卡脖子的半导体技术行业全景图

要点总结:

我国半导体设备市场空间大,增长动力强劲。半导体设备主要用于半导体制造和封测流程,分为晶圆加工设备(核心为光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备)、封装设备和检测设备。2018年全球半导体设备市场达到645.5亿美元,其中大陆市场为131.1亿美元,占比20%,是全球第二大市场。随着半导体产能向大陆转移、制程和硅片尺寸升级、政策的大力支持,大陆半导体设备增长强劲。2018年大陆半导体设备增速为46%,远高于全球的14%,是全球市场增长的主要动力。

全球竞争格局集中,国产替代加速。全球半导体设备竞争格局高度集中(CR5占比75%)、龙头企业收入体量大(营收超过百亿美元)、产品布局丰富。相比而言,国内设备公司体量较小、产品线相对单一。在“02专项”等政策的推动下,大陆晶圆厂设备自制率提升意愿强烈,国内设备公司迎来了国产替代的关键机遇。目前,在刻蚀设备、薄膜沉积设备、清洗设备、检测设备等领域,国内企业正奋力追赶并取得了一定的成绩。

技术突破由易到难,最终实现弯道超车。

1.清洗设备、后道检测设备有望率先突破,

2.晶圆加工:核心设备技术难度高,但在国家大力支持与企业持续不断的研发投入下,具备研发实力的公司一旦突破核心技术,有望享受到巨大的市场红利,

半导体设备产业链全景图

半导体设备产业链全景图

超八成半导体产品是集成电路

半导体产品主要分为4类:

光电器件:指利用半导体光生伏特效应工作的光电池和半导体发光器等。

半导体传感器:指利用半导体材料特性制成的传感器。

分立器件:指具有单一功能的电路元器件。

集成电路:指把基本电路元器件制作在晶片上然后封装起来,形成具有一定功能的单元。

2018全球半导体销售额高达4688亿美元,其中集成电路销售额3933亿美元,占比84%。集成电路是半导体最主要、技术难度最高的产品。

半导体产业链分解

半导体生产主要分为设计、制造、封测三大流程,同时需要用到半导体材料和设备。

设计:即按照功能要求设计出所需要的电路图,最终的输出结果是掩膜版图。

制造:将设计好的电路图转移到硅片等衬底材料上的环节。

封测:半导体封装指制造与检测工作完成之后,产品将从硅片或其他衬底上分离出来并装配到最终电路管壳中,引入接线端子,并通过绝缘介质固定保护,构成一体化结构的工艺技术。

我国集成电路缺口巨大

2017年我国集成电路供给量约为302亿美元,需求量为1030亿美元,自制率仅为29%,集成电路缺口巨大。

从进出口来看,2018年我国集成电路进口3121亿美元,出口846亿美元,贸易逆差高达2275亿美元。近年来,我国集成电路进口金额超过原油、汽车整车和汽车零部件。

由于集成电路巨大的缺口以及贸贸易逆差,我国发展集成电路产业的需求非常迫切,半导体设备行业迎来机遇。

半导体制造流程及主要设备

半导体领域中,集成电路运用最广泛、占比最高、技术难度最大。本篇报告将主要围绕集成电路制造工艺和相关设备展开。

半导体设备主要运用于集成电路的制造和封测两个流程,分为晶圆加工设备、检测设备和封装设备,以晶圆加工设备为主。检测设备在晶圆加工环节(前道检测)和封测环节(后道检测)均有使用。

晶圆加工流程包括氧化、光刻和刻蚀、离子注入和退火、气相沉积和电镀、化学机械研磨、晶圆检测。所用设备包括氧化/扩散炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备(PVD和CVD)、检测设备等。

芯片制造工艺

市场空间——-政策大力支持

大基金入股提供资金支持

2014年工信部提出设立国家产业投资基金(大基金),通过股权入股形式进行投资,不干预原有公司的正常经营,重点支持集成电路制造环节,兼顾设计、封装测试、装备、材料等环节,推动相关企业提升产能以及实行兼并重组,提升公司竞争力。

集成电路是技术密集和资本密集的产业,大基金的入股有效缓解了国内集成电路企业的资金压力,助推企业发展。

截至2019年9月底,大基金已对外投资70余家公司,设备领域包括北方华创、沈阳拓荆、中微公司、万业企业(凯世通)、上海精测等。

全球半导体产能向大陆转移

回顾历史,全球半导体产业发展经历过由美国向日本、向韩国和中国台湾地区几轮转移,未来几年预计将大面积向大陆转移。

根据SEMI统计,大陆未来几年将建成26座晶圆厂,大陆集成电路路设备将迎来需求爆发增长期,国产设备企业有机会把握本轮投资高峰期,提升市场影响力。

晶圆厂投资总金额中,设备投资资占比70%-80%,基建和洁净室投资占比20%-30%。我们统计了目前在建的8寸和12寸晶圆厂,总投资金额超过900亿美元,按照70%的比例测算,累计的相关设备投资超过630亿美元。

技术升级带来设备巨大需求

摩尔定律指出,当价格不变时,集成电路上可接纳的元器件数目,每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。摩尔定律推动集成电路线宽的缩小,目前国际一流代工厂台积电已经量产7nm芯片,并在积极研发5mm和2mm制程,国内代工厂最先进的制程为28nm。

此外,硅片的尺寸也在变大,从1980年的6英寸升级为2000年的12英寸,未来还将朝着18英寸发展。

半导体技术升级快,常表现为“一代技术、一代设备”。技术升级同样会带来设备的巨大需求。

国家政策大力支持

我国集成电路产业相对落后的局面早已受到国家的高度关注,近些年国家出台一系列政策支持集成电路产业发展。这些政策通过集中研发、政府补助、税收优惠、培养人才、股权投资等多方面支持集成电路产业发展。

2018年之后,受中美贸易冲突事件的刺激,我国发展集成电路产业之心更加坚决。在政策扶持下,我国集成电路无论是代工厂和存储器的建设力度将会加强,带来设备需求。

大陆半导体设备市场增速领先

2018年全球半导体设备市场达到645.5亿美元,同比增长14%。

SEMI预计2019年全球市场有所调整,2020年将重回增长。区域分布上,韩国、中国大陆、中国台湾、日本、北美、欧洲分别占比27%、20%、16%、15%、9%、7%,2018年中国大陆首次超过中国台湾地区,成为全球半导体设备第二大市场。

2018年韩国、中国大陆、中国台湾、日本、北美、欧洲半导体设备增速分别为-1%、59%、-11%、46%、4%、15%。中国大陆增速领跑全球,成为全球半导体设备市场增长的主要动力。

光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备是核心的半导体设备

晶圆加工设备技术难度最高

半导体设备分为晶圆加工设备、检测设备、封装设备和其他设备。SEM1预计,2019年全球晶圆加工设备、检测设备和封装设备市场规模分别为422亿美元、47亿美元和31亿美元。晶圆加工设备是主要设备,占全部设备比重约80%

晶圆加工设备中,光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备(PVD和CVD)技术难度最高,三者占比分别为30%、25%、25%。预计2019年全球光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备市场规模分别为127亿美元、106亿美元和106亿美元。

半导体设备市场集中度

2018年全球半导体设备榜单前五名包括应用材料、东京电子、拉姆研究、ASML和科磊半导体。除ASML外,各家公司产品线均比较丰富,且前三名企业营收均超过一百亿美元。

半导体设备高门槛导致竞争格局高度集中。目前全球半导体设备市场主要被美国、日本、荷兰企业所垄断。2018年行业CR5占比75%,CR10占比91%,全球半导体设备竞争格局呈现高度集中状态。

我国半导体设备国产化程度

2011-2016年,国内设备企业平均自制率仅为16%,国产设备自制率还有较大提升空间。我国计划到“十三五”末期,国产集成电路设备在国内芯片制造厂的替代率至少达到30%,全球半导体产能大转移为国内集成电路设备企业带来重要历史机遇。

2018年我国半导体设备十强单位完成销售收入94.97亿元,同比增长24.6%。目前,我国半导体设备最大的公司收入与海外巨头差别别较大。国内半导体设备公司有望把握国内晶圆厂投资高峰,迎来重要的发展时机。

“02专项”推动我国半导体设备国产替代

针对半导体产业,国务院于“十二五”规划期间推出“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”重大专项(简称”02专项”),旨在突破集成电路制造装备、材料、工艺、封测等核心技术。“02专项”启动了多个重大课题,集中资金和人力发展半导体装备、材料等产业。

在“02专项”的推动下,我国半导体设备产业迎来了发展期。2017年召开了“02专项”成发布会,会上展示了多年来已经研发成功并进入海内外的30多种高端装备和上百种关键材料。“02专项”对于我国半导体设备的国产替代起到了引领扶持作用。

高温炉设备国产替代加速

芯片的制造流程中,硅片表面通过氧化的方式生长一层氧化层,通过在氧化层上刻印图形和刻蚀,达到对硅衬底进行扩散掺杂,激活硅片的半导体属性,从而形成有效的PN结。

用于热退火等热工艺的高温炉分为三类:卧式炉、立式炉、快速热处理(RTP)。

高温炉市场主要被外资品牌占据,如应用材料、日本日立、东京电子等企业,CR3市场份额超过90%。内资品牌中,北方华创12英寸立式氧化炉实现产线应用。屹唐半导体2016年收购了美国公司Mattson,该公司在RTP设备具有领先优势。

光刻设备—-ASML光刻机全球垄断

光刻的本质是把电路结构图复制到硅片上的光刻胶上,方便之后进行刻蚀和离子注入。从集成电路诞生之初,光刻就被认为是集成电路制造工艺发展的驱动力。全球光刻机市场主要由荷兰的阿斯麦(ASML)、日本尼康和佳能三家把持,其中ASML更是全球绝对龙头,市占率超过67%,几乎断了高端光刻机(EUV)市场。日本尼康和佳能产品主要为中低ि机型。

国产光刻机领域中,上海微电子(SMEE)一枝独秀。2018年3月,上海微电子承担的“02专项” 的”90nm光刻机样机研制”顺利通过验收,成为国产光刻机的优秀代表。

涂胶显影设备—-芯源微是国内涂胶设备龙头

涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备,包括涂胶机、喷胶机和显影机。

该设备不仅直接影响光刻工序细微曝光图案的形成,对后续蚀刻和离子注入等工艺中图形转移的结果也有着深刻的影响。

全球涂胶显影设备龙头为东京电子、日本迪恩士和德国苏斯微。国内最有竞争力的公司为沈阳芯源微,公司客户包括台积电、长电科技、华天科技等国内知名公司,同时正在长江存储、上海华力等前道芯片制造厂商进行验证。

刻蚀设备—中微公司介质刻蚀机全球领先

刻蚀指将硅片上未被光刻胶掩蔽的部分通过选择性去掉,从而将预先定义的图形转移到硅片的材料层上的步骤。

刻蚀设备分为三类,介质刻蚀机、硅刻蚀机、金属刻蚀机,三者占比为48%、47%、5%,介质刻机和硅刻蚀机是市场上最主流的刻蚀设备。

全球刻蚀设备行业前三名分别为拉姆研究、东京电子、应用材料,CR3超过90%

国内企业中,中微公司的介质蚀领机全球领先,已经进入台积电最新工艺产线。北方华创的硅刻蚀机和金属刻蚀机在国内领先。

离子注入设备—-全球双寡头

一般而言,本征硅(即最原始不含杂质的硅单晶)导电性能很差,只有当硅中加入少量杂质,使其结构和电导率发生改变时,硅才成为真正有用的半导体。这个过程被称为掺杂,离子注入是最主要的掺杂方法。

全球离子注入机龙头为美国应用材料和Axcelis公司,两家合计占据全球近90%的市场份额。国内企业中,只有凯世通和中科信具备集成电路离子注入机的研研发和生产能力。目前凯世通离子注入机广泛运用于太阳能电池、AMOLED等领域,属于国内领先,集成电路离子注入机目前正处于验证阶段。

薄膜沉积设备—-PVD设备

物理气相沉积(PVD)沉积金属属于集成电路工艺的金属化环节,金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上沉积金属薄膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和接触孔或通孔连接。物理气相沉积(PVD)最常用的方法是蒸发和减射。

目前全球PVD市场高度垄断,应用材料一家独大,占据全球超过85%的市场份额。

国内企业北方华创实力领先,公司28mm氮化钛硬掩膜(Hardmask PVD)、Al-Pad PVD设备已率先进入中芯国际供应链体系,成为国产PVD的佼佼者。

薄膜沉积设备—-CVD设备

薄膜沉积常见工艺为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。

化学气相沉积是通过气体混合的化学反应在硅片表面沉积一层固体膜的工艺。目前CVD需要用到CVD设备,包括APCVD(常压CVD)、LPCVD(低压CVD)和等离子体辅助CVD全球CVD市场上,应用材料占据龙头地位,全球市场份额达到30%,其次是东京电子和拉姆研究,市场集中度较高。

国内市场上,北方华创的LPCVD,以及沈阳拓荆的PECVD,已通过主流晶圆代工厂验证,实现了小批量生产交付。

CMP设备—-被美日企业垄断

CMP(化学机械抛光)工艺指抛光机的抛光头夹持住硅片相对抛光垫做高速运动,抛光液在硅片和抛光点之间连续流动,抛光液中的氧化剂不断接触裸露的硅片表面,产生氧化膜,然后借助抛光液中的微粒机械研磨作用去除氧化膜。

CMP机台市场被应用材料和日本的Ebara高度垄断,两者市占率近90%。

国内市场上,华海清科和电科装备45所是主要的研发力量。华海清科国产首台8英寸CMP设备已实现出厂销售。电科装备45所自主研发的CMP商用机已在中芯国际天津公司进行上线验证。

检测设备—-科磊是全球质量检测设备龙头

半导体制造环节的检测流程分为前道检测和后道检测。其中,前道检测主要分为光学测量和缺陷检测,统称为质量测量。

目前集成电路质量测量设备全球主要的供应商是科磊半导体(KLA-Tencor)、应用材料和日本日立,市占率分别为52%、12%和11%。市场竞争格局集中。

国产企业主要代表是上海睿励科学和上海精测。睿励科学具备光学膜厚测量系统、光学关键尺寸和 形貌测量系统,国内技术领先。2014年获得三星数台订单,并于2018年获得三星的重复订单。上海精测开发了适用于半导体工业级应用的膜厚测量以及光学关键尺寸测量系统。

后道检测设备—-电学检测设备

后道检测主要为电学检测,核心设备包括测试机、探针台和分选机。

目前,电学检测设备市场集中度很高,其中测试机主要被爱德万和泰瑞达垄断,分选机被爱万、科休半导体、爱普生等企业断探针台被东京电子、东京精密和伊智所垄断。

国内龙头长川科技已经布局测试机和分选机市场,积极研发探针台。华峰测控主要产品为测试机,是国内最大的半导体测试机供应商。上海中艺主要产品为分选机。

清洗设备—-盛美是国内清洗设备的龙头

硅片清洗的目标是去除所有表面沾污,包括颗粒、有机物、金属和自然氧化层。目前占统治地位的硅片清洗方法是湿法清洗。湿法清洗设备分为单片清洗设备和槽式清洗设备,槽式清洗设备可以批量清洗硅片,但是可能会导致互相污染现象。

全球清洗设备龙头迪恩士、东京电子和拉姆研究,CR3接近90%,其中迪恩士一家占比超过50%,是绝对的龙头。

国内企业中,盛美半导体是国产清洗设备的优秀代表,主流产品得到国际一流品牌包括中芯国际、长江存储、SK海力士等企业的认可。至纯科技正在积极布局集成电路清洗设备。

国内半导体设备公司奋力追赶

国内半导体设备公司进展

晶圆加工设备技术壁垒高、竞争格局高度集中。国内设备中,仅有中微公司的介质刻蚀机成功进入了国际一流IC制造厂的最先进工艺线,其他设备部分实现小批量销售,部分还在验证阶段,到大批量销售还要一段路程要。检测和清洗部分设备技术难度略低于晶圆加工设备。国内公司有望率先突破,如长川科技和华峰测控的检测设备、北方华创、盛美半导体和至纯科技的清洗设备,上海睿励的光学检测设备等已经取得了十足的进步。

国内半导体设备公司营收和毛利率对比

本文源自头条号:质量与检测

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