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技术|国内芯片厂商尝试使用国产设备 芯源微涂胶显影产品实现小批量替代

技术|国内芯片厂商尝试使用国产设备 芯源微涂胶显影产品实现小批量替代
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经济观察网 采访人员 李靖恒 在半导体设备行业 ， 目前国内光刻工序的相关设备正在逐步完善中 。
光刻工序是芯片制造中最复杂、最关键的工艺步骤之一 ， 主要包括涂胶、曝光、显影三大步骤 。 即：先用涂胶机将光刻胶涂覆在晶圆表面 ， 然后使用光刻机进行曝光 ， 曝光之后用显影机进行图形显影 。
芯源微（688037.SH）是国内一家半导体专用设备生产厂商 ， 其产品就包括光刻工序的涂胶显影设备 。 芯源微的一位销售人员向采访人员称 ， 该公司是国内唯一一家生产半导体涂胶显影设备的上市公司 。
芯源微在3月10日发布的年报中表示 ， 公司生产的涂胶显影设备产品成功打破国外厂商垄断并填补国内空白 ， 其中在集成电路前道晶圆加工环节已获得了多个前道大客户订单及应用 ， 实现小批量替代 。 (注：集成电路制造前道主要包括晶圆加工环节 ， 后道主要包括封装环节)
半导体工艺节点迈向先进制程
上诉芯源微人士告诉采访人员 ， 该公司去年设备大概卖了300多台 ， 包括各种类型的涂胶显影设备 ， 用于前道和后道的设备都有 。 根据其2001年年报 ， 该公司实现营业收入8.29亿元 ， 同比增长151.95%；归属于上市公司股东的净利润7735万元 ， 同比增长58.41% 。
芯源微年报显示 ， 公司主要从事半导体专用设备的研发、生产和销售 ， 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) ， 可用于8/12英寸单晶圆处理及6英寸及以下单晶圆处理 。
而在集成电路制造前道中 ， 晶圆加工领域用的涂胶显影影设备主要被日本东京电子有限公司（以下简称“东京电子”）所垄断 。 根据东京电子2021年年报 ， 该公司去年的销售净额（Net sales）为13991亿日元 ， 同比增长24.1%；归属于所有者的利润为2429亿日元 ， 同比增长31.2% 。
东京电子还在业绩说明会上表示 ， 由于5G、智能手机、数据中心等市场的增长导致了半导体需求的强劲上升 ， 预计2022年公司的销售净额可能会增长至17000亿日元 ， 归属于所有者净利润将会达到3300亿日元 。
芯源微在年报中称 ， 作为公司标杆产品 ， 光刻工序涂胶显影设备系集成电路制造过程中不可或缺的关键处理设备 ， 主要与光刻机(芯片生产线上最庞大、最精密复杂、难度最大、价格最昂贵的设备)配合进行作业 ， 通过机械手使晶圆在各系统间传输和处理 ， 从而完成晶圆的光刻胶涂覆、固化、显影、坚膜等工艺过程 。 作为光刻机的输入(曝光前光刻胶涂覆)和输出(曝光后图形的显影) ， 涂胶/显影机的性能不仅直接影响到细微曝光图案的形成 ， 其显影工艺的图形质量和缺陷控制对后续诸多工艺(诸如蚀刻、离子注入等)中图形转移的结果也有着深刻的影响 。
以芯源微公司生产的前道涂胶显影设备为例 ， 作为晶圆生产过程中配合光刻机工作的重要工艺设备 ， 其产品结构复杂(包括约十余个功能模块组及配套机器人)、单元众多(百余个功能单元)、配件繁杂(数万余个零部件) ， 同时还要确保平均每小时数千次的机械臂运动速度 。
前道涂胶显影设备技术涵盖机械运动、温湿度及内环境控制、系统调度及控制、化学反应及化学品管控等 ， 是多学科高度集成的现代高科技装备 ， 对生产厂商的技术储备、工艺水平提出了较高要求 。 此外 ， 影响前道涂胶显影机实现量产销售的难点还包括客户端工艺验证 ， 需要协调下游晶圆厂在不影响其生产线正常生产的情况下 ， 提供光刻机、掩膜版、检测设备及程序、客户产品片等资源配合 ， 验证流程复杂 ， 所需时间长 。
芯源微表示 ， 在前道涂胶显影领域 ， 去年公司生产的前道涂胶显影设备在28nm及以上工艺节点的多项关键技术方面取得突破 ， 比如光刻工艺胶膜均匀涂敷技术、内部微环境精确控制技术、高产能设备架构及机械手优化调度技术等多项技术已达到国际先进水平 ， “各项技术成果也已应用到新产品中 ， 未来具备快速实现国产替代的技术实力 。 ”
例如 ， 关于光刻工艺胶膜均匀涂敷技术 ， 在28nm及以上技术节点的前道晶圆加工领域 ， 芯源微的设备达到了国际先进水平,已开始部分量产 。 在后道先进封装领域 ， 芯源微的设备部分达到国际先进水平 ， 如厚胶膜涂覆均匀性方面；部分不低于国际知名企业 ， 如超厚胶膜涂覆均匀性方面 。 在内部微环境精确控制技术方面 ， 芯源微的颗粒控制指标达到国际先进水平 ， 设备内部环境温、湿度控制精度技术能力也全面提升 。
“公司在前道涂胶显影机的高产能架构方面也取得相应进展 ， 高产能架构平台应用完全自主知识产权的创新平台 ， 通过工艺单元双侧对称布置及机械手双侧同时取片 ， 满足光刻机不断提升的产能需求 。 高产能架构平台将作为公司未来前道涂胶显影设备的通用性基础平台 ， 覆盖浸没式等前沿光刻技术并向下兼容 ， 应用场景广泛 。 ”芯源微表示 。 （浸没式光刻技术：传统的光刻技术中镜头与光刻胶之间的介质是空气 ， 而浸没式技术是将空气介质换成液体）
根据是否能与光刻机联机 ， 涂胶显影设备可分为Off line（非联机）与In line（联机）两大类 ， 其中Off line多用于早期集成电路以及低端制造工艺 。 随着集成电路制造工艺自动化程度提升 ， 8英寸及以上的大型生产线中的涂胶显影设备一般均与光刻机联机作业(In line) 。
上述芯源微人士告诉采访人员 ， 该公司生产的设备联机与不联机的都有 ， 联机设备目前也有量产 。 公司生产的前道涂胶显影设备可实现和多种主流光刻机联机运行 ， 比如阿斯麦尔(ASML)、佳能（Cannon）、尼康（Nikon）等 。 虽然说和国外设备相比 ， 技术等级仍有一定的差距 。
东吴证券分析师周尔双和黄瑞连在近期发布的研究报告中表示 ， 半导体工艺节点正逐步迈向28nm以下先进制程 ， 叠加立体结构芯片放量 ， 晶圆制造过程中光刻工序循环次数将明显增加 ， 进而带动涂胶显影次数提升 。 另一方面 ， 先进制程下光刻加工线宽明显下降 ， 为保障光刻机高效工作 ， 光刻胶旋涂控制和显影操作的技术难度均大幅提升 ， 对应涂胶显影设备的单位价值量也将明显上升 。
涂胶显影设备实现小批量国产替代
上述芯源微人士告诉采访人员 ， 目前国内很多芯片大厂都是该公司的客户 ， 客户群体比较广泛 。 其中也包括一些芯片封装的大厂 ， 比如长电科技(600584.SH)等 。 近几年 ， 国内的芯片生产厂也倾向于尝试使用国产设备 。
芯源微在年报中表示 ， 公司生产的涂胶显影设备产品成功打破国外厂商垄断并填补国内空白 ， 其中在集成电路前道晶圆加工环节已获得了多个前道大客户订单及应用 ， 实现小批量替代 。
然而 ， 2021年芯源微在半导体设备行业的毛利率为37.4% ， 比上年下降了4.55个百分点 。 芯源微在3月16日发布的投资者关系活动记录中解释 ， 2021年收入中 ， 前道涂胶显影产品占比正在逐步提升 ， 由于前道涂胶显影设备正在市场开拓阶段 ， 毛利率水平尚未稳定 。 并且2021年供应链存在紧张的情况 ， 原材料成本有所波动 ， “随着公司前道涂胶显影设备的产品标准化定型和未来大批量生产带来的规模效应 ， 以及零部件国产替代的不断推进 ， 未来公司毛利率水平将得到修复 。 ”
“公司持续对前道涂胶显影机的核心零部件进行自主或联合研发 。 报告期内 ， 公司在多种核心零部件研发上取得了突破性进展 ， 已经成功实现了多种核心零部件的国产替代 。 核心零部件的国产替代有效保障了公司的供应链安全 ， 同时也降低了物料成本并缩短了供货周期 。 ”芯源微表示 。
【技术|国内芯片厂商尝试使用国产设备 芯源微涂胶显影产品实现小批量替代】当然 ， 半导体设备行业具有较高的技术壁垒、市场壁垒和客户认知壁垒 ， 以美国应用材料公司、荷兰阿斯麦尔公司、美国泛林集团、日本东京电子有限公司、美国科天半导体公司等为代表的国际知名企业占据了全球半导体设备市场的主要份额 。 例如 ， 集成电路制造前道晶圆加工领域用的涂胶显影设备主要被日本东京电子有限公司所垄断 。
不过 ， 芯源微表示 ， 去年一年内 ， 公司生产的前道涂胶显影设备获得了多个前道大客户订单及应用 ， 下游客户覆盖逻辑、存储、功率器件及其他特种工艺等多家国内厂商 。 公司生产的Off line涂胶显影机已实现批量销售 ， In line涂胶显影机已经通过部分客户验证并进入量产销售阶段 ， KrF涂胶显影机已经通过客户验收 。 （krF光刻胶与ArF光刻胶主要用于半导体领域 ， 二者曝光波长不同 ， ArF的分辨率更好 ， 技术含量更高）
在后道设备领域 ， 芯源微则表示：“公司生产的后道涂胶显影设备和单片式湿法设备作为主流机型已批量应用于台积电、长电科技、华天科技（002185.SZ）、通富微电（002156.SZ）、晶方科技（603005.SH）、中芯绍兴、中芯宁波等国内一线大厂 ， 目前已经成为客户端的主力量产设备 。 公司在后道领域持续开拓新客户 ， 报告期内积极开拓了日月光（ASX.US）、矽品科技、盛合晶微等封装客户 。 公司将在未来加大力度持续开拓中国台湾以及海外市场 。 ”
根据周尔双和黄瑞连的介绍 ， 前道晶圆加工以8/12英寸设备为主 ， 主要与光刻机配合完成晶圆加工过程中的精细光刻工艺流程 ， 对设备精度要求极高 。 而后道先进封装主要用于Bumping、WLCSP等后道先进封装技术的涂胶、显影等工序 ， 对设备精度的要求低于前道晶圆加工 。 （Bumping：晶圆凸块加工；WLCSP：晶圆片级芯片规模封装 ， 不同于传统的芯片封装方式 ， 先在整片晶圆上进行封装和测试 ， 然后才切割）
另外 ， 芯源微亦介绍称 ， 该公司生产的小尺寸涂胶显影设备与单片式湿法设备 ， 可用于化合物半导体、微机电系统、LED芯片等多个领域 ， 目前作为主流机型已批量应用于三安光电（600703.SH）、华灿光电(300323.SZ)、乾照光电(300102.SZ)、赛微电子(300456.SZ)、江西兆驰等国内一线大厂 。

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