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三星半导体晶圆清洗设备技术被“盗卖”,中国或早已攻克

时间:2022-05-18 10:32:47 作者:Challey 阅读:
晶圆清洗机是半导体集成电路制造的四大设备之一,中国早已攻克了除光刻机以外的其他三种设备。随着2020年下半年开始的芯片短缺,对半导体的需求越来越强劲,包括中芯国际、台积电、三星、Intel等各大上游晶圆厂商在全球正紧锣密鼓的建厂扩产。对晶圆清洗设备的需求也快速增长。昨日(2022年5月17日),据韩国媒体koreaherald报道,三星电子子公司和主要半导体芯片相关设备供应商 Semes 的两名前雇员因涉嫌参与“晶圆清洗”技术盗窃而被起诉。
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晶圆清洗机是半导体集成电路制造的四大设备之一,中国早已攻克了除光刻机以外的其他三种设备。随着2020年下半年开始的芯片短缺,对半导体的需求越来越强劲,包括中芯国际、台积电、三星、Intel等各大上游晶圆厂商在全球正紧锣密鼓的建厂扩产。对晶圆清洗设备的需求也快速增长。昨日(2022年5月17日),据韩国媒体koreaherald报道,三星电子子公司和主要半导体芯片相关设备供应商 Semes 的两名前雇员因涉嫌参与“晶圆清洗”技术盗窃而被起诉。

SUPER CRYSTAL晶圆清洗机,来源:Semes

韩国水原地区检察官办公室周二称,这两名 Semes 前员工涉嫌向一家未公开的中国实体出售关键的晶圆清洗机——据信与 Semes 的机器相同。这对夫妇和 Semes 供应商的另外两名员工被检察官以违反《防止不公平竞争和商业秘密保护法》的罪名起诉。

据报道,被指控技术盗窃者获得了大约 800 亿韩元(6260 万美元)的回报。

水原地方检察厅发言人拒绝就此事发表进一步评论,并补充说:“完成调查还需要几周时间。” 这些机器被认为是三星尖端半导体芯片技术的关键。在芯片制造过程的最初阶段,使用清洁设备保持芯片晶圆的清洁至关重要。随着晶圆变得更薄,该工艺需要更复杂的方法。克服技术障碍的方法之一是让设备使用超临界流体状态的二氧化碳来清洁晶片,与使用其他流体(如超纯水)进行清洁相比,这可以减少对晶片的损坏。

Semes 是世界上第一家开发该技术的公司,机器已独家供应给三星电子,专门用于存储芯片、处理器芯片和合同制芯片制造业务。

三星在 Semes 拥有 90% 以上的股份,Semes 是一家设备供应商,负责监督从清洁到蚀刻、摄影、测试和封装等一系列芯片制造过程。

什么是晶圆清洗?

集成电路制造设备按类型分为氧化/扩散炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备、清洗设备与检测设备等;按工艺分为成熟工艺设备和先进工艺设备两种,成熟工艺设备包含 8 英寸、6 英寸等 90nm 以上技术节点,先进工艺设备以 12 英寸 90nm 以下技术节点为主。

晶圆厂(例如台积电、中芯国际的Fab厂)80%以上的投资用于购买集成电路设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备(包含 CVD 设备与 PVD 设备),清洗设备光刻设备是四大主要设备。

而中国在半导体制造设备中已经突破了前三种,仅光刻机还未攻克。

清洗是半导体制程的重要环节,也是影响半导体器件良率的最重要的因素之一。清洗是晶圆加工制造过程中的重要一环,为了最大限度降低杂质对芯片良率的影响,在实际生 产过程中不仅需要确保高效的单次清洗,还需要在几乎所有的制程前后都进行频繁的清洗, 在单晶硅片制造、光刻、刻蚀、沉积等关键制程工艺中均为必要环节。

1) 硅片制造过程中,经过抛光处理后的硅片,需要通过清洗过程来确保其表面的平整度 和性能,进而提升在后续工艺中的良率。

2) 晶圆制造过程中,晶圆经过光刻、刻蚀、离子注入、去胶、成膜以及机械抛光等关键 工序前后都需要进行清洗,以去除晶圆沾染的化学杂质,减少缺陷率,提高良率。

3) 芯片封装过程中,芯片需要根据封装工艺进行 TSV(硅穿孔)清洗、UBM/RDL(凸点底层 金属/薄膜再分布技术)清洗以及健合清洗等。

清洗步骤数量是芯片制造工艺步骤占比最大的工序,约占所有芯片制造工序步骤的 30% 以上。伴随半导体制造技术节点的进步,清洗工序的数量和重要性将继续提高。在半导体芯片工艺技术节点进入 28nm、14nm 以及更先进等级后,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。每个晶片在整个制造过 程中需要甚至超过 200 道清洗步骤,晶圆清洗变得更加复杂、重要及富有挑战性。

Semes及半导体设备产品

Semes是三星电子旗下的一家半导体设备供应商(三星拥90%以上的Semes的股份),同时也是韩国最大的半导体设备制造商。其目标是到2030年销售额达到5万亿韩元,进入全球TOP5。三星希望通过Semes实现自身在半导体/显示核心设备领域的自主。三星目前也是Semes的主要客户。

Semes的设备研发主要以半导体制程中使用的清洗、蚀刻、涂胶显影等设备为中心,同时覆盖测试&封装、半导体物流自动化设备、OLED显示等领域。

目前,Semes的产品主要包括半导体前道工序领域的清洗、Phototrack(OMEGA-S、OMEGA-K)、蚀刻(Michelan O3、Michelan C4)设备,还有后道工序的Bonder、Probe、Test Handler等设备。

其中半导体清洗设备有:

SUPER CRYSTA:

LOTUS:

BLUEICE PRIME:

IRIS PRIME:

BLUEICE SPM::

IRIS:

 

数据显示,Semes在2021年全年的收入为3.12万亿韩元(约人民币162亿元),营业利润为3533亿韩元。这是该公司迄今为止最好的年度业绩。与2020年相比,收入和营业利润也分别增长了41%和24%。其中,晶圆厂设备占Semes的2021年收入的75%,而平板显示设备占比1.7%。2020年,晶圆厂设备占其年收入的61.24%,而平板显示设备占比9.9%。

半导体清洗设备市场,中国已攻克技术

上面说过,晶圆厂 80%以上的投资用于购买集成电路设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备(包含 CVD 设备与 PVD 设备),清洗设备和光刻设备是四大主要设备,2019年四大主要设备投资规模占晶圆制造设备总投资的比例分别为 30%、25%、5%、 23%。

全球半导体清洗设备主要由日本、美国等国外企业供应,合计占比超过80%。其中,日本厂商迪恩士处于绝对领先地位,市场份额超过50%。其次是东京电子、泛林等,市场份额30%-40%。其余的为韩国厂商 SEMES 和 Mujin。

据Gartner的数据显示,在2019年的全球半导体清洗设备市场,日本迪恩士(DNS)、日本东京电子(TEL)、韩国SEMES和美国泛林集团(Lam research)分别占据了45.10%、25.30%、14.80%和12.50%的市场。 国内市场方面,按 2019 年中国半导体清洗设备招标采购份额计算,DNS、Lam research、TEL 占比分别为 48%,20%,6%。

国内半导体清洗领域的重要参与者包括至纯科技、盛美半导体、北方华创、芯源微等, 国内半导体清洗厂商起步比海外虽然较晚,追赶势头强劲,目前市场合计占比 22%。

1、清洗设备展露头角

其中盛美为国内半导体清洗设备的行业龙头企业,主要产品为集成电路领域的单片清洗设备,其中包括单片清洗设备、单片背面清洗设备、单片刷洗设备、槽式清洗设备和单片槽式组合清洗设备等,产品线较为丰富;北方华创可提供多种类型的单片清洗和槽式清洗设备,已广泛应用于集成电路、半导体照明、先进封装等领域;至纯科技具备生产 8-12 英寸高阶单片湿法清洗设备和槽式湿法清洗设备的相关技术;芯源微目前产品用于集成电路制造领域的单片式刷洗领域。

以盛美为例,研发出 SAPS、TEBO 等清洗技术,成功解决兆声波清洗不均匀和易损伤两大难题。相比传统的兆声波清洗方法,盛美首创的 SAPS 技术将兆声波能量发生器和晶圆之间的间隙做周期性变化,达到了对晶圆表面兆声波能量分布的精确控制,有效解决了兆声波能量在晶圆表面分布不均匀的难题。同时 TEBO 清洗技术使得兆声波清洗产生的气泡不会爆炸,实现了硅片均匀和无损的兆声波清洗重要突破。目前盛美已成为国产清洗设备领域头部企业,且已通过韩国海力士验收。

注:

兆声波清洗是由超声波清洗发展而来的,是利用换能器发出兆赫级高能声波(振动产生 0. 8 MHz ), 溶液分子在这种声波的推动下作加速运动(最大瞬时速度达到30 cm/s),以强声压梯度及声流作用产生的高速流体力学层连续冲击,使吸附的微细颗粒解吸的清洗技术。作为一种纳米级精密清洗技术,兆声波清洗不但继承了超声波清洗的优点,而且克服了它的缺陷。在粘滞层厚度、功率密度、共振效应、衍射效应方面比超声波清洗技术更有优势。

兆声波清洗技术作为超精密清洗代表的纳米级清洗技术,在半导体清洗领域占据举足轻重的作用,成为前沿精密清洗领域一匹少壮有为的黑马:既可以完成Si圆片、GaAs、液晶玻璃及其他玻璃面罩的清洗,也可以完成硬盘及其读写头、半导体组件、光掩模、薄膜磁头等脆性材料的超精密清洗。同时,可处理TSV刻蚀后清洗、UBM/RDL清洗、键合清洗等先进封装领域的精密清洗。随着研究的进一步深入,兆声波清洗技术除了在半导体和电子器件的生产过程中获得越来越多的应用外,在光学器件和医疗仪器的精密清洗上也备受关注。

 

(1)至纯科技

拥有 8-12 英寸高阶单晶圆湿法清洗设备和槽式湿法清洗设备的相关技术, 产品覆盖晶圆制造、先进封装、太阳能等多个下游应用。公司湿法设备有槽式和单片式 (8~12 反应腔)两种,可以提供到 28 纳米节点全部湿法工艺,已经切入中芯国际、华虹 集团等一线用户,单片式湿法设备已获得国内重要用户多个订单。

(2)盛美半导体

是国内半导体清洗设备的龙头,在 12 寸线清洗设备处于行业领先地位, 产品线丰富,清洗设备营收体量国内最大。公司主要产品为集成电路领域的单片清洗设备, 其中包括单片 SAPS 兆声波清洗设备、单片 TEBO 兆声波清洗设备、单片背面清洗设备、 单片前道刷洗设备、槽式清洗设备、单片槽式组合清洗设备等。

(3)北方华创

是国内半导体设备龙头,产品线丰富,包括刻蚀机、PVD、CVD、ALD、氧 化/扩散炉、退火炉、清洗机,公司通过收购美国半导体设备生产商 Akrion Systems LLC 完 善了清洗设备产线,目前公司主要清洗设备产品为单片和槽式清洗设备,可适用于技术节 点为 65nm、28nm 工艺的芯片制造。

(4)芯源微

目前产品主要产品包括光刻工序涂胶显影设备(涂胶/显影机、喷胶机)和单片 式湿法设备(清洗机、去胶机、湿法刻蚀机),公司生产的前道 Spin Scrubber 清洗机设备 目前已达到国际先进水平,成功实现进口替代,已经在中芯国际、上海华力、厦门士兰集 科等多个客户处通过工艺验证,并获得国内多家 Fab 厂商的批量重复订单。

 

其他设备

2、刻蚀设备,国产设备在成熟工艺取得突破

根据 Gartner 统计数据,2020 年全球干法刻蚀设备行业市场集中度较高,CR3 达到 90.24%,其中泛林半导体以 46.71%的市场份额排在第一位。中微公司、北方华创、屹唐股份市场份额分别为 1.37%、0.89%、0.1%,与泛林半导体、东京电子、应用材料的市场份额相比,差距较大。目前,中微公司、北方华创、屹唐股份等企业尚处于追赶阶段,全球市场占有率较低。

3、薄膜沉积设备,国内公司在特殊工艺领域已迎头赶上

薄膜沉积设备市场规模持续增长。根据 Maximize Market Research 数据统计,2020 年全球半导体薄膜沉积设备市场规模为 172 亿美元,2017-2020年全球半导体薄膜沉积设备市场规模年复合增长率为 11.2%,MaximizeMarket Research 预计 2021 年全球半导体薄膜沉积设备市场规模将达到 187亿美元。薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中的介质层与金属层的沉积,包括CVD(化学气相沉积)设备,PVD(物理气相沉积)设备和 ALD(原子层沉积)设备等。

全球 CVD 市场上,应用材料占据龙头地位,市场份额 30%,其次是泛林半导体和东京电子,市场集中度较高。国内市场上,北方华创的LPCVD,以及沈阳拓荆的 PECVD,已通过主流晶圆代工厂验证,开始进行小批量生产交付。目前全球 PVD 市场高度垄断,应用材料占 85%的市场份额。国内企业北方华创实力领先, 2019 年北方华创 PVD 份额 3%,与国际领先公司差距较小。ALD 领域作为新兴领域,国内公司与国外巨头起步时间较为接近,国外公司技术壁垒并不高,国内公司在国内晶圆厂有一定渗透率。

拓荆科技主要产品包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备、原子层沉积(ALD)设备和次常压化学气相沉积(SACVD)设备三个产品系列,已广泛应用于国内晶圆厂 14nm 及以上制程集成电路制造产线,并已展开10nm 及以下制程产品验证测试。产品已适配国内最先进的 28/14nm 逻辑芯片、19/17nm DRAM 芯片和 64/128 层 3D NAND FLASH 晶圆制造产线。

4、光刻机

众所周知,这是目前中国半导体领域最缺乏的设备,也是被卡脖子的重要设备。

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Challey
资深产业分析师
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