芯片制程分庭抗禮
來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
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導(dǎo) 讀
早些年，特別是在14nm量產(chǎn)之前，先進(jìn)制程與成熟制程之間的差別并沒有今天這么大，特別是在邏輯芯片生產(chǎn)領(lǐng)域。如今，成熟制程與最先進(jìn)制程特點(diǎn)分明，而當(dāng)下的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，為二者都提供了良好的發(fā)展空間，可以最大化地發(fā)揮各自的優(yōu)勢。
隨著半導(dǎo)體制程向著更先進(jìn)、更精細(xì)化方向發(fā)展，不同節(jié)點(diǎn)范圍和玩家的邊界越來越明顯。其中，最先進(jìn)制程玩家只剩下臺(tái)積電、三星和英特爾這3家。而在成熟制程方面，也是在近些年才被業(yè)界特別提及的，早些年，特別是在14nm量產(chǎn)之前，先進(jìn)制程與成熟制程之間的差別并沒有今天這么大，特別是在邏輯芯片生產(chǎn)領(lǐng)域，當(dāng)下，專注于成熟制程的廠商特點(diǎn)愈加突出。
按照IC Insights的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測，各種半導(dǎo)體制程的市占率正向著相對更加均衡的方向發(fā)展，如下圖所示。
在2019年，10nm以下先進(jìn)制程的市占率僅為4.4%，而到2024年，其比例將增長到30％。在該時(shí)間段內(nèi)，10nm -20nm制程的市占率將從38.8%，下降到26.2%；20nm-40nm制程的市占率將從13.4%，下降到6.7%；不過，從該統(tǒng)計(jì)和預(yù)測來看，40nm以上成熟制程的比例在這些年當(dāng)中沒有出現(xiàn)明顯變化。
總體來看，到2024年，10nm以下，10nm -20nm，以及40nm以上制程各占市場約三分之一。
這里特別關(guān)注成熟制程和10nm以下的先進(jìn)制程，前者市場率一直都處于穩(wěn)定狀態(tài)，而后者市占率與日俱增，與前者的歷史發(fā)展形成鮮明對比。
愈加火爆的成熟制程
成熟制程在2020年非?；鸨?，產(chǎn)能嚴(yán)重短缺，這給各大晶圓代工廠帶來了巨大的商機(jī)。而從2021年的產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢來看，這種短缺狀況在近期內(nèi)還難以緩解。對此，Counterpoint Research認(rèn)為，2021年，排名靠前的代工廠的成熟制程僅會(huì)分配給特定應(yīng)用。舉例來說，即便8英寸晶圓需求強(qiáng)勁，聯(lián)電（UMC）宣布，2021年8英寸晶圓產(chǎn)能僅擴(kuò)充1%-3%。占全球成熟制程產(chǎn)能約10%的中芯國際由于受到美國禁令制約，在產(chǎn)能擴(kuò)充上也充滿不確定性。整體而言，這波產(chǎn)能短缺屬于結(jié)構(gòu)性問題，要等到2022年所有供應(yīng)鏈都重建好庫存后才能緩解。
成熟制程主要用來制造中小容量的存儲(chǔ)芯片、模擬芯片、MCU、電源管理( PMIC)、模數(shù)混合、傳感器、射頻芯片等。在應(yīng)用層面，云計(jì)算、5G射頻器件需求的快速增長為成熟制程提供了強(qiáng)勁動(dòng)力。
晶圓代工業(yè)正在向更加細(xì)分方向發(fā)展，不同于臺(tái)積電和三星追逐先進(jìn)制程，UMC、格芯、 TowerJazz、世界先進(jìn)、華虹宏力等更多關(guān)注于各自擅長的特色工藝，通過在已有成熟工藝方面的投入，提升產(chǎn)品性價(jià)比及競爭力。
從需求側(cè)來看，特色工藝的市場應(yīng)用前景廣闊，具備吸納更多企業(yè)在各自特色領(lǐng)域內(nèi)做精做強(qiáng)的基礎(chǔ)。目前來看，MCU、模擬電路和分立器件這三大類芯片占整體市場的份額接近 50%，且其發(fā)展更加穩(wěn)健，為特色工藝應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。更加值得關(guān)注的是，與先進(jìn)工藝相比，特色工藝在晶圓代工業(yè)務(wù)模式上滲透率相對較低，傳統(tǒng)邏輯器件方面，除了英特爾外，主要廠商基本采用“設(shè)計(jì)-代工-封測”的分工合作模式，而在模擬器件、MCU、分立器件領(lǐng)域，仍然以IDM自家生產(chǎn)為主。這使得成熟制程工藝代工業(yè)務(wù)的拓展有了更大的空間。
另外，特色工藝的供應(yīng)商在盈利能力方面的波動(dòng)性相對較小，一方面，需求端的穩(wěn)定性使廠商在經(jīng)營管理方面的可預(yù)期性更強(qiáng)，另一方面，由于制程的成熟度相對較高，在設(shè)備支出和研發(fā)投入規(guī)模方面，特色工藝廠商相對較小，使其在成本控制方面具備優(yōu)勢。
成熟制程工藝有哪些呢？具體來看，主要包括以下幾種。
驅(qū)動(dòng)IC：隨著OLED面板滲透率上升，OLED廠商市占率提高，而傳統(tǒng)OLED DDIC以80nm及以上制程為主，其訂單量上升提高了更高制程節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)能。
電源管理芯片：受益于5G推進(jìn)，手機(jī)搭載的數(shù)量大幅增長，且快充芯片的使用量也逐步提升。此外，TWS耳機(jī)等新品的推出也拉動(dòng)了電源管理芯片和NOR Flash需求。傳統(tǒng)PMIC制程節(jié)點(diǎn)為0.18μm /0.11μm，市場需求上漲為該成熟制程和相應(yīng)的特色工藝需求提供了動(dòng)力。
傳感器：手機(jī)攝像頭數(shù)量不斷提升，其中配套的低像素CIS帶動(dòng)0.18μm等制程節(jié)點(diǎn)需求提升，普通高像素CIS也只需55nm制程節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步拉動(dòng)了成熟制程代工需求。指紋識別方面，手機(jī)領(lǐng)域的屏下光學(xué)、電容側(cè)邊、超聲波等逐步滲透到智能家居、金融、汽車等領(lǐng)域，該類產(chǎn)品多采用0.11μm/0.18μm制程，相應(yīng)的成熟制程和特色工藝平臺(tái)越來越受歡迎。
目前，市場對成熟制程工藝需求迫切，各大晶圓代工廠也都很重視這塊業(yè)務(wù)，行業(yè)普遍看好其發(fā)展前景。
勇攀高峰的先進(jìn)制程
從目前情況來看，10nm曇花一現(xiàn)，7nm已經(jīng)較為成熟，具有很大的量產(chǎn)規(guī)模，相對而言，5nm實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)時(shí)間不長，且在爬坡階段，而3nm和2nm還未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這三種制程是最前沿的工藝了，由于都還沒有達(dá)到成熟階段，都需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游各方的共同努力，不斷在研發(fā)層面突破，才能在最終的芯片生產(chǎn)階段保證質(zhì)量和數(shù)量。正所謂兵馬未動(dòng)，糧草先行，最先進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)前，裝備、材料等各項(xiàng)技術(shù)的完善和成熟是關(guān)鍵，也是重要保障。
下面以5nm和3nm（前者剛量產(chǎn)，后者將量產(chǎn)）為例，看一下最先進(jìn)制程對產(chǎn)業(yè)的影響。
目前，只有臺(tái)積電和三星量產(chǎn)了5nm，其中又以臺(tái)積電為主，正處于產(chǎn)能爬坡階段，對相應(yīng)的設(shè)備和材料等有更多的要求。
設(shè)備方面，不久前，中國中微公司董事長尹志堯表示，該公司開發(fā)的12英寸晶圓等離子刻蝕設(shè)備，已經(jīng)進(jìn)入了客戶的5nm制程生產(chǎn)線。等離子體刻蝕機(jī)是芯片制造中的一種關(guān)鍵設(shè)備，用來在芯片上進(jìn)行微觀雕刻，每個(gè)線條和深孔的加工精度都是頭發(fā)絲直徑的幾千分之一到上萬分之一，精度控制要求非常高。
在EUV光刻機(jī)方面，全球僅有ASML一家公司掌握著EUV光刻機(jī)的核心技術(shù)，這也是5nm制程必需的設(shè)備，但EUV光刻機(jī)的成本十分高昂，每臺(tái)售價(jià)高達(dá)1.2億美元，幾乎是DUV光刻機(jī)價(jià)格的2倍。
根據(jù)ASML公司發(fā)布的財(cái)報(bào)，2019全年共出貨了26臺(tái)EUV光刻機(jī)，2020年交付了30多臺(tái)EUV光刻機(jī)，2021年則會(huì)達(dá)到45-50臺(tái)的交付量。這其中很大一部分都供給了臺(tái)積電，用于擴(kuò)充5nm，以及7nm產(chǎn)能。
5nm并不能單純依靠核心工藝的創(chuàng)新與EUV設(shè)備的加持。從材料角度來說，光刻膠等半導(dǎo)體材料的創(chuàng)新也是制程演進(jìn)的關(guān)鍵所在。
2019年，日韓之間的半導(dǎo)體材料大戰(zhàn)爆發(fā)，韓國用于制造半導(dǎo)體和零部件設(shè)備的光刻膠、高純度氟化氫和含氟聚酰亞胺三大半導(dǎo)體材料，均遭到日本的出口限制，對韓國部分重要的產(chǎn)業(yè)發(fā)展造成了不小的影響。
光刻膠則是這三類半導(dǎo)體材料中的重中之重。
在芯片制造過程中，曝光、顯影和刻蝕等重要工藝步驟都與光刻膠有關(guān)，耗時(shí)占總工藝時(shí)長的40%至60%，成本也占整個(gè)芯片制造成本的35%。
有機(jī)光刻膠主要用于90nm到7nm的芯片制造，但隨著制程推進(jìn)到5nm，將開始需要無機(jī)光刻膠。
目前來看，中高端光刻膠產(chǎn)品主要還是掌控在日本廠商手中，臺(tái)積電與日本合作伙伴保持著緊密的聯(lián)系。
掩模方面，家登是臺(tái)積電掩模傳送盒的獨(dú)家供貨商，隨著臺(tái)積電在7nm導(dǎo)入EUV，加上5nm量產(chǎn)，EUV掩模傳送盒出貨可望倍增，且導(dǎo)入EUV后，掩模可曝光次數(shù)為原先四分之一，帶動(dòng)掩模傳送盒需求進(jìn)一步提升。
3nm方面，為了如期量產(chǎn)，臺(tái)積電一直在加大投資力度，2021年全年投資預(yù)估達(dá)到了300億美元，預(yù)計(jì)超過150億美元會(huì)用于3nm制程。其中，很大一部分都要用于購買半導(dǎo)體設(shè)備，涉及的廠商主要有ASML、KLA、應(yīng)用材料等，他們供應(yīng)的光刻機(jī)、蝕刻機(jī)等都是制造3nm制程芯片的重要設(shè)備。
對于3nm這樣尖端地制程工藝來說，光刻機(jī)地重要性愈加突出，而能提供EUV設(shè)備的，只有ASML一家，因此，該公司對于臺(tái)積電和三星的重要性也愈加突出，雙方都在盡可能地從ASML那里多獲得一些最先進(jìn)地EUV設(shè)備。
不久前，ASML CEO Peter Wennink在財(cái)報(bào)會(huì)上指出，5nm制程采用的EUV光罩層數(shù)將超過10層，3nm制程采用的EUV光罩層數(shù)會(huì)超過20層，隨著制程微縮EUV光罩層數(shù)會(huì)明顯增加，并取代深紫外光（DUV）多重曝光制程。
此外，臺(tái)積電在先進(jìn)制程可以一直領(lǐng)先對手的關(guān)鍵就是封裝。封裝技術(shù)是臺(tái)積電拿下蘋果訂單的決勝武器。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面對物理極限挑戰(zhàn)，為了能在同一顆芯片里裝進(jìn)更多晶體管，于是有了先進(jìn)封測計(jì)劃。三星就是因?yàn)闆]有這樣的技術(shù)，所以才與蘋果單失之交臂。
近些年，臺(tái)積電一直在布局先進(jìn)封測廠。目前，該公司旗下有4座先進(jìn)封測廠，分別是先進(jìn)封測一廠、先進(jìn)封測二廠、先進(jìn)封測三廠和先進(jìn)封測五廠，它們位于竹科、中科、南科、龍?zhí)兜鹊?，苗栗竹南封測基地將是其第五座先進(jìn)封測廠。該廠預(yù)計(jì)投資3000億元新臺(tái)幣，位于竹南科學(xué)園區(qū)周邊特定區(qū)、大埔范圍。
目前來看，該公司7nm制程芯片封測工作已經(jīng)能夠自給自足了，5nm的也在不斷擴(kuò)充之中。面向3nm的封測產(chǎn)線也在建設(shè)當(dāng)中。
為了滿足5nm及更先進(jìn)制程的需求，臺(tái)積電已建立了整合扇出型（InFO）及CoWoS等封測產(chǎn)能支持，完成了3D IC封裝技術(shù)研發(fā)，包括晶圓堆疊晶圓（WoW）及系統(tǒng)整合單芯片（SoIC）等技術(shù)，預(yù)計(jì)竹南廠將以3D IC封裝及測試產(chǎn)能為主，計(jì)劃今年量產(chǎn)。
結(jié)語
成熟制程與最先進(jìn)制程，它們特點(diǎn)分明，前者顯得廣闊，后者則越來越高聳，而當(dāng)下的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，為二者都提供了良好的發(fā)展空間，可以最大化地發(fā)揮各自的優(yōu)勢。
“2021 中國AIoT產(chǎn)業(yè)年年會(huì)”重磅來襲！
12月9日 深圳機(jī)場凱悅酒店
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