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產(chǎn)業(yè)圖譜 · 第一彈
哪些勇士，在啃國產(chǎn)替代的硬骨頭？
半導(dǎo)體在大眾眼中真正火起來，始于2019年。彼時飛速發(fā)展的5G產(chǎn)業(yè)極大提振了半導(dǎo)體設(shè)備需求，電源管理芯片、通訊芯片等供不應(yīng)求。這一效應(yīng)傳導(dǎo)至資本端，國內(nèi)半導(dǎo)體投資熱度陡然拉升，風(fēng)投機(jī)構(gòu)幾乎都將此作為必投方向，堪稱最火的潮流指標(biāo)。
當(dāng)前國產(chǎn)替代大背景下，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的興衰漲落也被賦予了一層民族振興的色彩，這條蜿蜒崎嶇的變革路也吸引了越來越多有識之士。在我國半導(dǎo)體設(shè)備各細(xì)分領(lǐng)域中，刻蝕、清洗、CMP及熱處理設(shè)備的國產(chǎn)化率基本在20%以上，去膠設(shè)備國產(chǎn)化率可達(dá)90%。但薄膜沉積、涂膠顯影、離子注入、檢測等設(shè)備國產(chǎn)化率尚不足10%，甚至還未實(shí)現(xiàn)0的突破。
國產(chǎn)替代路在何方？漫長星夜下又有哪些趕路人？自成立起，芯潮IC持續(xù)關(guān)注國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈動態(tài)，現(xiàn)正式推出【國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)圖譜】系列策劃，從初創(chuàng)企業(yè)和上市企業(yè)兩大維度制作半導(dǎo)體行業(yè)各個細(xì)分領(lǐng)域企業(yè)名錄，跟進(jìn)國產(chǎn)替代最新進(jìn)展，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)人士、研究者、愛好者提供一份詳實(shí)的資料寶圖。
首期圖譜聚焦集成電路制造過程中的關(guān)鍵處理設(shè)備——涂膠顯影機(jī)，這一領(lǐng)域國內(nèi)有哪些廠商，技術(shù)水平如何，它們該如何撕開巨頭壟斷的帷幕？讓我們一起來探究。
01、八大設(shè)備之一，國產(chǎn)替代不足2%
半導(dǎo)體設(shè)備是由成千上萬零部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這些零部件有機(jī)組合在一起，執(zhí)行nm級精密度的生產(chǎn)操作。
芯片生產(chǎn)過程示意圖? 芯潮IC整理制作
一般來看，集成電路制造過程中主要用到八大類設(shè)備：擴(kuò)散爐-光刻機(jī)-涂膠顯影機(jī)-刻蝕機(jī)-離子注入機(jī)-薄膜沉積設(shè)備-化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)-清洗機(jī)。
其中涂膠機(jī)和顯影機(jī)作為光刻機(jī)的輸入（曝光前光刻膠涂覆）和輸出（曝光后圖形的顯影）設(shè)備，主要通過機(jī)械手使晶圓在各系統(tǒng)之間傳輸和處理，從而完成晶圓的光刻膠涂覆、固化、顯影、堅(jiān)膜等。無論是晶圓制造前道工藝，還是封裝測試后道工藝，涂膠顯影設(shè)備都發(fā)揮重要作用，耗時占半導(dǎo)體制造總過程的40％。
具體來看，涂膠機(jī)在晶圓表面均勻涂覆光刻膠后，顯影機(jī)就將曬制好的印版通過半自動和全自動程序，完成顯影、沖洗、涂膠、烘干等工序。
光刻工藝中的涂膠顯影過程
圖片來源：東方證券研究所
這一過程尤為關(guān)鍵，涂膠顯影直接影響到光刻工序細(xì)微曝光圖案的形成，從而影響后續(xù)蝕刻和離子注入等工藝中圖形轉(zhuǎn)移的結(jié)果。無論是晶圓制造前道工藝還是封裝測試后道工藝，涂膠顯影設(shè)備的作用都不可小覷。
在早期的集成電路和一些較低端的半導(dǎo)體制造工藝中，涂膠顯影設(shè)備往往單獨(dú)使用，隨著芯片制造工藝自動化程度及客戶對產(chǎn)能要求的不斷提升，在200mm（8英寸）及以上的大型生產(chǎn)線上，此類設(shè)備逐漸開始與光刻設(shè)備聯(lián)機(jī)作業(yè)（In Line），組成配套的圓片處理與光刻生產(chǎn)線，共同完成精細(xì)的光刻工藝流程。
現(xiàn)階段摩爾定律發(fā)展面臨瓶頸，傳統(tǒng)封裝已無法滿足現(xiàn)代集成電路應(yīng)用需求。在國際形勢影響下，我國芯片制造企業(yè)自主研發(fā)能力不斷提升，帶動芯片產(chǎn)量持續(xù)增長。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2021年我國芯片產(chǎn)量達(dá)3594.3億顆，同比增長33.3％。先進(jìn)封裝技術(shù)正被越來越多地應(yīng)用到電子產(chǎn)品，下游芯片生產(chǎn)廠商對先進(jìn)封裝設(shè)備的需求正不斷增強(qiáng)，預(yù)計(jì)未來一段時間，我國膠顯影設(shè)備的應(yīng)用需求會不斷增長。
據(jù)東方證券統(tǒng)計(jì)，截至2021年，我國半導(dǎo)體涂膠顯影設(shè)備國產(chǎn)化率尚不足2%。從技術(shù)壁壘上看，如何保障設(shè)備在nm級別的操作基礎(chǔ)上的超高良率，以及保障設(shè)備在實(shí)現(xiàn)以上兩個要求的基礎(chǔ)上長時間穩(wěn)定的運(yùn)行，是當(dāng)前國產(chǎn)設(shè)備亟需提升的難點(diǎn)。而由于涂膠顯影技術(shù)與光刻機(jī)高度相關(guān)，屬于美國打擊、限制高精尖技術(shù)努力范圍，國產(chǎn)替代更顯得必要且艱難。
02、哪些勇士，在啃國產(chǎn)替代的硬骨頭？
獨(dú)挑重?fù)?dān)走長路，自力更生創(chuàng)未來。越來越多的企業(yè)加入國產(chǎn)替代的行列，就涂膠顯影設(shè)備而言，國內(nèi)有數(shù)十家相關(guān)企業(yè)，部分企業(yè)已完成上市。
國內(nèi)涂膠顯影機(jī)廠商圖譜? 芯潮IC整理制作
具體來看，國內(nèi)涂膠顯影設(shè)備上市企業(yè)包括芯源微、華海清科、盛美半導(dǎo)體、中國電科45所和中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器股份有限公司等，整體數(shù)量不足十家。
近年來一個明顯的現(xiàn)象是，越來越多初創(chuàng)企業(yè)開始切入顯影機(jī)賽道，以創(chuàng)世微納、芯達(dá)科技、芯米半導(dǎo)體等為代表，它們多數(shù)成立時間較短，在業(yè)務(wù)領(lǐng)域上涉足多種集成電路設(shè)備。
國內(nèi)涂膠顯影機(jī)主要廠商名錄及最新市值
芯潮IC整理制作 統(tǒng)計(jì)截至2023年4月11日
以上市企業(yè)芯源微（688037.SH）為例，芯源微全稱沈陽芯源微電子設(shè)備股份有限公司，于2019年12月登錄上海證券交易所，是國內(nèi)第一家在涂膠顯影設(shè)備上取得突破的企業(yè)，也是國內(nèi)少有的能做IC級in-line涂膠顯影設(shè)備的廠商，已擁有專利超350項(xiàng)，主持制定2項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
在LED封裝以及集成電路后道先進(jìn)封裝的涂膠顯影設(shè)備領(lǐng)域，芯源微已有一定的市場占有率，其前道180納米的I-line涂膠顯影機(jī)已在長江存儲上線進(jìn)行工藝驗(yàn)證，前道Barc（抗反射層）涂膠設(shè)備在已通過上海華力工藝驗(yàn)證，可滿足客戶28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)加工工藝，并陸續(xù)獲得上海華力、中芯紹興、廈門士蘭集科、上海積塔、株洲中車、青島芯恩、中芯寧波、昆明京東方等多個前道大客戶訂單及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)小批量國產(chǎn)替代。
財(cái)報(bào)數(shù)據(jù)顯示，芯源微2022年度實(shí)現(xiàn)營業(yè)總收入13.85億元，同比增長67.12%；實(shí)現(xiàn)利潤總額2.19億元，同比增長188.30%；實(shí)現(xiàn)歸母凈利潤1.97億元，同比增長155.31%；實(shí)現(xiàn)歸母扣非后凈利潤1.38億元，同比增長116.12%。報(bào)告期內(nèi)，芯源微集成電路前道晶圓加工領(lǐng)域產(chǎn)品收入實(shí)現(xiàn)快速放量，同時保持小尺寸（如 LED、化合物半導(dǎo)體等）及集成電路后道先進(jìn)封裝領(lǐng)域產(chǎn)品收入穩(wěn)步增長。
但整體來看，當(dāng)前國內(nèi)涂膠顯影機(jī)行業(yè)集中度較高，海外品牌占據(jù)市場壟斷地位，如日本東電電子公司TEL占據(jù)我國涂膠顯影設(shè)備市場近90％的份額。我國涂膠顯影設(shè)備企業(yè)僅占據(jù)市場不到4％的份額，國產(chǎn)替代依然任重而道遠(yuǎn)。
03、巨頭林立，全球涂膠顯影市場如何分羹？
相較于國內(nèi)的涂膠顯影市場，海外巨頭往往因更早進(jìn)入市場，國外各大廠商的接納度高，因此有技術(shù)迭代的先進(jìn)性、先發(fā)市場的份額優(yōu)勢，技術(shù)的規(guī)則制定等優(yōu)勢，這不僅相對于國產(chǎn)涂膠顯影機(jī)有著更大的市場份額和先進(jìn)技術(shù)，也對國內(nèi)的技術(shù)發(fā)展造成了巨大的影響。
具體來看，以東京電子為首，包含日本迪恩士、德國蘇斯微、中國臺灣億力鑫、韓國細(xì)美事等公司，在市場上壟斷了國外95%以上的份額，國內(nèi)90%以上的市場份額。這些公司以更廣泛的尺寸（1 μm以下到500 μm以上）、更加完善的產(chǎn)業(yè)鏈、更成熟的買賣商戶，牢牢的構(gòu)筑了穩(wěn)定的市場，也鎖死了其他企業(yè)的發(fā)展空間。
其中成立于2006年的東京電子（TEL），又稱東京威力科創(chuàng)。主營產(chǎn)品包括涂布/顯像設(shè)備、熱處理成膜設(shè)備、干法刻蝕設(shè)備、CVD、濕法清洗設(shè)備及測試設(shè)備等。在2022年?duì)I業(yè)額為147億美元，利潤近44億美元，其中涂布機(jī)/顯影機(jī)占比26%。TEL 壟斷了全球88%和中國91%的涂膠顯影設(shè)備市場份額。TEL新產(chǎn)品吞吐≥200wph，覆蓋的工藝制程包括EUV、ArFi、ArF、KrF、i-line、SOC、SOD等，掌握著國內(nèi)企業(yè)尚未涉足的28nm以下先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的ArFi沉浸式涂膠顯影設(shè)備。
全球涂膠顯影機(jī)主要廠商名錄及最新市值
芯潮IC整理制作
如此對比，國產(chǎn)涂膠顯影設(shè)備與國際先進(jìn)廠商差距明顯，不論是設(shè)備檢驗(yàn)難度、技術(shù)壁壘，還是客戶綁定性，都對國產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)自主可控形成阻礙。細(xì)分來看，以下幾方面原因最為突出：
1、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜
涂膠顯影設(shè)備結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，往往包含百余個功能單元、數(shù)萬余個零部件，其中機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)晶圓在設(shè)備內(nèi)部多個工藝腔體之間的精確快速傳送，是設(shè)備的核心零部件，通常需根據(jù)晶圓廠客戶不同需求進(jìn)行定制化開發(fā)。
2、驗(yàn)證周期長
前道涂膠顯影設(shè)備驗(yàn)證有捆綁性，需要光刻機(jī)、掩模版，經(jīng)過曝光顯影之后才能發(fā)現(xiàn)問題，周期較長，大概在 9-12 個月。
3、驗(yàn)證成本高
設(shè)備驗(yàn)證需與光刻機(jī)配合，光刻機(jī)產(chǎn)能緊張下客戶端工藝驗(yàn)證難。涂膠顯影設(shè)備多是 Inline 設(shè)備，因此在進(jìn)行客戶端工藝驗(yàn)證時需要與光刻機(jī)聯(lián)機(jī)。當(dāng)前光刻機(jī)產(chǎn)能持續(xù)緊缺，短期內(nèi)的供應(yīng)緊張難以緩解，因此晶圓廠抽調(diào)光刻機(jī)驗(yàn)證新涂膠顯影設(shè)備的意愿較低，這無疑拔高了涂膠顯影市場的進(jìn)入門檻。
4、人才過于集中
優(yōu)質(zhì)人才集中于日本東京電子，人才培養(yǎng)難度較高。涂膠顯影設(shè)備的技術(shù)儲備集中于 TEL 等少數(shù)廠商，專業(yè)技術(shù)人員極為稀缺，且流動率極低。截至2021財(cái)年，TEL公司員工平均服務(wù)年限達(dá)到了17年4個月，當(dāng)年員工流動率僅為1.0%。
04、結(jié)語行而不輟，未來可期
積土成山，風(fēng)雨興焉。經(jīng)過多年的積極布局，我國的涂膠顯影設(shè)備獲得巨大突破：已掌握28nm及以上技術(shù)節(jié)點(diǎn)；厚膠涂覆均勻性和厚膜平面噴涂均勻性方面部分達(dá)到國際先進(jìn)水平；前道涂膠顯影機(jī)具有與多種主流光刻機(jī)聯(lián)機(jī)作業(yè)和遠(yuǎn)程無人化操作能力。
但不可否認(rèn)，國產(chǎn)涂膠顯影設(shè)備仍存在許多問題：還未突破28nm以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)；超厚膠膜涂覆均勻性和薄膜平面噴涂均勻性欠佳；相較于東京電子涂布機(jī)/顯影機(jī)設(shè)備生產(chǎn)效率較低；雖然可以聯(lián)機(jī)作業(yè)，但聯(lián)機(jī)驗(yàn)證較少。伴隨著制程技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷進(jìn)步，涂膠顯影設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程仍需奮力推進(jìn)。
道阻且長，行則將至；行而不輟，未來可期。要想突破現(xiàn)有市場桎梏，國內(nèi)相關(guān)高校及廠商需要持續(xù)攻堅(jiān)，在光刻工藝膠膜均勻涂覆工藝、精細(xì)化顯影技術(shù)、內(nèi)部微環(huán)境精確控制技術(shù)等方向進(jìn)行針對性研發(fā)，單點(diǎn)突破，聚點(diǎn)成面。隨著越來越多有識之士投身其中，中國半導(dǎo)體設(shè)備的自主化將如破浪之舟，揚(yáng)帆遠(yuǎn)航。
作者 I 辰壹 島里
出品 I 芯潮 IC? ?ID I xinchaoIC
參考資料：
1、半導(dǎo)體前道設(shè)備研究框架，東方證券
2、開源劉翔團(tuán)隊(duì) | 芯源微首次覆蓋報(bào)告：涂膠顯影唯一國產(chǎn)設(shè)備商，立足后道，拓展前道，劉翔電子研究
