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巨頭壟斷下的半導體設備市場

2019-12-01
來源:雪球
關鍵詞: 半導體 設備

  集成電路設備包括前道制造設備與后道封測設備。前道集成電路制造設備可進一步細分為晶圓制造設備與晶圓加工設備。其中,晶圓制造設備采購方為硅片工廠,用于生產鏡面晶圓;晶圓加工設備采購方為晶圓代工廠/IDM,以鏡面晶圓為基材實現對于帶有芯片晶圓的制造;后道檢測設備采購方為專業的封測工廠,并最終形成各類芯片產品。

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  圖13:集成電路設備行業邏輯圖資料來源:申港證券研究所

  晶圓加工設備占集成電路設備總規模約 80%。基于 SEMI 的統計數據,2018 年全球晶圓加工設備總規模為 521.5 億美元,占設備投資總額約 81%;測試設備總規模為 56.32 億美元,占比約 9%;封裝設備總規模為 40.13 億美元,占比約 6%;其他前道設備(硅片制造)總規模為 26.93 億美元,占比約 4%。

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  圖14:2018 年全球集成電路設備價值構成 資料來源:SEMI,申港證券研究所

  2018 年全球集成電路設備市場規模為 645.3 億美元。自 2016 年以來,全球集成電路設備市場保持連年增長態勢,從區間底部 365.3 億美元增長至 2018 年的 645.3億美元。2019 年受制于存儲器價格下降導致的資本擴張縮減,上半年銷售規模為271 億美元,同比下降 19.66%。

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  圖15:全球集成電路設備市場規模 資料來源:SEMI,申港證券研究所

  2018 年我國集成電路設備市場規模為 131.1 億美元。國內市場自 2013 年以來市場規模逐年提升,截止至 2018 年年末已占全球總市場約 20.32%。國產化方面,2018年國產集成電路設備銷售額 45.10 億元,同比增長 58.41%,預計至 2020 年將增長至 90 億元。另一方面,目前集成電路設備國產化率僅為 4.88%。

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  圖16:我國集成電路設備市場規模 資料來源:SEMI,申港證券研究所

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  圖17:我國國產集成電路設備歷年銷售額資料來源:中國電子專用設備工業協會,申港證券研究所

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  圖18:我國集成電路設備國產化率資料來源:SEMI,中國電子專用設備工業協會,申港證券研究所

  2.晶圓制造設備:單晶爐與 CMP 拋光機為核心構成

  集成電路硅片制造工藝復雜,包括硅提煉與熔煉、單晶硅生長與成型。集成電路硅片制造工藝流程包括拉拉晶→切片→磨片→倒角→刻蝕→拋光→清洗→檢測。各環節中,關鍵流程為拉晶、拋光、檢測,相對應的設備分別為單晶爐、CMP 拋光機、檢測設備。

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  圖19:集成電路硅片工藝流程圖 資料來源:網絡資料、申港證券研究所

  集成電路硅片生產以直拉法為主。將多晶硅拉制成單晶硅包括兩種工藝,分別為區熔法與直拉法,其中,集成電路領域硅片主要采用直拉法制成。拉晶環節工序主要為將純凈硅加熱成熔融狀態→籽晶伸入裝有熔融硅的旋轉坩堝中→新晶體在初期籽晶上均勻延伸生長→生產單晶硅錠。

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  圖20:晶體生長示意圖資料來源:網絡資料、申港證券研究所

  晶圓制造設備占設備投資總額約 3%~5%。正如本文 3.1 小節所提到的,2018 年全球集成電路設備價值構成中,晶圓加工設備、晶圓制造設備占比分別為 81%、4%。具體來看,晶圓制造設備包括單晶爐、切割機、滾圓機、截斷機、研磨系統、倒角機、刻蝕機、拋光機、清洗設備、檢測設備等。其中,單晶爐、CMP 拋光機分別占晶圓制造設備額約 25%、25%。單晶爐由爐體、熱場、磁場、控制裝置等部件構成,其中,控制爐內溫度的熱場與控制晶體生長形狀的磁場為決定單晶爐性能的關鍵指標之一。

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  圖21:晶圓制造設備價值構成資料來源:申港證券研究所

  競爭格局:內資供應商在太陽能單晶爐領域已具備完全競爭力,其中,綜合實力居前企業包括晶盛機電、南京晶能等。另一方面,國內集成電路領域能夠供應 12 英寸單晶爐的供應商目前數量尚小。

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  表5:集成電路晶圓制造設備供應商一覽資料來源:申港證券研究所

  晶圓加工設備:行業呈現典型的寡頭壟斷格局

  集成電路晶圓加工包括七個相互獨立的工藝流程,分別為(a)擴散(Thermal Process);(b)光刻(Photo-Lithography);(c)刻蝕(Etch);(d)離子注入(IonImplant);(e)薄膜生長(Dielectric Deposition);(f)化學機械拋光(CMP);(g)金屬化(Metalization)。集成電路晶圓加工過程中涉及到的設備包括光刻機、刻蝕機、薄膜設備、擴散/離子注入設備、濕法設備、CMP 拋光設備、過程檢測設備等。

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  圖22:2018 年全球集成電路晶圓加工設備價值構成資料來源:SEMI,申港證券研究所

  集成電路晶圓加工設備占設備總投資約 75%~80%,其中,刻蝕設備、光刻設備、薄膜沉積設備為前道工序三大核心設備。根據 SEMI 的統計數據,2018 年晶圓加 工設備價值構成中,刻蝕、光刻、CVD 設備占比分別為 22.14%、21.30%、16.48%。

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  圖23:全球集成電路晶圓加工設備供應商行業集中度資料來源:申港證券研究所

  全球競爭格局:集成電路晶圓加工設備市場高度集中。我們統計了全球集成電路晶圓加工設備供應商在各自細分品類的行業集中度,行業呈現典型的寡頭壟斷格局。總體來看,行業前十大設備供應商市場占有率逾 80%。光刻機市場尤為典型,荷蘭ASML 基本實現了對于全球高端光刻機市場的壟斷。

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  表6:我國集成電路晶圓加工設備供應商分布資料來源:賽迪,申港證券研究所

  我國競爭格局:我國集成電路晶圓加工設備行業仍處于發展初步階段的高速發展期,呈現較為明顯的地域集聚性,供應商主要集中于北京、上海、遼寧等城市。目前,國內集成電路 12 英寸、28 納米制程主要設備已成功進入量產線,具體包括薄膜沉積設備、CMP 拋光設備、刻蝕機、清洗設備、離子注入機等,其中,刻蝕機已具備一定的國際競爭力。

  1.光刻機:ASML 壟斷超高端市場光刻機為大規模集成電路核心設備。

  光源作為光刻機的核心構成,很大程度上決定了光刻機的工藝水平。光源的變遷先后經歷:(a)紫外光源(UV:Ultraviolet Light),波長最小縮小至 365nm;(b)深紫外光源(DUV:Deep Ultraviolet Light),其中ArF Immersion 實際等效波長為 134nm;(c)極紫外光源(EUV:Extreme UltravioletLight),目前大部分最高工藝制程半導體芯片均采用 EUV 光源。

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  表7:光刻機光源類型資料來源:IC 咖啡,申港證券研究所

  競爭格局:全球龍頭為荷蘭 ASML,其他包括日本 Nikon、日本 Canon 等。國內從事集成電路光刻機生產制造的企業主要為上海微電子(SMEE)與中國電科(CETC)旗下的電科裝備。

  ASML2017 年光刻機全球市占率 87.4%,其 EUV 光刻機實現全球壟斷;

  Nikon2017 年光刻機全球市占率 10.3%,相較 ASML 在價格方面具備一定優勢;

  Canon 主要集中于面板等領域,高端光刻機市場參與不多;

  SMEE 為全球 LED 光刻機主要供應商,作為國內高端光刻機的龍頭,2018 年 3月其所承擔的“02 專項”“90nm 光刻機”通過國家驗收,為全球第四家掌握光刻機系統設計與系統集成技術的企業,但相較于 ASML 代表的先進水平仍有差距。

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  圖24:ASML 基本壟斷超高端光刻機市場 資料來源:申港證券研究所

  2.刻蝕機:芯片線寬的縮小以及新制造工藝的采用使刻蝕機使用量有所增加

  刻蝕機為晶圓制造三大主要設備之一,包括兩種基本的刻蝕工藝,分別為干法刻蝕與濕法腐蝕。其中,干法刻蝕(代表為等離子體干法刻蝕)為主流刻蝕技術,濕法腐蝕常用于尺寸較大(大于 3 微米)場景或去除干法刻蝕后的殘留物。根據被刻蝕材料的不同,干法刻蝕還可以進一步分為金屬刻蝕、介質刻蝕、硅刻蝕。

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  圖25:刻蝕工藝應用圖例資料來源:網絡資料、申港證券研究所

  競爭格局:根據 The Information Network 的統計數據,2017 年全球刻蝕機主要供應商包括泛林半導體(Lam Research)、東京電子(Tokyo Electron)、應用材料(Applied Materials),其全球市占率分別為 55%、20%、19%。國內供應商以中微公司、北方華創為代表,預計國內市占率接近 20%。其中,中微公司以介質刻蝕機為主,5nm 刻蝕機產品已通過臺積電驗證;北方華創以硅刻蝕機為主,14nm 等離子硅刻蝕機已進入集成電路主流工廠。

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  圖26:刻蝕機全球競爭格局(2017 年)資料來源:The Information Network,申港證券研究所

  價值構成:集成電路器件互連層數的增多,將帶來刻蝕設備需求量的增大。隨著芯片線寬的縮小以及新制造工藝的采用,對于刻蝕技術的精確度與重復性提出了更高的要求。同時,3D NAND 通過增加堆疊的層數增加集成度,要求刻蝕技術實現更高的深寬比。

  3. 薄膜沉積設備:應用材料在 PVD 領域優勢明顯

  集成電路薄膜材料制造廣泛采用的工藝為物理氣相沉積 PVD(Physical VaporDeposition)與化學氣相沉積 CVD(Chemical Vapor Deposition)等。物理氣相沉積指將材料源表面氣化并通過低壓氣體/等離子體在基體表面沉積,包括蒸發、濺射、離子束等;化學氣相沉積指將含有薄膜元素的氣體通過氣體流量計送至反應腔晶片表面反應沉積,包括低壓化學氣相沉積 LPCVD、金屬有機化合物氣相沉積MOCVD、等離子體增強化學氣相沉積 PECVD 等。

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  表8:主要薄膜沉積方法例舉 資料來源:設備管理與維修,申港證券研究所

  原子層沉積 ALD 屬于化學氣相沉積的一種,區別在于化學吸附自限制(CS)與順次反應自限制(RS),每次反應只沉積一層原子,從而具備成膜均勻性好、薄膜密度高、臺階覆蓋性好、低溫沉積等優點,適用于具有高深寬比、三維結構基材。

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  圖27:制膜技術比較資料來源:網絡資料、申港證券研究所

  全球競爭格局:集成電路 PVD 領域主要被美國應用材料(Applied Materials)、瑞士 Evatec、日本愛發科(Ulvac)所壟斷,其中應用材料占比約 85%;CVD 領域全球主要供應商為美國應用材料(Applied Materials)、東京電子(Tokyo Electron)、泛林半導體(Lam Research),其中應用材料占比約 30%。

  國內競爭格局:國內集成電路領域沉積設備供應商主要為沈陽拓荊與北方華創。

  沈陽拓荊:兩次承擔國家“02 專項”,產品包括 12 英寸 PECVD、ALD、3D NANDPECVE,ALD 設備于 2018 年通過客戶 14nm 工藝制程驗收。北方華創:集成電路領域 14nm 工藝制程等離子硅刻蝕機、單片退火系統、LPCVD成功進入主流代工廠。

  4.摻雜設備:全球集成電路離子注入機市場規模約 18 億美元

  摻雜工藝的實現包括高溫熱擴散法、離子注入法。其中,離子注入即通過對半導體材料表面進行某種元素的離子注入摻雜的工藝制程,目的為改變半導體的載流子濃度與導電類型。根據能量高低離子注入機包括低能/中能/高能/兆伏離子注入機;根據束流大小包括小/中/大束流離子注入機,其中。大束流離子注入機包括強/超強流離子注入機,低能大束流技術難度最高。

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  圖28:離子注入機構造 資料來源:公司公告、申港證券研究所

  市場規模:離子注入機作為集成電路關鍵制程設備之一,價值占比通常為設備總投資額約 2.5%~3.0%。目前,全球集成電路離子注入機市場規模約 18 億美元。

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  圖29:全球離子注入機競爭格局 資料來源:Trendforce,申港證券研究所

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  圖30:全球低能大束流離子主機競爭格局資料來源:申港證券研究所

  競爭格局:集成電路領域離子注入機競爭格局高度集中。供應商主要為美國應用材料(Applied Materials)與美國亞舍立科技(Axcelis),其全球市占率分別為 70%、 17%。其中,AMAT 曾于 2011 年作價 42 億美元實現對于美國瓦里安(Varian)的并購。一般來說,技術難度最高的低能大束流離子注入機占比約為 55%,主要供應商包括 AMAT、Axcelis、AIBT,市占率分別為 40%、32%、25%。北京中科信為國內離子注入機龍頭,此外,供應商還包括凱世通等。

  5. 濕法設備:預計至 2020 年全球規模提升至 37 億美元

  濕法設備分為槽式濕法設備與單片式濕法設備,由于集成電路線寬的不斷縮小,單片式濕法設備成為主流。濕法晶圓清洗指通過離子水、清洗機等清洗晶圓表面并隨之濕潤再干燥,為主流的清洗方法。構成來看,濕法設備包括主要包括清洗設備、去膠機、濕法刻蝕機。半導體加工環節中,清洗占總工序超過三成。

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  圖31:濕法設備原理示意圖資料來源:公司公告、申港證券研究所

  市場規模:根據 SEMI 的統計數據,2017 年全球半導體清洗設備市場規模為 32.3億美元,較 2016 年增長 19.63%,預計至 2020 年將進一步提升至 37 億美元。VLSI的數據顯示,2018 年全球前道單片式清洗設備銷售額為 22.69 億美元,預計至 2023年將提升至 23.14 億美元。通常,清洗設備占晶圓加工設備總投資約 5%~6%。

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  圖32:全球前道單片式清洗設備銷售額(億美元) 資料來源:VLSI,申港證券研究所

  競爭格局:濕法清洗設備領域,全球龍頭主要包括日本迪恩士(Dainippon Screen)、日本東京電子(Tokyo Electron Limited)、美國泛林半導體(Lam Research)等,其中,SCREEN 全球市占率約 60%,行業前三市占率達 87.7%。國內企業方面,主要包括盛美半導體、北方華創、屹唐半導體等。其中,

  盛美半導體基于 SAPS 與 TEBO 技術的單片清洗設備銷量領先,其 2017 年全球市占率約 1.5%;w 北方華創于 2018 年完成對于美國 Akrion 的收購;

  亦莊國投通過屹唐半導體于 2016 年作價 3 億美元成功收購美國 Mattson,其在刻蝕、快速熱處理(RTP)、光刻膠剝離與清洗等領域擁有技術優勢。

  6.化學機械拋光設備:全球 CMP 設備市場規模約 18.4 億美元

  化學機械拋光技術用于晶片表面平坦化,所需要用到的設備與耗材包括 CMP 設備、研漿、拋光墊、后 CMP 清洗設備、拋光終點檢測及工藝控制設備、研漿分布系統、廢物處理和測量設備等。其中,耗材主要為拋光漿料與拋光墊。

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  圖33:化學機械拋光原理示意圖 資料來源:賽迪顧問,申港證券研究所

  市場規模:通常,化學機械拋光設備占晶圓加工設備投資額約 4%。2018 年,全球化學機械拋光設備市場規模 18.4 億美元,其中,中國市場占比 25%位居第二。

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  圖34:全球化學機械拋光設備構成(按地區) 資料來源:SEMI,申港證券研究所

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  圖35:全球化學機械拋光設備競爭格局資料來源:Gartner,申港證券研究所

  競爭格局:全球化學機械拋光設備市場呈現寡頭壟斷競爭格局,供應方主要為美國應用材料(Applied Materials)與日本荏原(Ebara),其 2017 年全球市占率分別為71.3%、26.8%。行業呈現高度集中主要由于過去 20 年間企業間并購頻率較高。相較于 AMAT,荏原在亞洲市場更具備競爭優勢,份額也相對更高。國內方面,供應商主要有 2 家,分別為華海清科與中電科 45 所。其中,

  中電科 45 所:2017 年公司具備完全自主知識產權的 200mm 化學機械拋光設備完成所內測試送至中芯國際天津驗證,其為國產 CMP 設備首次進入集成電路大生產線;2018 年,通過一年生產線工藝驗證,設備通過中芯國際天津驗證。華海清科:2018 年,繼在中芯國際順利完成 IMD/ILD/STI 工藝產品批量生產后,公司 Cu&Si CMP 設備進入上海華力

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