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產業(yè)圖譜 · 第一彈
哪些勇士，在啃國產替代的硬骨頭？
半導體在大眾眼中真正火起來，始于2019年。彼時飛速發(fā)展的5G產業(yè)極大提振了半導體設備需求，電源管理芯片、通訊芯片等供不應求。這一效應傳導至資本端，國內半導體投資熱度陡然拉升，風投機構幾乎都將此作為必投方向，堪稱最火的潮流指標。
當前國產替代大背景下，半導體產業(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。在我國半導體設備各細分領域中，刻蝕、清洗、CMP及熱處理設備的國產化率基本在20%以上，去膠設備國產化率可達90%。但薄膜沉積、涂膠顯影、離子注入、檢測等設備國產化率尚不足10%，甚至還未實現(xiàn)0的突破。
國產替代路在何方？漫長星夜下又有哪些趕路人？自成立起，芯潮IC持續(xù)關注國內半導體產業(yè)鏈動態(tài)，現(xiàn)正式推出【國產半導體設備行業(yè)圖譜】系列策劃，從初創(chuàng)企業(yè)和上市企業(yè)兩大維度制作半導體行業(yè)各個細分領域企業(yè)名錄，跟進國產替代最新進展，為相關產業(yè)人士、研究者、愛好者提供一份詳實的資料寶圖。
首期圖譜聚焦集成電路制造過程中的關鍵處理設備——涂膠顯影機，這一領域國內有哪些廠商，技術水平如何，它們該如何撕開巨頭壟斷的帷幕？讓我們一起來探究。
01、八大設備之一，國產替代不足2%
半導體設備是由成千上萬零部件組成的復雜系統(tǒng)，這些零部件有機組合在一起，執(zhí)行nm級精密度的生產操作。
芯片生產過程示意圖? 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備：擴散爐-光刻機-涂膠顯影機-刻蝕機-離子注入機-薄膜沉積設備-化學機械拋光機-清洗機。
其中涂膠機和顯影機作為光刻機的輸入（曝光前光刻膠涂覆）和輸出（曝光后圖形的顯影）設備，主要通過機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，涂膠顯影設備都發(fā)揮重要作用，耗時占半導體制造總過程的40％。
具體來看，涂膠機在晶圓表面均勻涂覆光刻膠后，顯影機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
這一過程尤為關鍵，涂膠顯影直接影響到光刻工序細微曝光圖案的形成，從而影響后續(xù)蝕刻和離子注入等工藝中圖形轉移的結果。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體制造工藝中，涂膠顯影設備往往單獨使用，隨著芯片制造工藝自動化程度及客戶對產能要求的不斷提升，在200mm（8英寸）及以上的大型生產線上，此類設備逐漸開始與光刻設備聯(lián)機作業(yè)（In Line），組成配套的圓片處理與光刻生產線，共同完成精細的光刻工藝流程。
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，帶動芯片產量持續(xù)增長。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2021年我國芯片產量達3594.3億顆，同比增長33.3％。先進封裝技術正被越來越多地應用到電子產品，下游芯片生產廠商對先進封裝設備的需求正不斷增強，預計未來一段時間，我國膠顯影設備的應用需求會不斷增長。
據(jù)東方證券統(tǒng)計，截至2021年，我國半導體涂膠顯影設備國產化率尚不足2%。從技術壁壘上看，如何保障設備在nm級別的操作基礎上的超高良率，以及保障設備在實現(xiàn)以上兩個要求的基礎上長時間穩(wěn)定的運行，是當前國產設備亟需提升的難點。而由于涂膠顯影技術與光刻機高度相關，屬于美國打擊、限制高精尖技術努力范圍，國產替代更顯得必要且艱難。
02、哪些勇士，在啃國產替代的硬骨頭？
獨挑重擔走長路，自力更生創(chuàng)未來。越來越多的企業(yè)加入國產替代的行列，就涂膠顯影設備而言，國內有數(shù)十家相關企業(yè)，部分企業(yè)已完成上市。
國內涂膠顯影機廠商圖譜? 芯潮IC整理制作
具體來看，國內涂膠顯影設備上市企業(yè)包括芯源微、華海清科、盛美半導體、中國電科45所和中國科學院沈陽科學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)開始切入顯影機賽道，以創(chuàng)世微納、芯達科技、芯米半導體等為代表，它們多數(shù)成立時間較短，在業(yè)務領域上涉足多種集成電路設備。
國內涂膠顯影機主要廠商名錄及最新市值
芯潮IC整理制作 統(tǒng)計截至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備股份有限公司，于2019年12月登錄上海證券交易所，是國內第一家在涂膠顯影設備上取得突破的企業(yè)，也是國內少有的能做IC級in-line涂膠顯影設備的廠商，已擁有專利超350項，主持制定2項行業(yè)標準。
在LED封裝以及集成電路后道先進封裝的涂膠顯影設備領域，芯源微已有一定的市場占有率，其前道180納米的I-line涂膠顯影機已在長江存儲上線進行工藝驗證，前道Barc（抗反射層）涂膠設備在已通過上海華力工藝驗證，可滿足客戶28nm技術節(jié)點加工工藝，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用，實現(xiàn)小批量國產替代。
財報數(shù)據(jù)顯示，芯源微2022年度實現(xiàn)營業(yè)總收入13.85億元，同比增長67.12%；實現(xiàn)利潤總額2.19億元，同比增長188.30%；實現(xiàn)歸母凈利潤1.97億元，同比增長155.31%；實現(xiàn)歸母扣非后凈利潤1.38億元，同比增長116.12%。報告期內，芯源微集成電路前道晶圓加工領域產品收入實現(xiàn)快速放量，同時保持小尺寸（如 LED、化合物半導體等）及集成電路后道先進封裝領域產品收入穩(wěn)步增長。
但整體來看，當前國內涂膠顯影機行業(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)我國涂膠顯影設備市場近90％的份額。我國涂膠顯影設備企業(yè)僅占據(jù)市場不到4％的份額，國產替代依然任重而道遠。
03、巨頭林立，全球涂膠顯影市場如何分羹？
相較于國內的涂膠顯影市場，海外巨頭往往因更早進入市場，國外各大廠商的接納度高，因此有技術迭代的先進性、先發(fā)市場的份額優(yōu)勢，技術的規(guī)則制定等優(yōu)勢，這不僅相對于國產涂膠顯影機有著更大的市場份額和先進技術，也對國內的技術發(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、韓國細美事等公司，在市場上壟斷了國外95%以上的份額，國內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）、更加完善的產業(yè)鏈、更成熟的買賣商戶，牢牢的構筑了穩(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)。主營產品包括涂布/顯像設備、熱處理成膜設備、干法刻蝕設備、CVD、濕法清洗設備及測試設備等。在2022年營業(yè)額為147億美元，利潤近44億美元，其中涂布機/顯影機占比26%。TEL 壟斷了全球88%和中國91%的涂膠顯影設備市場份額。TEL新產品吞吐≥200wph，覆蓋的工藝制程包括EUV、ArFi、ArF、KrF、i-line、SOC、SOD等，掌握著國內企業(yè)尚未涉足的28nm以下先進節(jié)點的ArFi沉浸式涂膠顯影設備。
全球涂膠顯影機主要廠商名錄及最新市值
芯潮IC整理制作
如此對比，國產涂膠顯影設備與國際先進廠商差距明顯，不論是設備檢驗難度、技術壁壘，還是客戶綁定性，都對國產設備的技術自主可控形成阻礙。細分來看，以下幾方面原因最為突出：
1、設備結構復雜
涂膠顯影設備結構極為復雜，往往包含百余個功能單元、數(shù)萬余個零部件，其中機械手可以實現(xiàn)晶圓在設備內部多個工藝腔體之間的精確快速傳送，是設備的核心零部件，通常需根據(jù)晶圓廠客戶不同需求進行定制化開發(fā)。
2、驗證周期長
前道涂膠顯影設備驗證有捆綁性，需要光刻機、掩模版，經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、驗證成本高
設備驗證需與光刻機配合，光刻機產能緊張下客戶端工藝驗證難。涂膠顯影設備多是 Inline 設備，因此在進行客戶端工藝驗證時需要與光刻機聯(lián)機。當前光刻機產能持續(xù)緊缺，短期內的供應緊張難以緩解，因此晶圓廠抽調光刻機驗證新涂膠顯影設備的意愿較低，這無疑拔高了涂膠顯影市場的進入門檻。
4、人才過于集中
優(yōu)質人才集中于日本東京電子，人才培養(yǎng)難度較高。涂膠顯影設備的技術儲備集中于 TEL 等少數(shù)廠商，專業(yè)技術人員極為稀缺，且流動率極低。截至2021財年，TEL公司員工平均服務年限達到了17年4個月，當年員工流動率僅為1.0%。
04、結語行而不輟，未來可期
積土成山，風雨興焉。經過多年的積極布局，我國的涂膠顯影設備獲得巨大突破：已掌握28nm及以上技術節(jié)點；厚膠涂覆均勻性和厚膜平面噴涂均勻性方面部分達到國際先進水平；前道涂膠顯影機具有與多種主流光刻機聯(lián)機作業(yè)和遠程無人化操作能力。
但不可否認，國產涂膠顯影設備仍存在許多問題：還未突破28nm以下技術節(jié)點；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/顯影機設備生產效率較低；雖然可以聯(lián)機作業(yè)，但聯(lián)機驗證較少。伴隨著制程技術節(jié)點的不斷進步，涂膠顯影設備的國產化進程仍需奮力推進。
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，國內相關高校及廠商需要持續(xù)攻堅，在光刻工藝膠膜均勻涂覆工藝、精細化顯影技術、內部微環(huán)境精確控制技術等方向進行針對性研發(fā)，單點突破，聚點成面。隨著越來越多有識之士投身其中，中國半導體設備的自主化將如破浪之舟，揚帆遠航。
作者 I 辰壹 島里
出品 I 芯潮 IC? ?ID I xinchaoIC
參考資料：
1、半導體前道設備研究框架，東方證券
2、開源劉翔團隊 | 芯源微首次覆蓋報告：涂膠顯影唯一國產設備商，立足后道，拓展前道，劉翔電子研究
