光刻与键合：超越摩尔器件制造设备成了香饽饽

作者：立厷

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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SÜSS MicroTec仍然是掩模对准曝光机销售的领头羊。

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。

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、SÜSS 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。

多年来，永久晶圆键合（Wafer to Wafer，W2W）技术已经成为半导体领域中若干应用的改变者，包括RF、MEMS器件、SOI和LED器件，特别是CMOS图像传感器、全局快门和飞行时间（ToF）等新兴传感器，W2W有助于减少占用面积，大幅提升产品性能。

取决于键合技术，晶圆永久键合是将两个晶圆表面接合在一起，无中间层的键合过程是直接键合；有中间层键合的过程间是接键合。

薄晶圆临时键合是伴随半导体晶圆制程对缩小尺寸和引入全尺寸3D集成而出现的一种技术。由于晶圆减薄至小于50微米后变得极度脆弱，后端金属化工艺对超薄晶圆施加的额外应力会导致翘曲或断裂。这样，就需要利用聚合物键合材料将器件晶圆暂时接合到承载晶圆上，并通过后端晶圆稳定工艺来支撑超薄器件晶圆。通过临时键合可以实现复杂的背面工艺，特别是酸碱等化学工艺。临时键合低晶圆减薄，特别是3D封装的超薄晶圆至关重要。最后还要剥离，剥离晶圆衬底的三种主流技术是：热滑动剥离、机械剥离和激光剥离，其中发展最快的为后两种剥离技术。

薄晶圆临时键合广泛应用于MEMS、先进封装、CMOS等，其中MEMS市场最大，2019年占有约35%，先进封装是第二大市场，约为31%。

在半导体光刻机领域，荷兰ASML和日本的佳能、尼康3家企业占据了全球9成以上的份额。目前在促进提升半导体性能的精细化工艺领域，在使用短波长的“EUV（极紫外光刻）”光源方面ASML处于优势地位。ASML控股2021年7月公布的2021年第二季度财务业绩显示，ASML第二季度营收47亿美元，净利润12亿美元，同比增长38%。

佳能光学设备业务本部副业务部长三浦圣表示，佳能将根据半导体材料和衬底尺寸等客户制造的半导体种类来扩大产品线。按照客户的需求，对机身及晶圆台等平台、投影透镜、校准示波器三个主要单元进行开发和组合，建立齐全的产品群。时隔7年，佳能更新了面向小型衬底的半导体光刻机，提高了生产效率，正在加快抢占高功能半导体市场。在用于纯电动汽车（EV）的功率半导体和用于物联网的传感器需求有望扩大的背景下，佳能正在推进支持多种半导体的产品战略，目标是在三大巨头垄断的光刻机市场上确立自主地位。