设备,都会拉长交货周期。如果接下来禁运越来越严,大陆晶圆厂很可能只能承受一些良率上的损失,可靠性上可能会有差别,后期要投入更多维护成本。

5.可不可以简单理解为,半导体设备的发展周期相较于下游晶圆的产能落地投产,要提前算一年半左右?假设年月要投产,那它要往前算6个月,这6个月之间叫做机台movein或者机台调试期间,所以年中就要第一台机台movein,到年月上,这是6个月。从可以movein机台的前3个月是洁净空间装修,到年的一季度尾。现在设备的交期还是在大概以2个月计算,那也就是说要到年的年中,才比较大的机会在2个月,当然比较差的情况下有出现过比较紧俏的机台8个月,快一点可能9个月。所以大概年的中间要拿到设备往回推9-8个月不等下订单。

交期受工艺难度、审批周期、供应链支持等因素影响,薄膜沉积设备交期长,ALD最长,PVD次之,CVD最短,但复杂程度、审批环节、供应链复杂度不同,交期也不同。

.光刻、蚀刻、薄膜等设备交期范围为9-8个月,其中薄膜交期最长,紧俏设备可能达到8个月,普通设备可能为9个月。

2.复杂设备交期不确定性高,可能受疫情、物流、原材料单价等影响;先进工艺设备需经过审批,进口设备审批时间更长。

3.ALD原子层沉积设备交期为2-8个月,属于长交期设备。

4.PVD设备交期次于ALD,关键环节设备如metalgate交期长,且垄断性高,需经过特别审批流程。

5.CVD设备交期相对较短,供应商多样性较高,有替代能力。复杂程度、审批环节、供应链复杂度不同,交期也不同。

6.CVD设备种类繁多,从简单到复杂不等,如PECVD。交期需根据复杂程度、审批环节、供应链复杂度等因素确定。

7.交期受多种因素影响,薄膜沉积设备交期长,ALD最长,PVD次之,CVD最短,但具体交期需根据设备复杂程度、审批环节、供应链复杂度等因素确定。

8.工艺难度、审批周期、供应链支持等因素均会影响设备交期。复杂设备交期不确定性高,先进工艺设备需经过审批,进口设备审批时间更长。

中国大陆未来2-3年对半导体设备的市场需求主要来自于HPC、mobile、消费类和automotive,其中HPC需求增长最快,mobile需求基数大,消费类需求量大,automotive需求增速高。年中国大陆半导体薄膜沉积设备市场规模约为75亿-90亿美元,其中CVD占一半,PVD占20-25%,ALD占0-5%,other占0-5%。

.未来2-3年中国大陆对半导体设备的市场需求主要来自于HPC、mobile、消费类和automotive。HPC需求增长最快,主要集中在5nm、3nm等先进制程。mobile需求基数大,主要集中在7nm、5nm等中低端制程。消费类需求量大,主要集中在6nm以上的制程。automotive需求增速高,主要来自于汽车电子。

2.估测年中国大陆半导体薄膜沉积设备市场规模约为75亿-90亿美元。其中,半导体设备市场规模大概在,亿-,00亿美元,中国大陆销售占比约为30%。薄膜沉积设备占半导体设备的25%左右。

3.今年半导体设备市场规模大概在,亿美元左右,其中晶圆制造占80%左右。晶圆制造设备市场规模大概在亿-亿美元。半导体设备还要考虑后道设备,包括封测里面也要用到薄膜沉积。

4.HPC需求增长最快,主要用于云计算、人工智能等高性能计算相关的芯片CPU、GPU、FPGA,以及异质计算的oC。HPC晶圆的扩产主要集中在5nm、3nm等先进制程。

5.mobile需求基数大,主要用于手机等移动通讯应用。虽然移动通讯市场增长放缓,但基数大,主要集中在7nm、5nm等中低端制程。

6.消费类需求量大,主要用于数字电视LCD-TV、tablet、wearable等物联网应用。制程一般在6nm以上,主要集中在晶圆代工厂。

7.automotive需求增速高,主要来自于汽车电子。现在汽车对里面电子的需求远超过传统汽车,因此对相关晶圆制造产能和设备采购的带动作用越来越大。

8.薄膜沉积设备主要分为CVD、PVD、ALD和other四类。其中CVD占一半,PVD占20-25%,ALD占0-5%,other占0-5%。Other包括ECP和epitaxy等。

中国大陆市场各类半导体薄膜设备需求增速有明显区别,先进制程发展会使ALD增速相对更快。ALD在28nm才开始被采用,但随着工艺往前演进,ALD的占比一定会增加。ALD在填空和形成电子方面都有用途,尤其在patterning和GAA方面需求增加。Epitaxy用于改善电子或电动的迁移率,也会在尖端工艺制程中用到。ALD和Epitaxy的需求会随着工艺演进而增加。

.界定的占比标准是按照销售额。

2.各类半导体薄膜设备需求增速有明显区别,先进制程发展会使ALD增速相对更快。

3.ALD在28nm才开始被采用,但随着工艺往前演进,ALD的占比一定会增加。

4.ALD在填空和形成电子方面都有用途,尤其在patterning和GAA方面需求增加。

5.Epitaxy用于改善电子或电动的迁移率,也会在尖端工艺制程中用到。

6.ALD和Epitaxy的需求会随着工艺演进而增加。

7.ALD会大量用到GAA,往后会是跨越式增加对ALD的需求。

8.Epitaxy原来用于改善T型晶体管的空穴mobility,现在也用于改善N,尤其是carbonadopt的ilicon。Epitaxy会在尖端工艺制程中用到。

外延设备epitaxy的单价高且技术要求高,全球只有AppliedMaterial做得比较好,国外可能禁运4nm以下的设备。国内只有北方华创能达到量产水平,其他供应商进展不确定。薄膜设备国产化率整体低,薄膜沉积设备国产化率5%左右,CVD稍高一点,PVD可能只有20台里有台达到量产水平,ALD还只是样机水平。

.epitaxy单价高,中间对性能至关重要,单机单价最贵,可达上千万美元。

2.北方华创是唯一能达到量产水平的供应商。

3.整体国产化率低,薄膜沉积设备国产化率5%左右。

4.北方华创早在年、年在中芯国际的量产线上已有maproduction。

5.国产化率针对在大陆的晶圆制造公司采购的中国设备。

6.国产设备比例占总采购额的比例。

7.CVD国产化率稍高一点,可能达到0%左右。

8.ALD还只是样机水平,未达到量产水平。

ALD设备主要应用于小于45nm以下的制程。市场对ALD的需求主要源自于逻辑芯片和存储芯片,其中存储里面的3DNAND技术对ALD有明确需求。荷兰的AMI和日本的TEL是全球ALD市场的主要供应商,国内的Naura北方华创和沈阳拓荆也在送样机。ALD主要客户包括晶圆代工和IDM,逻辑器件和存储器DRAM、NAND都需要大量使用ALD。逻辑器件需要在栅极这边镀一层high-k,而存储器DRAM需要通过高介电常数材料来扩大电容,NAND则需要先用ALD把孔洞里面镀上一层,再用PVD和CVD填满。全球ALD市场规模预计到年将达到30亿美元。

.ALD设备主要应用于小于45nm以下的制程。市场对ALD的需求主要源自于逻辑芯片和存储芯片,其中存储里面的3DNAND技术对ALD有明确需求。

2.荷兰的AMI和日本的TEL是全球ALD市场的主要供应商,国内的Naura北方华创和沈阳拓荆也在送样机。

3.ALD主要客户包括晶圆代工和IDM,逻辑器件和存储器DRAM、NAND都需要大量使用ALD。

4.逻辑器件需要在栅极这边镀一层high-k,而不管是用平面的CMO还是FinFET,还是将来的gate-all-around,都需要在栅极这边镀一层high-k。一旦开始用了ALD,就是high-kmetalgate一旦成为晶体管tranitor一个总的栅极的主要组成部分以后,就一直会保持这个样子。

5.存储器DRAM需要通过高介电常数材料来扩大电容,所以需要大量使用ALD或者high-k技术来增大它的电容,这样可以在单位面积内有更大的电容,它的DRAM性能会更好。

6.NAND需要先用ALD把孔洞里面镀上一层,再用PVD和CVD填满。因为很深的、高深宽比的孔洞里面都要先用ALD,然后再用PVD,最后在上面再用CVD把它完全填满。

7.全球ALD市场规模预计到年将达到30亿美元。

8.这个里面做得最好的是荷兰的AMI,它大概占了4成,然后是日本的TEL占了3成,剩下还有25%大概是Applied、Lam这些公司,国内的Naura北方华创和沈阳拓荆这两个都送样机,但是可能还没有什么大的销售,这是整体来讲。

ALD的需求在不断增加,因为工艺越来越复杂,需要填充的图案难度也越来越大。

.ALD是一种化学气相沉积技术,可以在纳米尺度上控制材料的沉积。它通过在表面上交替沉积两种化学物质来实现,每次沉积一层,然后清洗表面,再沉积另一种化学物质,如此反复,直到达到所需的厚度。

2.ALD广泛应用于半导体、显示器、太阳能电池、光电器件、储能器件等领域。它可以制造高质量的薄膜,具有优异的电学、光学、磁学、力学性能,可以实现高精度、高可靠性的器件制造。

3.ALD具有很多优点,如高精度、高均匀性、高可重复性、低温沉积、低污染等。它可以制造出非常薄的薄膜,甚至可以制造出单原子层的薄膜,具有很高的控制精度。

4.ALD在半导体工艺中的应用非常广泛,可以用于制造高介电常数材料、金属氧化物、金属硅酸盐、金属硅氮酸盐等材料。它可以制造出高质量的栅极氧化物、隔离氧化物、衬底氧化物等,可以提高器件的性能和可靠性。

5.ALD在显示器工艺中的应用也非常广泛,可以用于制造透明导电膜、透明氧化物、有机发光材料等。它可以制造出高质量的薄膜,可以提高显示器的亮度、对比度、色彩饱和度等。

6.ALD在太阳能电池工艺中的应用也非常广泛,可以用于制造透明导电膜、光吸收层、电子传输层等。它可以制造出高质量的薄膜,可以提高太阳能电池的转换效率和稳定性。

7.ALD在光电器件和储能器件工艺中的应用也非常广泛,可以用于制造光电探测器、光电二极管、锂离子电池、超级电容器等。它可以制造出高质量的薄膜,可以提高器件的性能和可靠性。

8.所以这三种大型的工艺都对ALD的需求实际上是在增加的,就是因为它的工艺越来越复杂,要被填充的图案的难度越来越大,所以一定会需要更多的ALD来帮助。

国内薄膜沉积设备的国产化率较低,大约只有5%左右,其中CVD稍高一些,但也只有0%左右。北方华创是目前唯一能够达到量产水平的epitaxy供应商。PVD方面,北方华创早在年、年就已经在中芯国际的量产线上有maproduction。ALD目前还只能达到样机水平。国产设备的售价可能要比国外的同类产品要低20-30%才有竞争力。

.该设备单价高达上千万美元,对性能至关重要,因此需求增长潜力巨大。尤其是做应力材料的epitaxy,全球可能只有AppliedMaterial做得比较好。下游需求主要来自晶圆制造公司。

2.北方华创是目前唯一能够达到量产水平的epitaxy供应商。其他供应商的进展可以通过上市公司的公告了解。

3.国内薄膜沉积设备的国产化率较低,大约只有5%左右。CVD稍高一些,但也只有0%左右。PVD方面,北方华创早在年、年就已经在中芯国际的量产线上有maproduction。ALD目前还只能达到样机水平。

4.国产设备的售价可能要比国外的同类产品要低20-30%才有竞争力。国产设备大多还在单价,要么是技术水平稍低的CVD,或者哪怕是同样的CVD,可能国设备的售价可能要比国外的同类产品要低20-30%。

5.国产化率是针对在大陆的晶圆制造公司采购的中国设备,不包括台积电等公司。

6.PVD设备国产化率较低,大约只有20台里面有台是国产的,或者稍高一点。在中芯国际可能会稍高一点,因为它的情况比较特殊,被卡得比较厉害。

7.国产化率按销售额大约为5%,按设备数量可能稍微高一点,约为6%左右。

8.可能会有一些国家要求本地的设备公司,甚至全球非中国大陆以外的设备公司禁运4nm以下的设备。

ALD技术门槛高,中国厂商布局,但市场空间有限。CVD、PVD、ALD技术门槛不同,ALD最高,可搞定最小洞,每层原子精度3个angtrom。中国出现很多厂商,但有些是投机,晶圆制造厂不会购买未知品牌。全球只有4家公司在做ALD,其他公司要么太小,要么技术不行被淘汰了。

.ALD技术门槛是最高的。当然它有两种,一种是炉管式的ALD,一种是单片ALD,炉管式的ALD的技术难度相对低一点,从这个名字就能听出来。包括最早那个微米级的工艺就CVD全都搞定了,CVD就可以了,那个孔洞都是几百甚至上千nm的,那你随便填,它都没关系的,都可以覆盖得很但是等到了90nm以下的才开始用PVD。

2.ALD、CVD、PVD的技术门槛有明显区别吗?为什么要用ALD呢?就是因为那个洞太小了,有些形状是直直的一个洞,那你要填好这个直直的洞,CVD一下就把口给封住了,因为CVD速度非常快,而且它很粗的。所以你如果是个直直的洞,洞口已经堵住了,下面还是空的,这种洞CVD根本就不合适,它一定要用PVD去覆盖。然后更小的、更深的孔连PVD都不行了,PVD就算它一边镀一边削,把那个开口给你留着,但是也是有限度的,到一定程度它这个口还是会封住,然后底下没填住,所以这个情况下PVD也不行,必须要ALD。ALD是原子,atomiclayerdepoition,它是一层一层的原子来镀。

3.ALD的供应商中AMI和东京电子占比较大。国内在布局这一块技术的厂商特别多,北方华创、拓荆、微导纳米这3家主要的上市公司,包括屹唐、科民电子,青岛四方思锐收购了Beneq,都有在布局。

4.至于中国出现了很多的厂商,这里面有一些是投机的。就拿着一个topic就觉得这个东西完了,从CVD、PVD做起再做到ALD,估计时间不等人,市场也不等你,这个融资的窗口就会想换道超车,就直接从ALD做起,然后就成立了公司,或者买了一家海外的技术或者一家公司就说开干。

5.而且说实话ALD市场,刚说了全球的市场份额,虽然这个机器很先进,但是它要到百亿美元的空间还有点时间,现在才30亿美元一年,以这个空间中国30%的话也就是大概是0亿美元的空间,哪里能容纳这么多公司呢。就算国产化替代率到50%那也就5亿美元ALD,将来就算每年30%的增长也就是十几二十亿美元,最多能撑2个公司、3个公司到顶了,不可能有很多公司能做的。

6.全球发展这么多年也就4家公司在做,其他公司要么太小,要么技术不行被淘汰了。

国内ALD领域机会看好历史悠久、技术积累丰富的公司,如北方华创、拓荆,中微半导体相对落后。设备能力排序为北方华创、拓荆、中微半导体。技术节点目标是28nm。

.ALD公司需要在技术迭代和演变中不断迭代,站在巨人肩膀上才能从CVD演进到PVD演进到ALD。供应商网络也是重要的,需要有长期合作和验证,才能让客户相信。

2.客户对供应商的技术和供应渠道的掌握有所担忧,需要有trackrecord和经过验证的设备制造体系。供应商的质量和设备的一致性和可重复性也是客户


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