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2022年1月10整理发布:四大设备集成电路制造设备按类型

导读 2022年1月10整理发布:一、四大设备,晶圆厂80%支出集成电路制造设备按类型分为氧化/扩散炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备、...

2022年1月10整理发布:一、四大设备,晶圆厂80%支出

集成电路制造设备按类型分为氧化/扩散炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备、清洗设备与检测设备等;按工艺分为成熟工艺设备和先进工艺设备两种,成熟工艺设备包含 8 英寸、6 英寸等 90nm 以上技术节点,先进工艺设备以 12 英寸 90nm 以下技术节点为主。

▲集成电路产业链

▲集成电路制造流程及对应设备

晶圆厂 80%以上的投资用于购买集成电路设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备(包含 CVD 设备与 PVD 设备),光刻设备和清洗设备是四大主要设备,2019年四大主要设备投资规模占晶圆制造设备总投资的比例分别为 30%、25%、 23%、5%。清洗设备虽然投资占比较低,但清洗步骤数量约占所有芯片制造工序步骤的 30%以上,是晶圆制造中最重要的环节之一。

▲刻蚀,薄膜沉积,光刻与清洗设备是主要设备

1、需求:区域投资强劲和新型工艺驱动,需求逐年增加

在经历 2019 年的短期下滑之后,在 5G、高性能运算的驱动下,全球半导体晶圆厂均开始加大资本开支。根据 SEMI 统计,2020 年全球半导体晶圆厂资本开支达 1069 亿美元,同比增长 7.6%。预计 2024 年将达到 1276 亿美元,2019-2024 年 CAGR 达 5.1%。上游设备厂商受益于晶圆厂扩产浪潮最为明显。

▲全球半导体圆晶厂商资本开支

根据国际半导体产业协会(SEMI)统计,中国 2020 年集成电路设备销售额达 187.2 亿美元,同比增长 39%,首次成为全球最大的集成电路设备市场,2013-2020 年中国集成电路设备销售额年均复合增长率达27.76%。

中国地区 2020 年集成电路设备销售额排名第二,为 171.5 亿美元,占全球集成电路设备市场销售额的比例为 24.09%。中国地区在建晶圆厂数量也领先于其他地区,2021 年及 2022 年新建晶圆厂数量居全球首位,意味着国内对集成电路设备的需求进一步加大。

▲全球及半导体设备销售额

▲2021 及 2022 新建圆晶厂数量

业界发展 3D 技术,采用多层堆栈技术将多颗集成电路立体封装在一起,代替过去的一颗集成电路的功能,以实现更高的像素与更大的存储容量。过去的图像传感集成电路将像素功能,内存功能与逻辑功能整合在一颗集成电路,难以在单位面积集成更多晶体管来提高像素。

如今业界采用三颗不同功能集成电路多层堆栈代替过去一颗集成电路,对集成电路设备需求出现了大幅增长。同时 3D NAND 存储器也采用该结构以提升存储容量。多层堆栈技术的大规模应用导致对设备的需求进一步加大。

14nm 及更先进制程的逻辑运算芯片为了追求更高速度与更低功耗,开始引入更为复杂的 FinFET(鳍式场效应晶体管)技术与 GAA(全包围栅极晶体管)技术,复杂的晶体管结构导致了所有工艺步骤的增加,在刻蚀工艺方面尤为明显,28nm 制程芯片需要 40 道刻蚀工艺步骤,5nm 制程芯片则需要高达160 道刻蚀工艺步骤,与之对应的则是对刻蚀设备需求的激增。

▲逻辑器件各制程刻蚀工艺步骤数

在近年来新能源汽车销售量快速增长,预计到 2025 年全球新能源汽车渗透率超过 30%。随着新能源汽车的电子化与智能化,车规芯片种类越来越多、性能越来越强。相比较消费电子注重性能功耗,车规级芯片更加强调可靠性、安全性和长效性。车规级芯片需要兼顾工艺成熟稳定与具有竞争力的价格优势,8 英寸工艺设备成了当前汽车半导体的最佳选择,适用于车规级芯片的成熟半导体设备需求愈发紧张。

▲2018-2025 年全球新能源汽车销量和预测

2、供给:高度垄断,成熟工艺和先进工艺均供不应求

目前全球集成电路设备市场集中度较高,以、荷兰、为代表的前5 强企业垄断了设备市场约 70%的份额。集成电路设备研发技术难度大、投入高、周期长,具备极高的门槛和壁垒,在全世界范围内,行业集中度很高,行业头部企业基本占据绝大部分市场份额。

近两年因影响,欧美设备企业出现人力严重短缺,同时其上游零部件企业也因人力短缺而无法按时向设备企业交付关键零部件,导致部分设备因缺少部分零部件而无法完成组装出货。应用材料公司曾计划于上海临港建立集成电路设备工厂,因司法部阻挠而终止。

▲国际设备商设备交付周期

《瓦森纳协定》全称为《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳安排》,目前共有包括、、英国、俄罗斯等 40 个成员国(注:没有中国)。为了更好维护成员国的利益,协定一直对中国禁售最新的几代设备。目前阶段 EUV 光刻机等高端设备因《瓦森纳协定》而对中国禁售。

集成电路设备的技术壁垒非常高且国内设备商起步较晚,在光刻、电镀铜、特殊低介电系数薄膜等领域高端工艺领域与国际公司尚有较大差距,替代能力不足。

▲不同工艺设备国产化率

晶圆厂成本支出 80%为设备成本,国际设备供应商倾向于研发和生产用于更先进工艺的 12 英寸设备以获取更高利润,与此同时已于 20 年前陆续放弃应用于成熟制程的 8 英寸晶圆设备的生产, 目前市场上流通的 8 英寸设备绝大多数是二手翻新设备,因新能源汽车芯片等中低端芯片需求强烈而再无更多8 英寸设备进入市场,导致二手 8 英寸设备价格节节攀升,大部分设备近三年涨幅 100%以上。

国际设备供应商虽然意识到目前 8 英寸设备严重供不应求且利润率较高,但 12 英寸晶圆因可以产出更多颗芯片,经济性更佳,长期看 8 英寸设备被 12英寸设备取代的概率很高,所以依然没有重启 8 英寸设备生产的意愿。

与此同时,国内设备供应商如拓荆科技、中微公司等已掌握绝大部分成熟制程设备所需的技术,其产品已陆续被成熟制程晶圆厂如中芯天津、中芯绍兴等大量采购。在国产替代方面,成熟制程的设备公司正在不断扩大市场份额,率先取得突破。

二、国内设备商的崛起机会

全球半导体设备公司集中在五家头部企业:的应用材料(AppliedMaterials,AMAT)、泛林半导体(Lam)与科磊(KLA)、荷兰的阿斯麦(ASML)与东京电子(TEL)。各企业在细分领域分别处于龙头地位。

▲各领域不同设备公司市场份额

各领域欧美及设备公司高度垄断,国产设备不断进步,在国内晶圆厂的市场份额越来越高。更有部分优质国产设备企业,开始积极拓展海外市场,目前已获得国际领先晶圆厂的订单。

▲半导体设备年国产化率

1、清洗设备展露头角

全球半导体清洗设备主要由、等国外企业供应,合计占比超过80%。其中,厂商迪恩士处于绝对领先地位,市场份额超过50%。其次是东京电子、泛林等,市场份额30%-40%。其余的为韩国厂商 SEMES 和 Mujin。目前,中国能提供半导体清洗设备的企业较少,主要包括盛美上海、北方华创、芯源微及至纯科技。

其中盛美为国内半导体清洗设备的行业龙头企业,主要产品为集成电路领域的单片清洗设备,其中包括单片清洗设备、单片背面清洗设备、单片刷洗设备、槽式清洗设备和单片槽式组合清洗设备等,产品线较为丰富;北方华创可提供多种类型的单片清洗和槽式清洗设备,已广泛应用于集成电路、半导体照明、先进封装等领域;至纯科技具备生产 8-12 英寸高阶单片湿法清洗设备和槽式湿法清洗设备的相关技术;芯源微目前产品用于集成电路制造领域的单片式刷洗领域。

以盛美为例,研发出 SAPS、TEBO 等清洗技术,成功解决兆声波清洗不均匀和易损伤两大难题。相比传统的兆声波清洗方法,盛美首创的 SAPS 技术将兆声波能量发生器和晶圆之间的间隙做周期性变化,达到了对晶圆表面兆声波能量分布的精确控制,有效解决了兆声波能量在晶圆表面分布不均匀的难题。同时 TEBO 清洗技术使得兆声波清洗产生的气泡不会爆炸,实现了硅片均匀和无损的兆声波清洗重要突破。目前盛美已成为国产清洗设备领域头部企业,且已通过韩国海力士验收。

▲全球清洗设备行业厂商市占率

2、刻蚀设备,国产设备在成熟工艺取得突破

根据 Gartner 统计数据,2020 年全球干法刻蚀设备行业市场集中度较高,CR3 达到 90.24%,其中泛林半导体以 46.71%的市场份额排在第一位。中微公司、北方华创、屹唐股份市场份额分别为 1.37%、0.89%、0.1%,与泛林半导体、东京电子、应用材料的市场份额相比,差距较大。目前,中微公司、北方华创、屹唐股份等企业尚处于追赶阶段,全球市场占有率较低。

▲全球干法刻蚀设备市场格局

▲长江存储 2017-2021 年设备招标刻蚀设备各厂商中标项目数量

在逻辑集成电路制造环节,中微公司 12 英寸高端刻蚀设备已运用在国际知名客户 65nm 到 5nm 等先进的芯片生产线上;同时已开发出小于 5nm 刻蚀设备用于若干关键步骤的加工,并已获得行业领先客户的批量订单。在 3DNAND 芯片制造环节,中微公司 CCP 设备可应用于 64 层和 128 层等成熟工艺的量产,正在开发的新一代产品能涵盖 128 层及以上关键刻蚀应用以及相对应的极高深宽比的刻蚀设备和工艺。

此外,ICP 设备进展顺利,已经在多个逻辑芯片和存储芯片厂商的生产线上量产,截止 2020 年底,中微公司的 ICP 设备 Primo Nanova 已有 55 个反应台在客户端运转,经过客户验证的应用数量也在持续增加。中微公司也在持续探索 5nm 以下的逻辑芯片、1X nm 的DRAM 芯片和 128 层以上的 3D NAND 芯片等产品的 ICP 刻蚀需求,并进行高产出的 ICP 刻蚀设备的研发。

以 3D NAND 存储器为例, 其立体结构最依赖于刻蚀机而不是光刻机来实现,由于中微的刻蚀设备可以实现国产替代,故放弃刻蚀设备对华出口的管控,长江存储可以购买到最先进刻蚀设备,也是长江存储技术持续进步并跻身 3D NAND 产品全球第一梯队的根本保证。

3、薄膜沉积设备,国内公司在特殊工艺领域已迎头赶上

薄膜沉积设备市场规模持续增长。根据 Maximize Market Research 数据统计,2020 年全球半导体薄膜沉积设备市场规模为 172 亿美元,2017-2020年全球半导体薄膜沉积设备市场规模年复合增长率为 11.2%,MaximizeMarket Research 预计 2021 年全球半导体薄膜沉积设备市场规模将达到 187亿美元。薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中的介质层与金属层的沉积,包括CVD(化学气相沉积)设备,PVD(物理气相沉积)设备和 ALD(原子层沉积)设备等。

全球 CVD 市场上,应用材料占据龙头地位,市场份额 30%,其次是泛林半导体和东京电子,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,开始进行小批量生产交付。目前全球 PVD 市场高度垄断,应用材料占 85%的市场份额。国内企业北方华创实力领先, 2019 年北方华创 PVD 份额 3%,与国际领先公司差距较小。ALD 领域作为新兴领域,国内公司与国外巨头起步时间较为接近,国外公司技术壁垒并不高,国内公司在国内晶圆厂有一定渗透率。

拓荆科技主要产品包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备、原子层沉积(ALD)设备和次常压化学气相沉积(SACVD)设备三个产品系列,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。产品已适配国内最先进的 28/14nm 逻辑芯片、19/17nm DRAM 芯片和 64/128 层 3D NAND FLASH 晶圆制造产线。

▲长江存储 2017-2021 年设备招标薄膜沉积设备各厂商中标项目数量合计

▲全球 CVD 设备市场规模

▲全球 PVD 设备市场规模

4、光刻设备技术壁垒较高,国内公司仍需不断积累

光刻机由荷兰 ASML、尼康与佳能三家巨头垄断,对于先进制程所需要的 EUV 高端光刻机,更是只有 ASML 一家公司能够提供。国内光刻机公司上海微电子尚未取得突破。根据 ASML、佳能及尼康公司公告显示,2020 年全球光刻机销量 413 台,同比增长 15%,中低端市场需求量不断增长,主要受封装而非制造的推动,因封装相比制造,对光刻机分辨率要求低很多,较低的技术壁垒导致竞争者数量较多,尼康与佳能凭借价格优势占据封装市场主导地位。而光刻机行业市场销售规模增量主要来自于高性能 EUV 光刻机,超高端和高端产品 EUV 与 ArF 光刻机销售额占光刻机市场销售额的 81%。

▲全球光刻机年度销量,2021-2025 年预测

光刻机波长越短,分辨率越高,不断降低波长也成了光刻机研发的首要目标。目前最成熟的、应用于深紫外曝光技术的准分子激光器主要有两种,一种是采用氟化氪气体的准分子激光器(KrF),光源波长为 248nm;另一种是采用氟化氩气体的准分子激光器(ArF),光源波长为 193nm。而应用于高端制程的 ASML EUV 极紫外光刻机是波长为 13nm 的光辐射,技术壁垒非常高,其他业内公司短期内无法赶超。