半导体生产设备有哪些?     DATE: 2023-12-08 01:44:20

原标题:半导体生产设备有哪些?

半导体专用设备泛指用于生产各类半导体产品所需的半导备生产设备,属于半导体行业产业链的体生关键支撑环节 。

半导体专用设备是产设半导体产业的技术先导者 ,芯片设计、半导备晶圆制造和封装测试等需在设备技术允许的体生范围内设计和制造 ,设备的产设技术进步又反过来推动半导体产业的发展 。

以半导体产业链中技术难度最高  、半导备附加值最大、体生工艺最为复杂的产设集成电路为例,应用于集成电路领域的半导备设备通常可分为前道工艺设备(晶圆制造)和后道工艺设备(封装测试)两大类 。其中的体生前道晶圆制造中有七大步骤,如下图所示 :

半导体设备主要应用在半导体产业链中的晶圆制造和封装测试环节 。硅片制造是半导备半导体制造的第一大环节,硅片制造主要通过硅料提纯 、体生拉晶 、产设整型、切片、研磨、刻蚀 、抛光、清洗等工艺将硅料制造成硅片,然后提供给晶圆加工厂。

半导体工业中有两种常用方法生产单晶硅 ,即直拉单晶制造法(CZ 法)和悬浮区熔法(FZ 法)。CZ 法是硅片制造常用的方法,它较 FZ 法有较多优点,例如仅仅有 CZ 法能够做出直径大于 200mm 的晶圆 ,并且它的价钱较为便宜。

CZ 法的原理是将多晶硅硅料置于坩埚中,使用射频或电阻加热线圈加热熔化 ,待温度超过硅的熔点温度后 ,将籽晶浸入、熔接 、引晶  、放肩 、转肩等径等步骤 ,完成一根单晶硅棒的拉制。

单晶生长炉是生产单晶硅的主要半导体设备 。

单晶硅棒完成后  ,还需要经过一系列加工才能得到硅片成品,主要涉及的半导体设备有切片机 、研磨机 、湿法刻蚀机、清洗机 、抛光机和量测机 。

晶圆制造是半导体制造过程中最重要也是最复杂的环节 ,整个晶圆制造过程包括数百道工艺流程,涉及数十种半导体设备 。晶圆制造主要的工艺流程包括热处理、光刻 、刻蚀 、离子注入、薄膜沉积 、化学机械研磨和清洗。

热处理主要包括氧化 、扩散和退火工艺 。氧化是一种添加工艺 ,是将硅片放入高温炉中,加入氧气与之反应,在晶圆表面形成二氧化硅 。扩散是通过分子热运动使物质由高浓度区移向低浓度区 ,利用扩散工艺可以在硅衬底中掺杂特定的掺杂物 ,从而改变半导体的导电率,但与离子注入相比扩散掺杂不能独立控制掺杂物浓度和结深,因此现在应用越来越少。

退火是一种加热过程,通过加热使晶圆产生特定的物理和化学变化 ,并在晶圆表面增加或移除少量物质 。

热处理工艺使用的半导体设备为氧化扩散设备,其实质为高温炉 。高温炉分为直立式和水平式高温炉 ,高温炉主要包括五个基本组件:控制系统 、工艺炉管 、气体输送系统、气体排放系统和装载系统。高温炉必须具有稳定性、均匀性 、精确的温度控制 、低微粒污染、高生产率和可靠性。

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光刻工艺流程中最核心的半导体设备是光刻机 ,光刻机是半导体设备中技术壁垒最高的设备 ,其研发难度大,价值量占晶圆制造设备中的 30%  。

光刻工序所使用的半导体设备除了核心设备光刻机外,还需要涂胶显影设备 。涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备 ,包括涂胶机、喷胶机和显影机,在 8 英寸及以上晶圆的大型生产线上,此类设备一般都与光刻设备联机作业,组成配套的圆片处理与光刻生产线,与光刻机配合完成精细的光刻工艺流程。

刻蚀工艺使用的半导体设备为刻蚀机。

离子注入所使用的半导体设备为离子注入机,离子注入机是非常庞大的设备,包括了气体系统、电机系统、真空系统 、控制系统和最重要的射线系统。根据离子束电流和束流能量范围,一般可以把离子注入机分为低能大束流离子注入机、高能离子注入机和中低束离子注入机。

CVD 工艺使用的半导体设备是化学气相沉积设备,全球的化学气相沉积设备市场主要由应用资料、泛林半导体和东京电子所垄断 ,CR3 为 70% 。

从 CVD 设备种类来看  ,PECVD、APCVD 和 LPCVD 三类 CVD 设备合计市场份额约占总市场份额的 70%,仍旧是 CVD 设备市场的主流。

目前 ALD 设备尚未在集成电路行业中大规模使用,应用资料 、泛林半导体和东京电子都已经推出了 ALD 设备,国内设备生产商在 ALD 设备方面也有布局。

PVD 工艺使用的半导体设备为 PVD 设备,全球 PVD 设备市场基本上为应用资料所垄断,其市场份额高达 85%,其次为 Evatec 和 Ulvac,市场份额分别为 6%和 5%。

CMP 工艺使用的半导体设备是化学机械研磨机 。常可见的 CMP 系统包括研磨衬垫、可以握住晶圆并使其表面向下接触研磨衬垫的自旋晶圆载具 ,以及一个研磨浆输配器装置。

在全球清洗设备市场 ,市场集中度较高 。国内的清洗设备领域主要有盛美半导体 、北方华创 、芯源微 、至纯科技。

测试设备通过探针台和分选机将设备与芯片链接 ,通过施加激发信号并收集反馈 ,测试芯片的电流、电压等主要参数 ,判断芯片在不同工作环境下的性能有效性是否达到设计要求 。1)设计检测是对晶圆样品和集成电路封装样品进行有效性验证;2)CP 检测是在晶圆制造环节提早发现失效产品;3)FT 检测是芯片产品投入市场之前最后的把关环节。

ATE 设备应用最多的是后道封测环节 ,我国半导体封测产能和技术方面均处于全球领先地位。半导体探针台设备行业集中度较高。

分选机按照系统结构可以分为三大类别 ,即重力式分选机 、转塔式分选机 、平移拾取和放置式分选机 。全球分选机市场由爱德万、科休 、爱普生三家企业所垄断,国内的分选机生产商主要有长川科技 。

根据 SEMI 数据,预计 2021 年全球半导体专用设备市场规模突破 700 亿美元 ,中国半导体设备市场规模达 164 亿美元  ,同比增速保持 10%以上 。Gartner 数据统计,测试类设备占半导体设备总市场的 8-9% ,推算 2020 年全球测试设备市场规模约 55 亿美元 。

半导体测试设备主要可分为测试机 、探针台和分选机三大类,其中测试机占比约65% 。根据赛迪咨询数据,2018 年我国半导体测试机按应用领域划分,存储类占比43.8%,SoC 类占比 23.5%,其余还包括数字 、模拟和分类器件等。

测试类设备占半导体设备总市场的 8-9%,推算 2020 年中国大陆测试设备市场规模约 80 亿人民币,其中测试机市场约 50 亿元 。

全球半导体后道测试市场被海外龙头高度垄断 ,前三企业合计市场占比达 98% 。国际龙头厂商在技术和市场占有率均处于绝对领先地位,产品布局集中在 SoC 和存储器测试领域 。

封装是将芯片在基板上布局、固定及连接,并用可塑性绝缘介质灌封形成电子产品的过程,目的是保护芯片免受损伤 ,保证芯片的散热性能 ,以及实现电能和电信号的传输 ,确保系统正常工作 。封装设备主要有切割减薄设备 、引线机 、键合机、分选测试机等 。

半导体设备位于产业链的上游  ,其市场规模随着下游半导体的技术发展和市场需求而波动  。2013-2018 年 ,在智能手机和消费电子快速发展的推动下,半导体设备进入了一个持续上升的行业周期,市场规模从 317.9亿美元增长到了 645.3 亿美元 ,5 年 GACR 为 15%  。而 2019 年全球半导体设备支出为 597.5 亿美元  ,同比下降7.4%,增长势头稍有回落 。

根据 SEMI 预测 ,2020 年全球半导体设备市场规模达创纪录的 689 亿美元  ,同比增长 16%,2021 年将达 719 亿美元 ,同比增长 4.4% ,2022 年仍旧保持增长态势 ,市场将达 761 亿美元,同比增长 5.8% 。

随着 PC 和消费电子在国内的市场不断扩大 ,对于集成电路的旺盛需求带来了国内对于集成电路产业的持续投资 。自 2013 年以来国内的半导体设备市场规模不断增长,2013 年国内半导体设备市场规模 33.7 亿美元,根据 SEMI 预测,2020 年市场规模预计达 181 亿美元,七年 CAGR 达 27%。在 2019 年全球半导体资本支出低迷的情况下  ,国内半导体设备支出仍旧保持了增长态势 ,市场规模达 134.5亿美元 。同比增长 2.5%。

在国家政策和资金支持下 ,2021 和 2022 年中国大陆的半导体设备支出将持续保持高位,市场规模将保持在 180 亿美元 。2019 年国产半导体设备销售额为 161.82 亿元 ,同比增长 30% 。其中集成电路设备销售额为 71.29 亿元  ,同比增长 55.5%。而中国大陆 2019 年半导体设备市场规模 134.5 亿美元,国产化率约 17% ,具备较大国产替代空间  。

目前我国半导体设备依旧高度依赖于海外企业 ,并且在核心技术和零部件上受到必定的限制。半导体设备涉及数学 、物理 、化学 、光学、力学等多个基础学科,技术壁垒高,研发难度大周期长 ,是整个产业中最关键的环节之一。

半导体设备直接关系芯片设计能否落成实物,产品可靠性和良率能否达到设计标准 ,国内行业是否能够参与全球竞争 。因此要实现我国半导体产业链的自主可控,半导体设备至关重要 。

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