SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

SEMI о состоянии полупроводниковой промышленности

Выпуск 11(6735) от 10 июня 2021 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

В выпусках 9–10 мы начали публиковать ответ Международной ассоциации поставщиков оборудования и материалов для полупроводниковой промышленности (SEMI) на запрос Министерства торговли США относительно существующих рисков в цепочке поставок и в сфере перспективных методов корпусирования ИС. Предлагаем вниманию читателей его продолжение.

Раздел V

Устойчивость и способность цепочки поставок полупроводниковых приборов поддерживать национальную и экономическую безопасность, готовность к чрезвычайным ситуациям.

Производственные мощности

Доля США в мировом производстве ИС в 2020 г. составила 12 % (в 2000 г. – 24 %, табл. 3). Возможности производства ИС по наиболее современным технологическим уровням технологическим уровням в настоящее время доступны только на предприятиях за пределами США. Потеря доступа к этим мощностям сделает невозможным производство ряда перспективных ИС, необходимых для многих типов конечных электронных систем, отрицательно скажется на положении американских поставщиков производственного полупроводникового оборудования и материалов.


Таблица 3

Доля США в мировом парке мощностей по производству ИС

Годы

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

Доля США, %

13,5

13,8

13,8

13,4

12,9

12,2

12,3

12,0

   

Обладая всего 12 % мировых производственных мощностей по изготовлению ИС, США опережают только Европу и страны Юго-Восточной Азии. Прогнозы продаж оборудования и материалов для изготовления полупроводниковых приборов указывают на продолжение их расширения в таких странах Азиатско-Тихоокеанского региона, как КНР, Республика Корея и Тайвань (рис. 6, 7).



Источник: SEMI

Рисунок 6. Географическая структура продаж полупроводникового оборудования в период 2018–2022 гг.

Примечание: Общие продажи оборудования не включают в себя оборудование для изготовления пластин. Рассматриваются продажи нового оборудования по обработке пластин, включая оборудование заводов по обработке пластин, оборудование заводов по сборке, корпусированию и тестированию полупроводниковых приборов.



Источник: SEMI

Рисунок 7. Географическая структура мирового рынка полупроводниковых материалов (оценка и прогноз)



Источник: SEMI

Рисунок 8. Число заводов по обработке 200-мм пластин и их мощность (исключая заводы по производству эпитаксиальных пластин, СИД и линии под НИОКР)


Возможность замены поставщиков и наличие альтернативных источников

Как показано в табл. 5–6, в США по ряду позиций существует только один поставщик оборудования или материалов. В ситуациях кратковременных сбоев в цепочках поставок производители полупроводниковых приборов не могут быстро и легко сменить поставщиков, поскольку полупроводниковые приборы и материалы аттестованы под конкретные процессы и установки, изготовленные конкретными поставщиками.


Таблица 4

Географическая структура производственной базы микроэлектроники

Страна/регион

2000 г.

2020 г.

Америка (оба континента)

24 %

12 %

КНР

2 %

17 %

Европа и Ближний Восток

17 %

7 %

Япония

32 %

14 %

Южная Корея

10 %

21 %

Страны Юго-Восточной Азии

3 %

6 %

Тайвань

11 %

23 %


Таблица 5

Основные фирмы-производители полупроводникового оборудования

Тип оборудования

Американские поставщики

Лидер рынка

Прочие поставщики

Травление

Lam Research, Applied Materials

Lam Research (США)

AMEC, Mattson, Naura (КНР), Hitachi Hi Tech, Tokyo Electron (Япония), SEMES (Южная Корея)

Осаждение

Lam Research, Applied Materials

Applied Materials (США)

ACM Research, Naura, Potec (КНР), Tokyo Electron (Япония), Wonik, TES, Jusung (Южная Корея), Ulvac (Япония), ASM (Нидерланды)

Имплантация

Applied Materials, Axcells

Applied Materials (США)

Nissin, SMIT (Япония)

Литография

Onto

ASML (Нидерланды)

Suss MicroTec (ФРГ), Nikon, Canon (Япония)

Формирование токопроводящих дорожек

н/д

Tokyo Electron (Япония)

Screen SEMI (Япония), SEMES (Южная Корея)

Изготовление шаблонов

Applied Materials

NuFlare (Япония)

JEOL (Япония)

Химико-механическая полировка

Applied Materials

Applied Materials (США)

Ebara, Tokyo Seimitsu (Япония), SEMES (Южная Корея)

Управление производственными процессами

KLA, Applied Materials

KLA (США)

Hitachi Hi Tech (Япония)

Химическое осаждение из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений (MOCVD)

Veeco

Veeco (США)

AMEC (КНР), Aixtron (ФРГ)

Удаления резиста

Lam Research, Applied Materials

PSK (Южная Корея)

Mattson (КНР)

Очистка

Lam Research

Screen (Япония)

ACM Research (КНР), Tokyo Electron (Япония), SEMES (Южная Корея)

Контроль шаблонов

KLA, Applied Materials

KLA (США)

Lasertec, NuFlare (Япония)

Контроль пластин

KLA, Applied Materials

KLA (США)

Skyverse (КНР), Hitachi Hi Tech (Япония), Nextin (Южная Корея), ASML (Нидерланды)

Макроконтроль

Lam Research, Onto

KLA (США)

Skyverse (КНР), Unity (Франция), Camtek (Израиль), Nikon, Lasertec (Япония)

Контроль и классификация дефектов

KLA, Applied Materials

KLA (США)

Lasertec, NuFlare (Япония)



Таблица 6

Основные фирмы-производители полупроводниковых материалов

Тип материала

Американские поставщики

Лидер рынка

Прочие поставщики

Кремниевые пластины

н/д

Shin-Etsu (Япония)

Zing Semi (КНР), Siltronic (ФРГ), Sumco (Япония) SK Siltron (Южная Корея), Globalwaters (Тайвань)

Резисты

DuPont

JSR (Япония)

Kempur, Ruihong (КНР), TOK, Shin-Etsu, Sumitomo (Япония), Dongjin (Южная Корея), Merk (ФРГ)

Вспомогательные резисты

Brewer, DuPont

Brewer (США)

Kempur, Ruihong (КНР), Merk (ФРГ), Nissan, JSR, Shin-Etsu (Япония), Chell (Южная Корея)

Шаблоны

Photronics

Toppan (Япония)

Newway (КНР), DNP (Япония)

Газы электронной чистоты

Entegris

Merck (ФРГ)

718, Huate, Nata (КНР), Air Liquide (Франция), Linde (Ирландия), Showa Denko, Matheson (Япония), Wonik, SK Materials (Южная Корея)

Жидкие химикаты

CMC, DuPont, Entegris

BASF (ФРГ)

Jianghuawei, Jingrui (КНР), Merck (ФРГ), Kanto, MGC (Япония), Dongwoo, Soulbrain (Южная Корея)

Суспензии и полировальники химико-механической полировки

CMC, DuPont

CMC, DuPont (США)

Anji (КНР), Merck (ФРГ), Fujifilm, Hitachi, Fujimi, Fujibo, JSR (Япония), Chell, Dongjin (Южная Корея)

Мишени для нанесения покрытий осаждением паров

Honeywell

JX Nippon (Япония)

KFMI (КНР), Linde (Ирландия), Tosoh (Япония)

Прекурсоры атомарно слоевого осаждения и химического осаждения из паровой фазы

Entegris

Entegris (ФРГ)

Nata/UpChem (КНР), Air Liquide (Франция), Adeka (Япония), SKTC/TriChem, Hansol (Южная Корея)

Металлы для нанесения электроосаждением

DuPont, Entegris

Shin-Etsu (США)

Shinyang (КНР), BASF (ФРГ)

Диэлектрики, осаждаемые методом центрифугирования

н/д

Merck (ФРГ)

Samsung SDI (Южная Корея)


Отсутствие мощностей по изготовлению полупроводниковых приборов по минимальным проектным нормам

В США нет или не хватает мощностей по изготовлению перспективных логических приборов и схем памяти, реализуемых по минимальным проектным нормам (10 нм и менее), а также мощностей по их сборке, корпусированию и тестированию. Возможность создавать подобные новые мощности на территории США будет в значительной степени зависеть от того, будет ли их создание технически обосновано, смогут ли эти объекты стать коммерчески жизнеспособными и конкурентоспособными с точки зрения затрат по сравнению с существующими заводами по обработке пластин за пределами США с учетом предполагаемых мер поддержки. Меры поддержки предусматривают увеличение федерального финансирования в долгосрочной перспективе и включают в себя весь набор стимулов, таких как налоговые кредиты (налоговые скидки), финансирование НИОКР и программы грантов. Если новые, современные заводы по обработке пластин будут построены в США, то операции сборки, корпусирования и тестирования полупроводниковых приборов, скорее всего, будут проводиться в других странах, в соответствии с современными тенденциями. Что касается операций корпусирования, то перспективные методы корпусирования могут быть более конкурентоспособными и пригодными для осуществления на территории США в отношении наиболее высокосложных (старшие модели), инновационных ИС.


Пластины

Доминирующими исходными подложками для формирования полупроводниковых приборов по-прежнему являются кремниевые пластины, хотя все шире применяются пластины на основе арсенида галлия (GaAs), нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC). Структура атомной решетки кремниевых пластин идеально монокристаллическая, для изменения их электрических свойств добавляется небольшое количество атомов легирующей примеси. Современные конструкции ИС с малыми геометриями изготавливаются на пластинах диаметром 300 мм, но для формирования наиболее сложных приборов могут применяться пластины диаметром 200 и 150 мм. В 2020 г. число ежемесячно продаваемых по всему миру пластин диаметром 300 мм составляло 6,5 млн шт., при этом в США их производилось менее 5 %. По пластинам диаметром 200 мм эти показатели составляли, соответственно, 5,5 млн шт. и менее 10 %. Т. е. производство пластин обоих диаметров в США значительно меньше, чем их потребление американскими заводами. Кроме того, пластины диаметром 150 мм в США более не производятся.

На рынке кремниевых пластин доминируют четыре фирмы – ​это японские Shin Etsu Handotai (SEH) и SUMCO, тайваньская GlobalWafers (в настоящее время завершает приобретение немецкой Siltronic) и южнокорейская SK Siltron. Фирмы SEH и SUMCO располагают на территории США полным производственным циклом для изготовления пластин диаметром 200 мм, а SEH имеет такие же возможности и по 300-мм пластинам. Процесс изготовления кремниевых пластин требует поликремния высокой чистоты. Его чистота выше, чем у аналогичных материалов, используемых для кремниевых фотоэлектрических приборов или солнечных элементов. Заводы по производству в США поликремния соответствующего качества имеют фирмы Hemlock Semiconductor и Mitsubishi Materials. Поликремний плавится в специальных высокотемпературных печах – ​установках для выращивания кристаллов методом вытягивания (метод Чохральского). Вторым методом выращивания кремния является метод плавающей зоны, обладающий некоторыми преимуществами перед методом Чохральского при выращивании материала для некоторых приборных применений. После выращивания цилиндра монокристаллического кремния он нарезается на отдельные пластины, подлежащие дальнейшей обработке (формирование, травление и полировка). Толщина пластин обычно составляет от 0,7 до 0,8 мм, они характеризуются экстремальными уровнями плоскостности и чистоты поверхности. Установки вытягивания кристаллов из расплава, их резки и полировки узкоспециализированны. В США производится крайне ограниченный перечень такого оборудования и специализированных материалов. Примерами могут служить кварцевые тигли, графитовые детали и проволока для резки кремниевых монокристаллов.

Многие кремниевые пластины поставляются конечному пользователю в виде полированной пластины. Для производства ИС ДОЗУ и флэш-памяти NAND-типа используются полированные пластины диаметром 300 мм. Примерно треть всех кремниевых пластин после стадии полировки обрабатывается далее различными способами, включая:

выращивание тонкого эпитаксиального слоя кремния при помощи химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ);

обработка в высокотемпературных печах аргонного отжига;

склеивание двух кремниевых пластин в структуру «кремний-на-изоляторе» (КНИ/SOI).

В США мощности под эти специализированные процессы встречаются все реже.

Перспективные логические приборы обычно изготавливаются на эпитаксиальных пластинах диаметром 300 мм. Радиочастотные переключатели (коммутаторы) и тюнеры производятся на SOI-пластинах диаметром 200 и 300 мм. Многие типы устройств и датчиков аналого-цифрового преобразования производятся на эпитаксиальных пластинах диаметром 200 мм. Такие устройства обычно используются в автомобильной, промышленной и медицинской электронике.

При изготовлении конечных электронных систем используются десятки или сотни отдельных полупроводниковых приборов. При этом они могут производиться как на пластинах разного диаметра, так и на пластинах различных типов. Полный спектр необходимых кремниевых продуктов мощностями, расположенными на территории США, в настоящее время не производится. Большинство кремниевых пластин производится в Японии, Южной Корее, Тайване, Германии, Франции, Сингапуре и Малайзии. Программы НИОКР по кремниевым пластинам проводятся почти исключительно за пределами США.


Оборудование для обработки 200-мм пластин и другое оборудование по производству полупроводниковых приборов

Мировые расходы на оборудование для производства полупроводниковых приборов ставят новые рекорды, что обусловлено потребностями новых производственных мощностей и прогнозируемым продолжением роста потребности в полупроводниковых приборах. Производители оборудования испытывают определенные трудности с удовлетворением роста спроса. Так, на рис. 3 показана динамика роста производственных мощностей по обработке 200-мм пластин за почти 18-летний период, отражающая растущий спрос на полупроводниковые приборы со зрелыми проектными нормами, предназначенные для автомобильной электроники, Интернета вещей и многих других приложений. Однако рост производственных возможностей линий по обработке 200-мм пластин, необходимых для удовлетворения спроса, сдерживается ограниченным предложением соответствующего оборудования. Поскольку спрос на производственное полупроводниковое оборудование растет по всему диапазону проектных норм, производители нового оборудования сосредоточились на более высокорентабельных системах для производства ИС по минимальным проектным нормам (а это в основном оборудование для обработки 300-мм пластин). Новые мощности по производству полупроводниковых приборов с использованием зрелых технологических процессов уже давно зависят от оборудования, бывшего в употреблении. Однако после значительного роста за последние пять лет рынок таких инструментальных средств начал стагнировать. При продолжающемся росте спроса на все типы производственного полупроводникового оборудования наличие такого оборудования и запасных частей для всех производственных линий представляет серьезную проблему, которая может ограничить возможности США по наращиванию производственных мощностей как для зрелых, так и для новейших технологических процессов.

Продолжение следует…


1. SEMI Provides U. S. Commerce Department with Analysis of Semiconductor Supply Chain Risks. Semiconductor Digest, April 7, 2021: https://www.semiconductor-digest.com/2021/04/07/semi-provides-u-s-commerce-department-with-analysis 

2. Final SEMI Supply Chain Comments. SEMI, April 5, 2021: https://www.semi.org/sites/semi.org/files/2021–04/Apr%205


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.