国产半导体设备大点兵，谁能成为中芯国际28nm产线新宠？
来源:芯东西发布时间:2021-09-2322浏览
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设备厂商密集冲上市，28nm国产替代还差什么？作者 | 高歌编辑 | Panken
上周，国产设备厂商北京华卓精科科技股份有限公司成功过会。事实上，自今年6月以来，华海清科、华卓精科、拓荆科技、屹唐股份等国产设备厂商纷纷进入上市流程，其承担的集成电路研发项目也有所突破。而这正是下游中芯国际等厂商所期待的“及时雨”。本月，中芯国际披露其将在上海临港再建一座晶圆厂，该晶圆厂总投资88.7亿美元，计划产能为每月10万片12英寸晶圆产能。上海临港管委会为该晶圆厂项目得合资方，出资25%；中芯国际出资则不低于51%。根据公告，中芯国际位于上海临港的晶圆厂将提供28nm及以上技术节点的晶圆代工与技术服务。这已经是中芯国际在一年里第三次宣布扩产、建厂。同时台积电、联电、格芯等代工厂商都选择扩张28nm产能，可见28nm制程已成为各家厂商争夺的关键战场。但由于中芯国际被列入美国商务部的实体清单，如果想要获得应用材料、泛林半导体等美国公司的设备，就需要向美国政府申请出口许可证。在全球代工厂商决战28nm之际，国产设备厂商的快速发展或许是中芯国际被卡脖子时仍扩产28nm、争夺市场份额的底牌之一。01.北、深、沪连建厂，光刻机已突围
▲中芯国际制程收入占比变化（来源：中芯国际）
在二季度电话会议上，有分析师询问了中芯国际28nm制程扩产的情况。中芯国际联席首席执行官赵海军承认，中芯国际的28nm节点扩产确实存在设备“delay（延期）”的情况，正在与合作伙伴进行努力和沟通。他也强调“办法还是可以想的出来的”，中芯国际有第二方案的供应商。同时，按照此前的经验，中芯国际是可以在一些节点上获得美国政府的批文，中芯国际将努力把这种批准延续到更加先进的节点。光刻机是半导体设备中技术壁垒最高、难度最大、国产替代进程较慢的设备。不过这一次中芯国际并不缺乏用于28nm产线的DUV光刻机。尽管ASML DUV光刻机的光源及部分部件是在美国生产，然后运往荷兰组装，但在荷兰生产的光刻机并不需要美国批准。如果ASML向中芯国际出口在美国生产的DUV光刻机，才需要获得美国政府的出口许可证。今年3月，ASML已和中芯国际将此前于2018年的DUV光刻机订单延长至2021年12月底，订单价值高达12亿美元。短期来看，中芯国际并不会缺少用于28nm产线的DUV光刻机。光刻机暂时不是拦路虎，但其他设备的交付情况并不乐观。应用材料、泛林半导体等设备巨头在美国生产的半导体设备如果无法按期交付，可能会阻碍中芯国际28nm扩产进度。中国台湾市场调研机构TrendForce今年早些时候称，应用材料、泛林半导体、KLA-Tencor和Axcelis等美国设备厂商已申请了许可，但存在拒绝的可能。因此，如果上述厂商的许可被拒绝，国产替代设备就将成为中芯国际扩产的备选方案。02.国产设备厂商技术水平基本已达28nm
▲集成电路制造工艺流程主要设备类型（来源：屹唐股份上会稿）
1、热处理（氧化/扩散）设备：多套设备可用于28nm产线热处理是半导体制造工艺中的重要环节，氧化可以让硅片表面发生化学反应，形成氧化膜；扩散则是利用热扩散原理，将特定元素掺入硅衬底中，从而改变其电学特性。这一工序中，北方华创、屹唐股份等厂商可以提供应用于28nm逻辑芯片产线的设备。北方华创是国产半导体设备龙头之一，其在这一制造环节有立式氧化炉、立式退火炉、立式低压化学气相沉积系统、立式合金炉、多功能LPCVD和卧式扩散/氧化系统等多种设备，前4套设备均可用于28nm及以上集成电路制造。
▲北方华创半导体设备类型（来源：北方华创官网）
屹唐股份的实际控制人为财政审计局，此前收购了美国纳斯达克上市公司Mattson Technology Inc.（MTI），其热处理设备最高可用于5nm逻辑芯片产线。根据屹唐股份的招股说明书，中芯国际正是其热处理设备的代表客户。
▲屹唐股份主营产品代表客户（来源：屹唐股份上会稿）
2、薄膜生长设备：北方华创、拓荆科技产品均可用于28nm产线薄膜生长是指采用物理或化学的方式使物质附着于衬底材料表面，以达到绝缘或者导电的效果。在薄膜生长环节，北方华创能够提供化学气相沉积设备（CVD）、物理气相沉积设备（PVD）、原子层沉积设备（ALD）等产品；拓荆科技则有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。北方华创的立式低压化学气相沉积系统可用于28nm及以上的集成电路制造；其exiTin系列TiN金属硬掩膜机台可以用于12英寸55-28nm的Ti/TiN PVD工艺。目前TiN金属硬掩膜机台已进入国际供应链体系并稳定量产；此外，北方华创PEALD设备也能够满足28nm产线的要求。拓荆科技是国产半导体薄膜沉积设备厂商，其大股东为国家集成电路基金，如今正在进行科创板上市流程。拓荆科技的主要产品有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）设备三个系列，可用于28nm/14nm逻辑芯片产线，并且可以延展至14nm及以下。
▲拓荆科技PECVD设备（来源：拓荆科技官网）
3、光刻设备：光刻机可用于90nm制程，涂胶显影设备达28nm节点国内唯一的光刻机整机厂商为上海微电子，其零部件供应商有北京科益虹源、北京国望光学、长春国科精密光学、北京华卓精科、浙江启尔机电等，上述产品分别为光源系统、物镜系统、曝光光学系统、双工件台、浸没系统等。上周六，上海微电子宣布推出新一代大视场高分辨率先进封装光刻机，该光刻机主要应用于高密度异构集成领域，具有高分辨率、高套刻精度和超大曝光视场等特点。根据上海微电子的官网，其最先进的IC前道制造光刻机型号为SSA600/20，采用ArF光源，可用于90nm制程。从公开信息来看，国产光刻机的光源、光学系统距离适配28nm产线仍有一定距离。即使193nm ArF浸没式DUV光刻机研发完成，其单次曝光的分辨率仅为38nm。如果想要应用于28nm产线，仍需在曝光工艺、光刻胶材料等方面进行改进、升级。
▲上海微电子前道IC制造光刻机（来源：上海微电子官网）
光刻设备中，除了光刻机，涂胶显影设备也是重要的一环。涂胶显影设备将影响光刻图案的形成，其设备质量还将影响后续蚀刻、离子注入等流程。在这一领域中，芯源微电子设备有限公司是重要的国产供应商，其大部分股东为国资背景。目前，芯源公司的涂胶显影设备最高可用于12英寸单晶圆处理，其前道KS-FT200/300涂胶显影机可用于28nm及以上工艺节点。
▲芯源公司前道涂胶显影机（来源：芯源公司官网）
4、刻蚀设备：中微公司已成全球巨头之一，产品已用于5nm产线刻蚀即用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程，其基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形。国内的主要刻蚀设备厂商有中微公司、北方华创、屹唐股份等。其中，中微公司已是全球半导体刻蚀设备的5大供应商之一，其12英寸高端刻蚀设备已用于5nm产线；3nm刻蚀机Alpha原型机的设计、制造、测试及初步的工艺开发和评估已完成。
▲中微公司2013年推出的刻蚀机，可用于26-10nm芯片制造（来源：中微源公司官网）
此外，屹唐股份的干法刻蚀设备可用于65nm-5nm逻辑芯片量产；北方华创的NMC612D 12英寸硅刻蚀机则主要可应用于FinFET工艺下的干法刻蚀工艺。5、离子注入设备：仅有中科信和凯世通完成部分12英寸晶圆产线验证离子注入则是除了扩散的另一种半导体掺杂技术，该技术通过高能量带电离子束，将掺杂物原子强行注入半导体中。离子注入环节的技术门槛相对较高，国产厂商市场份额较少，仅有中科信及万业企业旗下的凯世通的产品在部分12寸晶圆产线获得验证通过，是否能够帮助中芯国际扩产28nm并不明确。
▲凯世通离子注入机（来源：凯世通官网）
6、去胶设备：屹唐股份已成全球干法去胶龙头，最高可用于5nm量产经历刻蚀后，晶圆已不需要光刻胶作为保护层，因此需要将光刻胶从硅片表面去除，干法去胶利用等离子体将光刻胶去除，其效果较湿法去胶工艺更好。在干法去胶领域，屹唐股份已成为全球龙头厂商。屹唐股份占据了全球干法去胶设备市场的31.29%，是全球市场份额最多的厂商，其产品可用于90nm到5nm逻辑芯片的干法去胶工艺。
▲全球干法去胶设备市场份额（来源：屹唐股份上会稿）
7、CMP设备：华海清科机台正在进行产线验证华海清科则是国内唯一一家12英寸CMP商业机型制造商，同样是中芯国际的供应商。该公司承担了《28-14nm抛光设备及工艺、配套材料产业化》项目，其中“CMP抛光系统研发与整机系统集成”课题于2020年6月顺利验收。当前华海清科的机台产品正在做产线验证，或将在未来进入28/14nm产线。
▲华海清科2020年前五大客户（来源：华海清科招股书）
03.短期内仍需依赖国际巨头
04.结语：28nm制程能否扩产或成中芯国际营收关键
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