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光刻与键合:国产光刻机水平正在突破

文︱立厷

图︱网络

近日,“国产光刻机取得关键性进展,ASML始料未及”的报道,由于没有过多细节,振奋还是为时过早。如果国产光刻机能达到国际水平,国内科技水平的提升将是突飞猛进的,相关行业会得到快速发展,产品造价成本会降低很多。

最近市场研究公司Yole又发了一个关于光刻、键合设备市场的报告,对我们了解半导体设备市场很有帮助。

缺芯拉涨光刻/键合设备市场

在光刻和键合工艺的推动下,所有设备市场都在增长,到2026年将达到24亿美元。终端市场的芯片短缺推动了对代工厂和OSAT(外包半导体封装和测试)的资本投资。

Yole半导体制造技术与市场分析师Taguhi Yeghoyan博士断言:“毫无疑问,2020年对设备制造商来说是艰难的一年。由于疫情封锁和多数人在家工作,芯片需求主要在消费市场飙升。尽管注入了现金,但制造商无法跟上需求的增长。大规模的工厂扩张和设备订单接踵而至。”

由于新冠疫情大流行、科技封锁以及气候和事故等相关问题,全世界的生产都几乎暂停。所有这些都导致了整个市场的芯片短缺。政府和公众意识到半导体工业在日常生活和国家主权中的重要性。因此,私人和公共制造业巨头纷纷增加产量,宣布扩大工厂或开设新工厂,而政府则在全球范围内加大了行业激励力度。制造商的现金注入导致晶圆厂设备订单激增。

按应用划分光刻与键合设备处理晶圆量

因此,对于许多大批量制造(HVM)设备供应商来说,2020年是有史以来最好的一年。但他们也来不及生产这么多的设备,组装和交付时间从几个月增加到一年。因此,设备订单已延至2021年和2022年。这将维持设备供应商未来几年收入的增长。

超越摩尔提速,制造设备关键

设备销售的有利地缘政治形势因超越摩尔(MtM)器件的制造技术发展而得到加强,MtM涵盖MEMS、CMOS图像传感器(CIS)、电源和射频9RF以及先进封装(AP)等。光刻设备是这一技术变革的支柱,键合工具的改进则推动了先进封装。

在光刻设备销售方面,从传统使用的曝光机(mask aligner)到步进投影光刻机或扫描仪的持续过渡正在进行,并加速了无掩模光刻的采用。这种变化是由超越摩尔器件微型化、超越摩尔器件与其他超越摩尔单元或主流器件集成在芯片或系统中,以及增加图案化过程良率所驱动的。

超越摩尔应用的设备细分

在永久键合设备销售方面,背面照明(BSI)CMOS图像传感器的混合键合正在发展。混合键合也无可争议地被用于3D集成和堆叠,主要用于存储器和逻辑器件。表面活化键合(SAB)现在用于硅绝缘体(SOI)和专用于电源及射频应用的工程衬底。临时键合设备的销售则受衬底减薄和处理的推动,尤其是先进封装。

最后,器件集成的趋势,如3D堆叠和重构晶圆,需要对光刻设备进行修改,以解决先进封装中的键合工艺缺陷。这些缺陷可能包括衬底翘曲、错位和厚度不均匀。

增长超预期,份额高度分散

2020年,光刻和键合设备市场的增长超出人们预期,专门用于超越摩尔器件制造的光刻和键合设备市场总额为13.8亿美元,但市场份额高度分散。一些玩家专门从事特定应用的工具,如扇出型面板级封装或专用于小型化合物半导体晶圆的步进式光刻机。一些厂商使他们的工具更加灵活,例如用于晶圆对晶圆和片芯对晶圆工艺的无掩模光刻或混合键合工具。

超越摩尔器件的市场预期

还是2020年,光刻设备的销售额达到10亿美元。CMOS图像传感器应用推动了光刻设备的销售,占市场的30%,其次是先进封装、功率、RF和MEMS。投影光刻设备占87%的市场份额,而传统的曝光机仍占12%的市场份额。

按工序定位的HVM设备制造商

目前,佳能是超越摩尔光刻机销售的领导者,拥有34%的市场份额,提供多种工具。然而,ASML正在接近佳能,占有21%的份额。中国国内市场先进封装光刻设备的销售是由SMEE(上海微电子装备)推动的,而S?SS MicroTec仍然是掩模对准曝光机销售的领头羊。

光刻和键合供应商超越摩尔应用收入演变

2020年,永久键合市场价值2.59亿美元,EVG Group是无可争议的领导者,拥有75%的市场份额,主要销售混合动力、熔融(fusion)以及表面活化键合(表面活化键合)工具。

根据应用范围不同,永久键合设备供应商的产品分为:研究或创业、LVM(小批量制造)或HVM、直接键合、间接键合。

永久键合设备供应商分布

2020年,临时键合设备市场价值1.06亿美元,由先进封装推动。该市场由EVG、TAZMO、S?SS MicroTec和TEL共享。HVM设备供应商在2020年表现良好后,未来几年的前景可能也很乐观。预计超越摩尔光刻、永久键合和临时键合设备市场将进一步增长。从2020年到2025年,其复合年增长率分别为9%、13%和7%。到2026年,这些市场的总价值可能达到24亿美元。

在全球薄晶圆临时键合设备消费市场中,在中国销量的设备份额最大,约占据全球市场的三分之一;日本约占20%,剩下是欧洲和美国。

临时键合设备供应商分布


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