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半导体设备系列1 —— 行业分析
 ASAM 投资研究部           2020-07-01 14:21:00
半导体设备系列将分为:半导体设备行业分析、细分领域竞争格局、中国半导体设备厂商、招标情况及收入估算。

本篇主要对半导体设备行业做初步分析。

 

半导体设备行业分析

 

1、半导体制造工艺流程

扩散-光刻-刻蚀-离子注入-薄膜沉积-抛光-金属化

半导体产品的加工过程主要包括晶圆制造(前道,Front-End)和封装(后道,Back-End)测试,随着先进封装技术的渗透,出现介于晶圆制造和封装之间的加工环节,称为中道(Middle-End)。 

晶圆处理线可以分成 7 个独立的生产区域:扩散(Thermal Process)、光刻(Photolithography)、刻蚀(Etch)、离子注入(Ion Implant)、薄膜沉积(Dielectric Deposition)、抛光(CMP)、金属化(Metalization)。7 个主要生产区的相关步骤以及测量等都是在晶圆洁净厂房进行的。在生产区都放置有若干种半导体设备,满足不同的需要。 

 

资料来源:公开数据,中恒星光投资集团整理

 

半导体生产流程:

半导体生产需要在硅片上进行,硅片是半导体最主要也是最基本的材料,硅片生产中包括了温控炉和切割的金刚线等耗材,属于生产半导体材料的材料。

◾扩散:半导体生产中,第一步是对硅片进行初加工,这一步叫做扩散,就是把硅片经过清洗后,放在高温炉内用特种气体进行预沉积,给后面的离子注入和薄膜沉积进行预先准备。

◾光刻:光刻原理可以理解为“阴刻”,让想要刻的电路先凹进去,由于精度太小不能通过物理原理进行,要采用化学原理通过反应把凹进去的地方去除。这一步先给硅片涂满光刻胶,用石英做好一个光罩,也被称为光掩模,上面是电路的透过形状,放在光源的前端,光源采用紫外光(波长短不易发生衍射)。光刻是用光通过光掩模来照射涂满光刻胶的硅片,需要重复多次,因为每次只能在硅片一个小区域。被照射过的区域,光刻胶出现了变性,在后期可以通过浸泡在一些化学试剂的显影剂中进行去除,这一步属于光刻步骤的另一半,叫做显影。

◾刻蚀:光刻只是暂时让硅片上需要刻有电路的地方出现“下凹”,要实现永久性的真实电路图形,需要用可以与硅片表面发生反应的溶剂,在硅片表面进行刻蚀(在一些制程较低级或者特殊工艺上,刻蚀可以是干法,即物理刻蚀)。刻蚀完成后,可以再次清洗,主要是把多余的光刻胶洗掉。

◾离子注入和薄膜沉积:1)离子注入主要是将一些硅片上没有的元素离子化后,在特定区域比如沟槽等,将之重新掺杂进去,以实现硅片表面的一些特殊性质,比如功率芯片上的某些电气功能等。2)薄膜沉积就是通过化学或者物理的方法,让特定区域表面实现一层薄膜,为了实现一些特定功能,或是保护。3)这两者不仅代表步骤,也代表工艺,即也会在其他步骤出现。在某些制程上,可以用到溅射,即注入或沉积的离子不是直接发射出来的,而是通过一个离子束撞击靶材,然后把靶材中的物质撞击出来,实现溅射到硅片的特定区域。

◾抛光:用抛光液和抛光垫以及清洗剂,实现刻有电路的硅片表面平坦。这个环节和多次用到的清洗环节一样很重要,现在很多半导体都是多层的3D结构,尤其是存储芯片,因此在清洗过程中,如何平衡各个角落都清洗到位以及不会把结构洗坏这两点,是抛光和清洗设备和材料厂商比较关心的。

上述基础步骤,经过多次重复(有时候不是按上述顺序),就构成了半导体生产的基本流程。

 

2、行业规模

价值空间的相对量:上述流程主要是指半导体制造,占了半导体55%的价值量。但因为轻资产的设计占其中了30%,所以半导体制造环节设备和材料使用端的价值空间实际占了整个半导体价值量的78%。

价值空间的绝对量:采用最大口径(包含了所有跟半导体有关的,除了集成电路外,还包括光电子器件、分立器件、传感器,占比分别为84%、8%、5%和3%),半导体产业产值超4000亿美元。2019年全球半导体设备制造商收入达到598亿美元,较2018年的645亿美元的历史峰值下滑7%。 

 

资料来源:SEMI、SEAJ,中恒星光投资集团整理

 

资料来源:SEMI,中恒星光投资集团整理

 

资料来源:SEMI,前瞻经济学人

中恒星光投资集团整理

 

新晶圆制造厂从建立到生产的周期大概为2年。一般在第20个月的时候开始进行设备搬入、测试、试生产。

 

资料来源:西南证券整理,中恒星光投资集团整理

 

一条新建生产线最大的资本支出来自于半导体设备,资本支出占比高达80%,厂房建设占比仅20%。晶圆制造设备约占半导体设备投资额的80%。因此晶圆制造设备占新建产线资本支出的65%左右。

 

资料来源:SEMI,中恒星光投资集团整理

 

资料来源:SEMI,中恒星光投资集团整理

 

建设一条12英寸芯片生产性的投资已经很高,少则30-50亿美元。根据2017年美国加州UCBerkeley大学的理论数据,一条月产12英寸硅片5万片的生产线,需要50台光刻机、10台大束流离子注入机、8台中束流离子注入机、40台刻蚀机以及30台薄膜沉积设备等,估计各类设备的总计台(套)要超过500个。

晶圆制造设备中,按照格罗方德数据,晶圆制造设备中,光刻机占比最高(27%),其次是刻蚀设备(20%)、PVD(10%)、CVD(10%)、量测设备(10%)、掺杂设备(10%)、清洗设备(6%)、CMP设备(4%)。

 

资料来源:SEMI,中恒星光投资集团整理

 

晶圆制造设备中,按国内产线招标情况来看(国泰君安统计),光刻机占比最高(30%),其次是刻蚀设备(20%)、PVD(15%)、CVD(10%)、量测设备(10%)、离子注入设备(5%)等。

过去五年,国内半导体设备销售额复合增速(CAGR)达到31%,几乎是全球半导体设备复合增速约15%的2倍。虽然我国半导体设备市场规模高速增长,但是我国在半导体设备方面的自给率却远远不足,相较于近130亿美元的市场,国产半导体装备产业销售额只有124亿人民币,自给率仅为13%,国产半导体设备销售额仅占全球半导体设备市场规模的3%。由于中国电子专用设备工业协会统计的数据包括集成电路、LED、面板、光伏等设备,所以实际上国内集成电路设备的国内市场自给率仅有5%左右,技术含量最高的集成电路前道设备市场自给率更低。 

 

资料来源:SEMI,中恒星光投资集团整理

 

选取已经建好的华虹Fab1-3、华虹Fab5与新建的华虹Fab6、华虹无锡以及长江存储作比较。已经建成的8寸晶圆线华虹Fab1-3国产化率仅为6%,12寸的Fab5(50-40-28nm)由于制程更加先进,国产化率为4%。华虹Fab6国产率超过了15%。华虹无锡和长江存储的国产化率均超过7%。由此可以看出,内资产线的国产化率呈现提升趋势。 

 

资料来源:中国国际招标网,中恒星光投资集团整理

(数据截止到2019年底)

 

3、行业展望

2019年全球半导体市场进入硅周期的低谷阶段,全球半导体市场销售总额与2018年相比下跌了12%,这是从2001年以来全球半导体市场出现了最大的跌幅。原本预计半导体行业今年会有所成长,然而新冠疫情以及其他综合因素对全球经济产生了影响,今年半导体产业销售额将会有5%或更多的负增长,2021年将会重新恢复正成长。

根据SEMI5月发布的世界晶圆厂预测报告,受新冠疫情影响,2020年全球晶圆厂设备支出从增长5.5%下调至下滑4%,而在2021年大幅反弹24%达到创纪录的677亿美元,比此前预测657亿美元高出10%。其中,存储器晶圆厂将以300亿美元的设备支出领先全球半导体领域,3D NAND内存细分市场将在今年推动30%的设备增长,2021年推动17%的增长;DRAM晶圆厂投资在2020年下降11%后,明年将激增50%。其次是领先的逻辑和代工厂,预计将以290亿美元的投资排名第二。

分季度来看,设备支出在20Q1环比下降15%,Q2为设备投资低点,Q3环比将反弹30%左右。

 

资料来源:SEMI,中恒星光投资集团整理(5月更新版)

 

而从4月半导体设备出货量来看,美国和日本出货量都表现不错,延续2019年下半年以来的复苏势头。根据SEAJ,今年4月,日本半导体设备销售额同比增长16.4%,连续5个月增长,创17个月以来最大增幅、销售额创19个月来(自18年9月以来)新高。2020年1-4月间,日本半导体设备累计销售额同比增长9.6%。4月北美半导体制造商总营收为22.6亿美元,环比增长2.2%,同比增长17.2%,连续7个月保持在20亿美元以上。

中国集成电路产业取得了出色的表现,产业规模达到了7500多亿,同比增长15%。虽然疫情还没有结束,四季度和明年的形势也不确定。但是上半年中国半导体行业逆市上扬,上海市的集成电路行业增长超过30%。2020Q1中国大陆半导体设备销售额同比增长48%;显著高于全球的13%;显示疫情对于国内半导体发展属于短期影响。

长期来看,随着国内晶圆厂的大量投建,设备、材料的采购周期将加速回归。除去目前已经停摆的两个项目(成都格芯和德科玛南京),目前中国大陆共计有31座在建/已建的12英寸晶圆厂,28座在建/已建/规划中的8英寸晶圆厂,项目主要集中在北京、成都、重庆及江浙一带。

 

资料来源:公开数据,中恒星光投资集团整理

 

中国大陆晶圆代工厂商扩产计划较为明确,两大存储芯片厂商长江资本支出约41亿,中芯国际支出从20亿美元提至31亿美元,华虹半导体支出4.88亿美元。展望2020年,中芯国际预计增加8英寸晶圆月产能25K,12英寸晶圆月产能30K;华虹半导体则计划补足12英寸晶圆规划的总产能,加上两家厂商皆有发展先进制程规划,未来资本支出还可望持续提升。 

存储产品相对于逻辑器件而言标准化程度更高,逻辑种类繁多具有定制化属性,而存储产品更多是相同单元的叠加,存储制造对制造设备参数要求相对简化且用量大,对于国内设备厂商而言相对容易突破。 

和逻辑代工厂不同,存储厂必须持续扩充生产线,通过规模效应维持市场竞争力,一旦国内半导体设备厂商通过认证,将会带来较为持续的订单需求。

因此,国内存储厂对国产半导体设备的态度是关乎国内半导体设备厂商近几年能否崛起的关键。 

未来五年年以长江存储、合肥长鑫和紫光存储等存储芯片厂商将成为未来设备采购主要的增长来源,预计未来5年内将累计投资500亿美元采购设备,而逻辑厂商在未来3年内支出约284亿美元采购设备,预计到2024年中国大陆半导体设备支出额将达到450亿美元,占全球市场的份额进一步上升至44%,相较于目前130亿美元的市场规模,仍然有超过3倍的增长,如果国内企业占比接近20%,国产半导体设备市场规模有望达到630亿人民币。

 

资料来源:公开数据,中恒星光投资集团整理

 

3.1 存储芯片

1)存储制造基地产能大幅扩张

从产业趋势来看,存储器厂成为投资主力。

中国大陆存储芯片的进口替代在内外环境双重刺激下正加速发展,在内部方面存储芯片过度依赖进口,根据SEMI数据,2019年中国大陆存储芯片近97%皆仰赖进口,其中韩国占比就超过50%,急需减少国内存储芯片贸易逆差;在外部方面,中美竞争加剧导致美国科技限制加大,存储芯片作为计算机应用关键芯片,自主可控意义重大;因此,国家对于存储制造基地的产能扩张和技术推进均加大支持力度;根据长江日报报道,在全国两会上,刘江东等多位全国人大代表联名建议,在发展战略上更加聚焦国家存储器基地建设,尽快成立国家集成电路产业投资基金,成立相关工作协调领导小组,抢占时间窗口,加速推进项目建设;

(1)长江存储方面:公司3D NAND技术持续升级,根据多维新闻数据,自主创新Xtacking架构的64层TLC 3DNAND闪存正式量产;根据TrendForce信息,长江存储预计将跳过96层,跨越至128层3D NAND,预计将于2021年量产;产能方面,长江存储项目分为三期,项目总投资达240亿美元;其中,一期主要实现技术突破,并建成10万片/月产能;二期规划产能20万片/月,两期项目达产后月产能共计30万片;二期项目已于2020年6月20日开工建设。

(2)长鑫存储方面:公司DRAM性能持续突破,2019年底公司量产1Xnm(约19nm)内存芯片,可以供应DDR4内存芯片、DDR4模组及LPDDR4X移动内存,频率达2666MHz、2666MHz、3733MHz,已经达到主流标准,公司正持续推进新一代内存芯片研发;在长三角一体化发展重大合作事项签约仪式上,长鑫存储制造基地项目合作协议由长鑫存储、苏州瑞红电子化学品、宁波江丰电子、上海新昇共同签约,公司将协同设备、材料端共同推进内存芯片的产能提升。

 

2)存储芯片景气度向上

◾供给方面:

2019下半年几家龙头厂商利润率均跌破上一轮周期底部(16Q2)。由于利润率触底,各大原厂对2020年 Capex 规划均趋于保守。

Capex:连续回落4个季度,2020年继续收缩。海力士在2019下半年capex快速回落,Q1/Q2/Q3/Q4 分别为 39/36/24/22 亿美元;美光趋势类似,其最近4个财季capex分别为 27/24/20/19 亿美元;三星和西数/东芝无对应数据。海力士/美光合计来看,capex已经连续下降 4 个季度,从2018和2019上半年的高位区间回落至17Q4水平。根据各厂商业绩说明会,海力士明确指引2020全年capex将大幅缩减,美光2020年capex计划为70-80亿美元,其中前端设备开支同比缩减30%,可见2020年行业capex将继续收缩。 

Wafer投片:2020年新增投片幅度有限。根据集邦咨询数据和各厂商业绩说明会表述,2020年DRAM 投片方面:三星Line13部分转产CIS,平泽厂投片继续增加;海力士 M10 部分转产CIS;美光日本厂投片增加;整体来看全行业,2020全年月度投片增幅预计仅为7%。NAND方面,三星西安厂投片继续增加,长江存储扩大投片,整体来看全行业,2020全年月度投片增幅预计也仅为6%。 

制程迭代:升级速度趋缓。根据集邦咨询数据和各厂商业绩说明会表述,2020全年视角来看,DRAM 方面 1z制程占比从无到有至年底将增加至 10%,1Y 从年初的19%增加至年底 35%;NAND方面,110层及以上占比从年初的2%将增加至年底 22%,96 层占比从年初 35%增加至年底 42%。

整体供给:增速明显放缓。根据集邦咨询预测数据,在上述投片和制程两方面因素影响下,2020年DRAM行业供给容量增速仅为 13%,相比2018/19年(分别为 21%和 19%)明显放缓;NAND行业供给容量增速为 33%,与2019年基本一致,但相比 2018 年(45%)明显放缓。

库存水位:连续回落2个季度。根据厂商官网数据,2019下半年海力士和美光库存天数均连续回落2个季度,已经接近2018年下半年库存水平。

历史复盘:当前行业供给端各项指标与前次景气周期开启时点高度相似。以海力士为例,在上一轮16Q3开启的景气时点来看,其库存自高位(16Q1)回落2个季度,Capex自高位(15Q2Q3)回落4个季度,shipment增速在需求驱动下连续拉升2个季度(也反映在库存上),这些指标在目前时点(19Q4、20Q1)均已重现。 

 

来源:三星电子季报,中恒星光投资集团整理

 

来源:三星电子季报,中恒星光投资集团整理

 

◾需求方面:

1)消费级市场的变化对存储器的需求。a)便携式的体感游戏对SSD需求的推动。尽管任天堂switch的零售价格一直上涨,但还是供不应求,由此带动了存储器的需求。b)索尼的video game,从今年第四季起,将从原来的机械硬盘HHD切换到固态硬盘SSD从one ticket开起步,需求瞬间飙升。在这里我们可以看到消费级市场的变化带着带动了存储器的需求。

 

来源:长江存储,中恒星光投资集团整理

 

2)云上业务对企业级存储器的需求。企业级SSDs的市场虽然在今年下半年会有小的波动,但会一路保持上涨的态势。另外一方面,随着QLC技术的成熟,以及它的成本优势,大容量、低成本的SSDs产品将被广泛广泛的应用于海量的数据存储,这也是一个新的趋势。

 

来源:长江存储,中恒星光投资集团整理

 

全球市场总和发展来看,企业级SSDs、个人电脑、智能手机将是未来闪存市场增长的主要驱动力,预计到2024年SSD的需求将会占据闪存总量的57.7%,智能手机对存储器的需求占到27%。

 

来源:长江存储,中恒星光投资集团整理

 

在供给端,受厂商Capex收缩以及部分 DRAM 产能转去CIS的影响,2020年行业供给容量增速将出现下降。在需求端,5G 驱动下手机迎来换机周期并且单机搭载量提升,叠加考虑服务器需求高景气以及下半年游戏机新产品带来增量需求,2020 年行业需求容量增速有望提升。存储芯片自2019年12月触底反弹,供需反转情况下,价格上涨有望持续。

 

3.2半导体设备资本支出提前半导体行业一年反应 

因为半导体设备资本支出会提前半导体行业一年反应。一般设备商的周期性要提前于材料商和制造商,而材料商和制造商的周期性基本保持一致。

从全球半导体营收规模来看,2011-2016年处于缓慢增长状态,年均复合增长率仅2.3%。2017年开启了半导体景气周期上行的拐点,全年营收规模高达4230亿美元,相较2016年的3550亿美元同比增长19%。

2012-2015年期间全球半导体设备销售额一直在300-400亿美元之间徘徊,直到2016年设备销售额达412亿美元,同比增长13%,2017年设备销售额进一步上升到566亿美元,同比增长37%。

从2015Q3开始,应用材料、阿斯麦、Lam Research和东京电子的股价就一路上涨。从2016Q3开始,京东方、三安光电、台积电等制造商业绩大幅提升,从而带动股价大涨。材料商和制造商几乎在同一时间响应下游需求,业绩和股价从2016Q3开始爆发。

 

4、技术变迁

根据摩尔定律,每隔18-24个月集成电路的技术要进步一代,相应的上游设备商必须每隔18-24个月推出更先进的制造设备。50多年来,光刻机的分辨率从10微米发展到目前的10纳米,整整提升了1000倍。集成电路基数的演变趋势为功能多样化+尺寸微细化。

NAND从Planner发展到3D64层结构,制造设备支出增加60%。DRAM从25纳米发展到14纳米,制造设备支出增加40%。晶圆代工厂加工工艺从28纳米发展到7纳米,制造设备支出增加100%。LCD发展到OLED基数,制造设备支出增加425%。

 

来源:应用材料,中恒星光投资集团整理

 

但是,从当前角度看,摩尔定律逐渐逼近物理和经济极限,发展有放缓趋势,为国内半导体设备企业追赶国际大厂赢得宝贵时间。

从“特征尺寸”来说,由于先进工艺节点的建厂成本呈指数级增长,当前全球也仅有台积电、三星等极个别工厂可以继续投资7nm及以下工艺的研发和生产线建设,英特尔正在研发7nm工艺,格罗方德已搁置7nm研发。

从“晶圆尺寸”来说,自2001年出现12英寸硅片以来,由于费用投入过大的问题,何时向18英寸发展仍是未知数。与此相对应的是,AIOT场景驱动下,辅助驱动、电源、人机结构、射频器件等芯片需求呈现一种“品多量少”的形态,通常单一细分品类的出货量不足1kk,且无需使用最尖端的制程工艺,使用12英寸生产线性价比一般(几年前普遍认为8寸设备要被淘汰,没有再进行生产,产能供给受限。8寸生产设备大多折旧完,代工报价远低于12寸),8英寸线因此重新焕发生机。

在这样的形式下,为国产设备验证从易到难,逐步提高设备稳定性,提供了宝贵的机会。 

 

来源:新材料在线,中恒星光投资集团整理

 

随着技术演进的步伐不断加剧,只有少数龙头的IC制造厂能够承担技术演进带来的巨大资本开支并赶上技术量产的时间进程。根据VLSI Research的研究:“半导体设备厂商研发12英寸晶圆制造技术和设备模组的过程耗时极久,研发费用达8英寸晶圆线的9倍,投资回收周期所需时间更长”。虽然12寸晶圆面积约为8寸的2.25倍,但设备售价却增加不到1倍。且随着12寸线的良率、稳定性及生产率大幅改善,1座12寸厂最后产出相当于同样规模8寸厂的4-5倍,设备需求则相对于8寸而变少。客户变少所需设备变少,因此半导体设备商必须尽可能利用既有设备模组,同时还要不断研发新的制程技术以绑定全球领先的晶圆厂商。”

之前8寸产线开工最大的问题在于设备。之前国内在设备的规划和布局上出现了偏差,导致国内的设备厂家多做12寸,而忽略了8寸这个成熟且不小的市场。现在8寸的设备问题解决比之前容易很多,二手设备、国产一手设备、加以适当国际一手设备和翻新设备,已经可以解决。这几年的新8寸,积塔、中芯宁波、中芯绍兴、燕东等基本上这样的搭配,只是比例不一。

随着国内半导体设备技术水平与国际先进水平之间的差距逐渐缩小,国内半导体设备厂商面临的最大壁垒在于下游客户的认证壁垒,即高昂的客户转换成本。先进的IC制程大约400-500道,一种设备仅负责其中一道或几道,评估新设备除了要花大量的人力物力之外,还需要花费大量验证时间(甚至牺牲部分产能)与其他息息相关的支撑步骤其他设备商的产品进行一致性整合,同时一台新设备一旦出现问题可能导致整条生产线无法运作。因此除非原供应厂商产品出现重大技术缺陷或新设备具备突破性进展,几乎没有晶圆厂愿意花大量人力、时间并承担新设备上线风险去评估新的设备。不过对国内半导体设备厂商而言,中美贸易摩擦以来国内半导体产业链不确定性增加,国内晶圆厂出于供应链安全角度考虑,对国内设备供应商的认证意愿相比过去已大大增强。

根据中微交流,国内设备企业的优势是近年集成电路在亚洲发展比较集中,最先进的生产线都在亚洲,包括未来国内也会建立先进生产线。整个国内和亚洲的敬业精神、客户服务等方面做得很好。海外的优势是前期已经形成了较为完善的产业链和人才,国内目前在吸引人才尤其海外高端人才方面还是有一些困难,但近年有好转。
 

第二篇将介绍光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、清洗等细分领域的竞争格局。



 

 
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