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中国发力,半导体设备的疯狂还将延续

半导体产业纵横 2022-06-08 09:04 发文

编者按:自1956年中国将半导体作为国家重要的发展领域后,今年是第66个年头。回望66年的发展,从无到有、从小到大,半导体产业经历了风雨坎坷同时又迸发出无限的生机。在中国“十四五”提出数字经济发展规划,瞄准集成电路等战略性领域之际,半导体产业纵横推出“国产化进程”系列专题,讲述当今中国半导体各领域发展进程,解析国产化最新态势。本期为“国产化进程”专题半导体产业链篇第二篇文章:半导体设备。

全球芯片供不应求的局面,使晶圆厂产能成为了香饽饽,相应的商机也在向产业链上游传导,特别是半导体设备,营收屡创新高。据SEMI统计,2022年,全球前端晶圆厂设备支出总额将较前一年增长18%,达到1070亿美元的历史新高,这已经是连续三年大幅增长。SEMI指出,晶圆代工厂将是2022、2023年设备支出的大户,约占全球总支出的50%,其次是存储,约占35%。

水涨船高,半导体设备商的产能也随之提升,SEMI的数据显示,全球设备业产能连年增长,2021年提升7%后,今年将增长8%,2023年估计也会有6%的增幅。

作为全球半导体设备的主要消费市场,中国大陆在2020年的销售额为187.2亿美元,同比增长39.2%,占全球市场的26.3%,首次成为全球最大的半导体设备消费市场。按照这样的发展势头,预计中国大陆半导体设备销售额全球占比有望从 2021 年的28%提升到2023年的32%。由此测算,2021年中国大陆半导体设备销售额约为287.8亿美元,同比增长53.7%,2022年有望达到343亿美元,同比增长19.2%。

全球格局

半导体设备可分为晶圆制造(前道设备)和封装、测试设备(后道设备)。前道设备主要包括光刻机、刻蚀机、薄膜沉积、热处理设备、离子注入机、CMP(化学机械研磨)设备、清洗机、前道检测设备等。其中,薄膜沉积、光刻和刻蚀是前道晶圆制造的三大核心工艺。

在全球半导设备产业结构中,前道设备在总销售额中的占比约为85%,后端测试设备约为9%,封装设备约为6%,这三个数据每年会有所微调,但变化不大,基本面是稳定的。目前,全球前道设备市场主要由美日欧企业把持,几家头部设备大厂,如美国AMAT(应用材料)占比约为17%,荷兰ASML约为16.6%,日本TEL(东京电子)约为12.5%,美国Lam Research约为 11.2%,美国KLA约为6.3%,合计占比近64%。

在各细分领域,依然呈现出寡头垄断的局面。

光刻机,特别是EUV主要由ASML一家垄断,占据83%的市场份额;刻蚀市场主要由Lam、TEL和AMAT三家把持,份额分别为45%、28%和18%;离子注入市场主要由AMAT、Axcelis和SMIT三家把持;薄膜沉积方面,PVD(物理式真空镀膜)市场主要由AMAT一家垄断,市场份额达85%的,CVD(化学式真空镀膜)市场主要被AMAT、Lam和 TEL把持,份额分别为30%、26%和17%;热处理市场由AMAT、TEL和Kokusai把持;涂胶显影/去胶市场主要由TEL一家垄断,份额达91%;清洗设备市场则被SCREEN、TEL 和Lam三家垄断。

全球测试机市场被爱德万、泰瑞达和Lam垄断,三家的市占率分别为50%,40%和8%;全球封装设备市场主要由ASM Pacific、K&S、Shinkawa、Besi把持。

中国半导体设备供给侧亟待提升

中国大陆是全球三大半导体设备消费市场之一,然而,本土设备厂商的市占率却很低。以2020年为例,国内晶圆厂(包含三星、台积电、SK海力士等国际大厂在中国大陆的晶圆厂)设备采购总额约为154亿美元,其中,国产设备采购额仅为9.9亿美元,占比仅7%,国产化率低、被国外巨头垄断的局面非常明显。

2008 年之前,我国半导体设备基本全靠进口,因此,国家设立了国家科技重大专项——极大规模集成电路制造装备及成套工艺科技项目(简称02专项)研发国产化设备。但是,由于设备制造对技术和资金需求要求比较高,只有北方华创、中微半导体、上海微电子等少数重点企业能够承担 02专项研发工作,整个行业集中度相对较高。虽然在02专项的支持下,我国半导体设备实现了从无到有,但相比国内庞大的市场规模而言,自给率严重不足。

即使在发展水平相对较高的 IC 封装测试领域,我国与先进国际水平相比仍然存在较大差距。而单晶炉、氧化炉、CVD 设备、磁控溅射镀膜设备、CMP设备、光刻机、涂布/显影设备、ICP等离子体刻蚀系统、探针台等设备市场几乎被国外企业所占据。

目前,国产半导体设备处于局部有所突破,但整体较为落后的状态。尤其与国际巨头相比,本土设备企业的实力仍然偏弱,绝大部分企业无法达到国际上已经实现量产的7nm工艺水平,部分企业突破到28nm或14nm工艺,但在使用的稳定性上与国际巨头差距较大,较难大批量进入量产线,也较难进入国际代工巨头的生产线。

半导体设备行业技术壁垒非常高,随着制程越来越先进,对半导体设备的性能和稳定性提出了越来越高的要求,需要投入大量的研发资金。应用材料公司一直保持着在研发上的高投入,其30%的员工为专业研发人员,拥有近12000 项专利,平均每天申请4个以上的新专利。正是这种持续的高研发投入,促成了应用材料的内部创新,构成了较高的技术壁垒。

由于半导体设备研发周期长、投入大。国产设备公司虽然在工艺制程上的研发已经有所突破,但是与稳定量产之间还有一定距离,非常关键的一点是要有试错机会,试错的周期通常长达一年甚至数年,而由于市场长期被国际大厂占据,国内设备厂商很难得到应用机会和发展空间。

设备用零部件存在短板

制造半导体设备需要多种零部件,半导体设备零部件及相关原材料市场规模也很可观,2022 年有望超过300亿美元。

据VLSI统计,半导体设备包括8类核心子系统:气液流量控制系统、真空系统、制程诊断系统、光学系统、电源及气体反应系统、热管理系统、晶圆传送系统、其它集成系统及关键组件,每个子系统都包含大量的零部件。

目前来看,半导体设备零部件市场被美日欧企业把持,美国占44%,日本占33%,欧洲占21%,主要厂商包括MKS、ICHOR、UCT、AE、Ferrotec等。

中国半导体设备零部件需要大量进口,目前只有腔体、机架等机械类实现了国产化,而电器类、气体输送系统、真空系统、传感器、仪器仪表、气动系统等零部件以进口为主。在半导体晶圆制造流程中,阀类、密封圈、静电吸盘、陶瓷类真空压力计等零部件进口份额较大。其中,阀类费用约占耗材成本的10.6%,有较大的市场需求,但国内供给侧在该领域仍处于空白状态。

中国大陆半导体设备零部件供应商中,排名前七的是:万业企业,富创精密,新莱应材,中科仪,江丰电子,华卓精科,神工股份。排名第一的万业企业2021年营收约为9.2亿元人民币,第二的富创精密约为8.4亿元。

那么,这些企业在全球同类厂商中处于怎样的位置呢?以富创精密为例,该公司是全球为数不多的能够为7nm制程工艺设备批量提供精密零部件的厂商,该公司2021年营收超过1亿美元,但相比全球排名第一的MKS的29.5亿美元,差距很大,即使与全球排名第五的Ferrotec(约10亿美元)相比,差距也不小。

国产设备发展的契机和希望

虽说中国大陆半导体设备厂商的技术和市占率还无法与国际大厂抗衡,但国内巨大的市场需求,以及国家政策、资金的大力支持,再有,近些年国产替代意识和意愿的加强,给本土半导体设备业的发展提供了强大动力和乐观的市场预期,并在多个设备领域取得了不俗的成绩。

首先看刻蚀设备。刻蚀工艺位于薄膜沉积和光刻之后,目的是利用化学、物理、光学反应将晶圆表面附着的不必要的物质去除,反复多次,最终得到构造复杂的集成电路。国内的刻蚀设备企业主要是中微半导体、北方华创、屹唐半导体和中电科。其中,中微半导体在 CCP刻蚀领域具备明显优势,在逻辑芯片制造方面,该公司的CCP刻蚀设备已经进入国际知名晶圆代工厂的先进制程产线,用于7nm/5nm芯片的生产;在3D NAND芯片制造方面,该公司的CCP刻蚀设备可应用于64层堆叠芯片的量产,并且正在开发96层及更先进的刻蚀设备。

光刻机方面,与国际高水平有很大差距,虽说上海微电子可以生产光刻机整机,华卓精科和国科精密等可以生产光刻机零部件,但仍不具备EUV,以及先进DUV设备的生产能力,能支持的最高制程工艺仍为90nm。

薄膜沉积是一连串涉及原子的吸附、吸附原子在表面扩散,以及在适当的位置下聚结,以渐渐形成薄膜并成长的过程,分为原子层沉积(ALD)、物理式真空镀膜(PVD)、化学式真空镀膜(CVD)等。我国的薄膜沉积设备代表厂商是北方华创和拓荆科技,其中,北方华创已实现PVD、CVD、ALD设备在28nm/14nm技术领域的突破。

热处理方面,主要包括氧化、扩散和退火工艺。国内的氧化扩散设备生产商主要包括北方华创和屹唐半导体。近些年,北方华创市占率逐年上升,例如,截至2020年10月,北方华创热处理设备在长江存储的占比已经超过了30%。

CMP是一种表面全局平坦化技术,系统主要由抛光设备、抛光液和抛光垫三个部分组成。国内CMP设备厂商主要有华海清科和北京烁科精微电子,华海清科是国内唯一一家实现12英寸CMP设备量产的厂商。

去胶设备方面,屹唐半导体在国内占主导地位,此外,芯源微和中电科45所也可以生产去胶机。目前,我国去胶设备的国产率已经超过90%,基本实现了国产替代。

清洗步骤贯穿整个半导体生产流程,用于去除硅片制备、晶圆制造和封装测试等步骤中可能存在的杂质,避免杂质影响芯片良率和性能。国内主要清洗设备厂商包括盛美、北方华创、芯源微和至纯科技。

在后道设备方面,国内测试机厂商主要包括华峰测控和长川科技,华峰测控在国内模拟测试机市占率接近60%。封装设备方面,国内具备制造能力的企业主要有中电科45所、艾科瑞斯和大连佳峰。

加大研发投入力度

2021年,主要国产半导体设备厂商合计销售额约为240亿元人民币,同比增长56%,北方华创、中微半导体、盛美上海、华峰测控、长川科技、芯源微的净利润增速均显著高于收入增速。北方华创、中微半导体、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,芯源微多款涂胶显影设备在客户端进展顺利。

目前,国产半导体设备厂商处于高速发展期,半导体设备的高技术壁垒属性要求厂商持续投入大量资金用于研发。例如,北方华创2021年研发投入28.9亿元,在国内遥遥领先。拓荆科技研发投入占比38%,北方华创研发投入占比30%,中微半导体和长川科技占比23%,都处于高强度研发投入阶段。

在半导体设备这个技术和资金密集的重资产领域,高投入才能有高产出,引擎加速后,相信国产设备能够在相对短的时间内,迈上一个新台阶。

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