半导体设备有哪些

 

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1 半导体前道设备详解

光刻机:半导体工业皇冠上的明珠

光刻机是光刻工艺的核心设备,也是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备,包含上万 个零部件,集合了数学、光学、流体力学、高分子物理与化学、表面物理与化学、精密仪器 、机械、自动化、软件、图像识别领域等多项顶尖技术。

作为整个芯片工业制造中必不可少的精密设备——光刻机,其光刻的工艺水平直接决定芯片 的制程和性能水平,因此光刻机更是被誉为半导体工业皇冠上的明珠。

光刻机:发展历程

ASML成立于1984年,当时正是日本半导体如日中天的时代。日本半导体的成功背后,是尼康 和佳能两大光学巨头的光刻设备,以及东京电子、日立、迪恩士等一系列配套厂商的支持。

1994年ASML的市场份额只有18%,但设计超前的8英寸PAS5500以及1995年IPO给ASML带 来了机遇。台积电、三星和现代(后来的Hynix)率先决定几乎全部改用ASML的机器,而1995 年东芝、西门子和IBM联盟考虑到和佳能的合作,开始没有选择ASML。

最后的结局是:坚持尼康佳能的日系半导体厂商真正开始了长达数十年的衰败,而押宝ASML的 三大东亚厂商迅速崛起直到今天称霸。

ASML最先进的浸没式光刻系统:DUV——全球工艺集大成者

TWINSCAN NXT:2000i DUV(双工作台深紫外光刻机)是ASML最先进的浸没式光刻系统 ,是极紫外光刻机EUV前的重要过渡产品,也是后期7nm/5nm产能的重要补充。

光刻机:量价齐升

受益于下游需求旺盛,光刻设备有望量价齐升带动市场空间不断增长。

价:随着芯片制程的不断升级,IC前道光刻机制造日益复杂,其价格不断攀升。先进制程发 展使得晶体管成本降低,但是光刻机价格不断增高。2018年7nm EUV光刻机平均每台价格 达到了1.2亿欧元。

量:晶圆尺寸变大和制程缩小将使产线所需的设备数量加大,性能要求变高。12寸晶圆产线 中所需的光刻机数量相较于8寸晶圆产线将进一步上升。同时预计2020年随着半导体产线得 到持续扩产,光刻机需求也将进一步加大。

涂胶显影:涂胶+烘烤+显影

涂胶显影设备包括涂胶机、喷胶机、显影机,是光刻工序中与光刻机配套使用的设备,是集 成电路制造的核心设备。涂胶显影设备可以应用于集成电路制造前道晶圆加工领域,以及后 道先进封装领域,其中,应用于集成电路制造前道晶圆加工环节的前道涂胶显影设备更多, 市场份额占比更大。

涂胶显影设备主要由涂胶、显影、烘烤三大系统组成,通过圆片传递机械手,使圆片在各系 统之间传输和处理,完成圆片的光刻胶涂覆、固化、光刻、显影、坚膜的工艺过程。

早期或较低端集成电路工艺中,主要使用独立机台(Off-line),随着集成电路工艺的提升, 目前200mm及以上的生产线大多采用与光刻机联机的设备(In-line),与光刻机配合工作。

涂胶显影:25亿美金市场空间,东京电子垄断90%

据统计,全球前道涂胶显影设备销售额由2013年的14.07亿美元增长至2018年的23.26亿美 元,年复合增长率达10.58%,预计2023年市场规模约24.76亿美元。

全球涂胶显影设备被日本东京电子高度垄断,其全球市占率近90%;其余主要厂商还有日本 SCREEN、中国台湾亿力鑫、德国苏斯微、韩国CND等。中国本土涂胶显影设备生产企业 主要为芯源微,在国内市场中的份额占比为4%左右。据统计,中国大区(含中国台湾地区) 2018年前道涂胶显影设备规模8.96亿美元,预计2023年将达到10.26亿美元。

刻蚀工艺:90%以上为干法刻蚀

刻蚀是利用化学或者物理的方法将晶圆表面附着的不必要的材质进行去除的过程。刻蚀工艺 可分为干法刻蚀和湿法刻蚀。目前应用主要以干法刻蚀为主,市场占比90%以上。湿法刻蚀 在小尺寸及复杂结构应用中具有局限性,目前主要用于干法刻蚀后残留物的清洗。

刻蚀设备:微缩化+3D化,推动刻蚀用量增加

先进制程以多重模板工艺为依托从而实现更小微观尺寸,凸显刻蚀设备重要性。由于波长 限制,14纳米及以下逻辑器件微观结构的加工无法通过光刻机来实现,必须依靠多重模板 技术,进一步提升刻蚀技术及相关设备的重要性和需求量。

NAND闪存进入3D、4D时代,采用缩小单层上线宽和增加堆叠层数的方法来增加集成度, 要求刻蚀技术实现更高的深宽比。刻蚀技术需要在氧化硅和氮化硅一对的叠层结构上,加 工40:1到60:1的极深孔或极深的沟槽。目前,3D96层与128层闪存均已进入量产阶段。从 2D NAND过渡到3D NAND,刻蚀设备的投资占比显著提升,从20%提高至50%。

刻蚀设备竞争格局:日美厂商头部集中、中国厂商崛起

全球市场行业集中度高,技术壁垒显著。全球刻蚀机市场长期一直被泛林半导体、东京电 子、应用材料三大巨头占据,2019年合计市场占比约90%,行业集中度高。2019年,细分 介质刻蚀机市场中,东京电子处于领先地位,市占率达到52%,国内中微公司市占率也已 达到3%。

国内刻蚀机市场,国产厂商表现亮眼。泛林半导体依旧在国内刻蚀机市场中保持领先地位 ,2019年市占率52%;而国产厂商中,中微公司已占据20%市场份额,排名第二,北方华 创则占据6%市场份额;中微领军国内介质刻蚀,北方华创则领军国内硅刻蚀。(报告来源:未来智库)

沉积设备:CVD应用逐步增加

薄膜沉积工艺中由于CVD技术路线较多,具有较好的孔隙填充和膜厚控制能力,CVD在金 属沉积方面的应用正在增加。

沉积设备:线宽微缩+结构3D化,催生成倍需求

逻辑芯片:摩尔定律下需要采用多重曝光工艺,重复多次薄膜沉积和刻蚀工序以实现更小线宽 ,由此带动薄膜沉积设备需求成倍增加。对比中芯国际180nm和90nm产线设备用量,PVD和 CVD需求均增长近4-5倍。

存储芯片:NAND 制造工艺从2D向3D转化,堆叠层数也从32/64层向128/196层发展,产品 结构和层数的复杂化同样催生更多薄膜沉积设备需求。

离子注入:较小制程下的掺杂方法

掺杂是把杂质引入半导体材料的晶体结构中,以改变它的电学性能。硼、磷、砷、锑是半导 体制造中最常见的四种杂质。

掺杂的原因有很多,例如硼和磷杂质扩形成硅器件的多数载流子,形成硅片的导电层,也可 以改变材料的性能,掺杂还可以提高多晶硅栅电极的电导率。

在晶片制造中,有两种方法可以引入杂质元素,即热扩散和离子注入,随着特征尺寸的不断 减小,现代晶片制造几乎所有掺杂工艺都是用离子注入实现的。

热处理设备市场:氧化/扩散炉远期市场规模7.1亿美元

近年来,半导体热处理设备市场规模保持平稳增长。根据Gartner统计数据,2020年全球热处 理设备市场规模合计15.37亿美元,其中氧化/扩散设备市场规模约5.52亿美元。

下游对于半导体产品性能需求的不断提升,将对上游热处理设备市场产生拉动效应,在此趋 势下,热处理设备预计将获得更大的发展空间,2025年热处理设备市场规模有望达到19.91 亿美元,氧化/扩散设备市场规模将达到7.10亿美元。

清洗工艺:干法清洗 VS 湿法清洗

清洗工艺 : 主要用于去除芯片制造中上一道工序所遗留的超微细颗粒污染物、金属残留、 有机物残留物,去除光阻掩膜或残留,也可根据需要进行硅氧化膜、氮化硅或金属等薄膜 材料的湿法腐蚀,为下一步工序准备好良好的表面条件。

清洗设备需求:远期41亿美元全球空间

根据Gartner 统计数据,2018年全球半导体清洗设备市场规模为34.17亿美元,2019和 2020年受全球半导体行业景气度下行的影响,有所下降,分别为31.7和33.4亿美元,随 着全球半导体行业复苏,全球半导体清洗设备市场将呈逐年增长的趋势,2025年预计全 球半导体清洗设备行业将达到40.7亿美元。

CMP抛光工艺:耗材成本占比68%

化学机械抛光(CMP)是半导体集成电路 制造前道工序和先进封装环节的必备环节, 指用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶 圆或其它衬底材料进行平坦化处理。

CMP工艺的原理是将机械力作用于圆片表 面,同时由抛光液中的化学物质与圆片表面 材料发生化学反应来增加其抛光速率。

CMP市场主要分为设备和耗材(抛光液、 抛光垫),其中CMP耗材占接近68%, CMP设备为32%。

检测和量测设备: 2022年中国检测和量测设备市场规模近34亿美金

半导体检测设备是芯片良率控制的关键,分为(1)前道量测设备(工艺流程控制设备)和 (2)后道测试设备(自动检测设备ATE)。前道量测设备主要用于晶圆加工环节,目的是 检查每一步制造工艺后晶圆产品的加工参数是否达到设计的要求或者存在影响良率的缺陷, 属于物理性的检测;后道测试设备主要是用在晶圆加工之后、封装测试环节内,目的是检查 芯片的性能是否符合要求,属于电性能的检测。

2 半导体设备需求拆解

台积电:22年将是强劲增长的年份

台积电2021年资本支出300亿美元,22年资本支出将达到400-440亿美元,其中大部分(70~80%)将 集中于先进技术产品线,涵盖了 7nm、5nm、3nm 和 2nm 芯片制造工艺。

公司预计2022年将是又一个强劲增长的年份。对于2022全年,台积电预计整个半导体市场将增长约9%, 代工行业的增长预计将接近20%,公司将有信心跑赢代工行业20%的增速。

中芯国际:半导体行业仍然供大于求

中芯国际2021年资本支出45亿美元,22年资本支出预计将达到50亿美元。

公司表示半导体行业仍处于供大于求的状态,部分应用领域整体需求增速放缓,产能全面短 缺逐步向安全性、结构性短缺转变。

华虹半导体:22年的需求依旧十分强劲

公司2021年资本开支9.39亿美元,21Q4产能利用率超100%。

扩产方面,公司从2021年年中开始实施94.5K的扩产,首台设备预计2022年3月份搬入,2022年底之前, 预计95%以上的设备可以投入使用。随着设备的搬入、调试的完成,公司将在2022年底实现94.5K的产 能。

设备投资成本:28nm约8亿美元/万片

先进制程投资成本高,研发进程缓,成熟制程在成本控制方面更具优势。根据IBS统计,随 着技术节点的不断缩小,集成电路制造的设备投入呈大幅上升的趋势。以5纳米技术节点为 例,其投资成本高达数百亿美元,是14纳米的两倍以上,28纳米的四倍左右。格罗方德和 联电均已宣布暂缓10nm以下制程的研发。

中芯京城:76亿美元扩产10万片/月

中芯京城项目,总投资76亿美元,分两期建设。一期计划于2024年完工,建成后将达成每 月约10万片12吋晶圆产能。

长江存储:20万片/月产能待扩

长江存储“国家存储器基地项目”由紫光集团、国家集成电路基金、湖北省科投集团和湖 北省集成电路产业基金共同投资建设。

此项目规划共投资约1697亿元,分两期建设3D NAND Flash芯片工厂,两期达产产能30 万片/月。

华润微:重庆扩产12吋晶圆

华润微与大基金二期联手,预计投75.5亿元扩产晶圆;建成后预计将形成月产3万片12吋中 高端功率半导体晶圆生产能力,并配套建设12吋外延及薄片工艺能力。

士兰微:8吋、12吋二期待扩

8吋:2019年,公司公告拟投资15亿元启动8吋二期扩产,计划新增年产能43.2万片,即3.6 万片/月;2020年底,士兰微实现8吋产能6万片/月。

12吋:士兰微12吋产线一期于2020年底正式投产,月产能4万片/月,现处于爬坡中。2021 年5月,公司公告启动12吋二期建设,预计新增年产24万片高压集成电路和功率器件芯片。

第三代半导体 :2020年694亿元投资

据CASA Research统计,2020年共有24笔第三代半导体投资扩产项目, 披露的投资扩产金额达到694亿元, 较2019年同比增长161%;其中, SiC涉及金额550亿元,GaN涉及金 额144亿元。

全球产能分布:中国大陆聚焦28纳米以上成熟制程

根据2020年全球各地区晶圆产能按制程拆分来看,受台积电和三星驱动,全球10纳米以下 产能主要位于中国台湾及韩国,其中中国台湾产能占比90%以上。

美国产能则主要集中在10纳米到22纳米。中国大陆在28nm以上制程的占比最高,其中在28 纳米-45纳米已经成为全球仅次于中国台湾的第二大产能供给地。

竞争形势严峻,国产替代迫在眉睫。

各国政府积极向有芯片制造能力的厂商抛出橄榄枝,鼓励厂商在本土设厂,如2020年台积电 在美国支持下决定赴美投资120亿美元生产世界最先进的5纳米芯片。台积电、三星电子规划 在美国建设新的晶圆代工厂,争夺美国300多亿美元的政府补贴。

3 半导体设备大厂复盘

中外对比:产品线对比

行业三大龙头企业产 品线主要集中在半导 体设备和FPD设备,涵 盖的工艺技术较为全 面。其中泛林半导体 只经营半导体业务, 东京电子和应用材料 还涉及显示器设备。

国内领先企业目前具 备的技术种类略少于 行业龙头企业。中微 公司主要聚焦刻蚀产 品和MOCVD设备;北 方华创涵盖的业务相 对更多,除半导体业 务外,还涉及真空光 伏设备与新能源锂电 设备。

全球前十大半导体设备厂商:兼收并购助力企业平台化

由于半导体设备行业具有技术壁垒高、 投资周期长等特性,半导体设备厂商往 往会采用并购手段来进行产品线丰富与 市场扩张。

1996年至2020年,全球前10大半导体 设备厂商合计发起92次并购,其中并购 次数最多的是全球市占率约8%的科磊半 导体,共发起并购28次。市占率约23% 的全球龙头应用材料则发起并购21次。

景气度:营收规模持续扩大

扩产高需求拉动下,龙头设备厂商营收规模持续扩大。ASML 22Q1营收负增长主要是公司 采取了快速出货模式,即为使客户尽快开出产能,取消厂内测试环节,直接运设备到客户端 进行测试验收,然后确认收入,导致部分订单延迟到22Q2确认收入。

需求:供不应求向上游蔓延,零部件交期拉长

设备高需求,叠加疫情等因素,半导体行业供不应求进一步向上游零部件蔓延。疫情前,零部件平均交 期约为3个月,而现阶段,根据Nikkei数据,阀门、泵类交期尤为长,已达12-15个月,石英件、EFEM 等的交期也接近10个月,稍短一点的O-ring交期在5个月左右,交期都大幅拉长。(报告来源:未来智库)

4 国产半导体设备机遇

国产生态:产品平台化+泛半导体全覆盖

半导体设备的两大必然趋势:1、产品的平台化:前道工艺设备全覆盖(除光刻、量测设备 外)。2、泛半导体领域全覆盖:泛半导体技术的同源性导致了产品矩阵必须要扩充到LCD 、LED、第三代半导体等多重领域。

拓荆科技:PECVD+SACVD+ALD

拓荆科技成立于2010年,主营半导体薄膜沉积设备,PECVD、ALD、SACVD三个产品系列已广泛应用于 国内晶圆厂14nm及以上制程集成电路制造产线,并已展开 10nm 及以下制程产品验证测试;且公司是目 前国内唯一一家产业化应用PECVD、SACVD设备的厂商。

屹唐半导体:覆盖刻蚀、去胶、热处理设备

屹唐半导体自主研发并制造集成电路生产所需的设备,主要包含以下产品:干法去胶设备、 干法刻蚀设备、高选择比刻蚀和原子层级表面处理设备、快速热处理和毫秒级退火设备。

营收:2021年行业增速56%,2022年1-10进一步放量

2021年,主要国产半导体设备厂商合计销售额约240亿元,实现同比56%的高速增长。

其中,北方华创、中微公司、盛美上海等在原有成熟设备基础上进一步放量;万业企业旗下 凯世通实现离子注入机0-1突破;芯源微多款前道涂胶显影设备在客户端进展顺利。

2022年,下游扩产及国产化持续带动下,国产设备厂商将进一步实现1-10放量。

盈利:盈利能力显著提升

业绩方面来看,北方华创、中微公司、盛美上海、华峰测控、长川科技、芯源微的扣非后归 母净利润增速均显著高于收入增速,得益于规模化放量和产品结构优化,前道半导体设备公 司盈利能力有明显提升。

(报告出品方/作者:方正证券,陈杭、胡园园)

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