国半导体设备行业业绩爆炸 迎来历史性的机遇

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当今世界是物质世界和数字世界的组合,这两个世界的连接、互动、协同演化,都是基于芯片。你可能不是芯片行业的专业人士,但在今天你必须得对它有所了解,因为未来的所有想象都是在芯片基础上实现的。

 

做一颗芯片的过程非常复杂,看看下图就能体会到。可以简单理解成“3+2”,3是指生产过程的“设计—加工—封测”,2是指生产需要的半导体材料和半导体设备。

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芯片的制造过程可以分为前道工艺和后道工艺。前道是指晶圆制造厂的加工过程,在空白的硅片上完成电路的加工,出厂产品是完整的圆形硅片。后道是指封装和测试的过程,在封测厂中将圆形的硅片切割成单独的芯片颗粒,完成外壳的封装,最后完成终端测试,出厂为芯片成品。

 

具体来说,前道工艺包括光刻、刻蚀、薄膜沉积、离子注入、热处理、清洗、CMP、量测等,后道工艺包括减薄、划片、装片、引线键合等封装工艺以及终端成品测试等。目前芯片制造最先进的工艺节点需要将近4000道工序。

 

芯片制造肯定少不了半导体设备,半导体设备主要包括前道工艺设备(即晶圆制造设备)、后道工艺设备(封装设备和测试设备)和其他类型设备(硅片生长设备等)。

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行业空间

   

2020年全球半导体设备销售额约711.9亿美元,同比增长19.2%;其中晶圆制造设备612亿美元,占比86.1%,测试设备60.1 亿美元,占比8.5%,封装设备 38.5 亿美元,占比5.4%。

 

2020 年中国大陆半导体设备销售额187亿美元,同比增长39.2%,约占全球份额的26%,位居全球第一位。

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前道工艺设备中,光刻设备、刻蚀机和薄膜沉积设备占比最大;后道工艺设备中,封装设备占比约5%,测试设备占比约8%;单晶炉等其他设备占比约 4%。总体而言,晶圆制造设备最为重要,其中又以光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备最为核心。

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全球 Top15 厂商中,美国、日本和荷兰厂商合计占比 80.4%,在半导体设备行业地位举足轻重。虽然2020年中国大陆已经成为最大的半导体设备市场,但Top15没有一个中国企业,国产化率相对较低,供给和需求严重不匹配。

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目前,国内也涌现出了一批优秀本土企业, 随着未来企业研发不断投入、 经验不断迭代升级、同时 Foundry 厂加速认证和导入本土设备商,行业景气度不断攀升,国内半导体设备商将迎来快速发展期。

半导体设备简介

   

  • 光刻设备(光刻机和涂胶显影设备)

 

光刻机是整个半导体制造工艺中最核心的设备,也是我国芯片被“卡脖子”的关键设备。它的作用类似于“刻刀”,只不过这把刀是用激光做的,借助光刻胶将掩膜版上的图形印制到硅片上。

 

光刻机前后共经历了5代产品,每一代产品都在不断降低光源波长,同时缩小制程线宽。第四代浸入式光刻机,最高制程可达7nm,在7nm之后必须使用第五代EUV光刻机(目前最先进的光刻机)。

 

2020 年光刻机市场规模约151亿美元,在整个半导体设备中占比约21%。全球光刻机市场主要由 ASML、尼康、佳能三家占据,ASML在高端光刻机领域具有绝对领先优势,尤其在EUV光刻机领域,更是全球独家供应商。

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涂胶显影设备是光刻机的辅助设备。2020年全球涂胶显影设备市场规模为19.87亿美元,东京电子占据龙头地位,占比 88%。中国涂胶显影设备市场,仍然以国外厂商为主,其中东京电子占比91%,迪恩士占比5%,国内厂商芯源微占比4%,国产化率很低。

 

  • 刻蚀设备(刻蚀机和去胶设备)

 

刻蚀是用化学或物理方法有选择地在硅片表面去除不需要的材料的过程。想制造更先进制程的芯片除了提高光刻机精度以外,还可以通过多重刻蚀的方式实现。因此,过去10年间刻蚀机的市场价值占比逐年提升,一度超过光刻机成为市场规模最大的半导体设备。

 

2020年,全球刻蚀设备市场规模为136.9亿美元,被泛林半导体、东京电子和应用材料三家寡头垄断。

 

去胶就是在刻蚀或离子注入完成之后去除残余光刻胶的过程。工艺类似于刻蚀,只是去胶的操作对象是光刻胶,而刻蚀的操作对象是晶圆介质材料。

 

  • 薄膜沉积设备

 

薄膜沉积类似于刻蚀的逆过程,可以在晶圆上生长出各种导电薄膜层和绝缘薄膜层,为后续工艺打下基础。根据工作原理不同,薄膜沉积工艺可分为物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)三大类。

 

2020年全球半导薄膜沉积设备市场规模约为172亿美元。由于不同沉积设备技术差异较大,在子类别中存在明显的市场格局的差异。其中CVD市场为应用材料、泛林半导体和东京电子三大寡头垄断,PVD市场则应用材料一家独大,ALD市场则东京电子和先域两家公司占比最高。

  • 离子注入设备

为改变半导体载流子浓度和导电类型需要对半导体表面附近区域进行掺杂,离子注入是掺杂工艺的主要手段(另一种方法是热扩散)。其注入的精细度需要随着芯片制程的精细而不断提高,重要性不亚于光刻、刻蚀和沉积,是先进制程芯片制造的关键技术之一。2020年中国离子注入设备市场规模为44.5亿美元。

 

  • 清洗设备

 

在晶圆制造过程中,清洗可以减少杂质,提升良率,实际生产中一方面需要提高单次的清洗效率,同时在每一步光刻、刻蚀、薄膜沉积等重复性工序后,都需要一步清洗工序,清洗步骤约占整体工艺步骤的 33%。

半导体清洗技术分为湿法清洗和干法清洗。目前湿法清洗是主要技术,占比超90%,干法清洗主要用在28nm及以下产线应用。2020 年,全球半导体清洗设备市场规模为 25.39 亿元。清洗设备属于半导体设备相对容易突破的领域,我国企业已经开始进入主流产线,预计未来会有较快业绩增长。

  • CMP化学机械平坦化设备

 

CMP 技术,即化学机械抛光,是通过化学腐蚀和机械研磨相结合的方式实现晶圆表面的平坦化。因 CMP 技术路线较为单一,市场呈现单巨头垄断的格局。2019年,全球CMP设备市场规模约23亿美元,这其中70%的销售额来自应用材料,25%来自日本的荏原机械,其他厂商占5%。

  • 热处理设备

在半导体工艺中,热处理是不可或缺的重要工艺之一,具体包括氧化、扩散、退火。炉管设备是与热处理相关的一类设备的统称,包括氧化炉、扩散炉、退火炉、快速退火炉(RTP)等。

热处理设备属于相对技术难度较低的领域,市场参与企业较多,我国企业也具备一定实力,可实现一定程度的国产替代。2020 年全球热处理设备市场规模 15.37 亿美元,应用材料占比最高,超过60%。

 

  • 量测设备

 半导体检测,分为前道量测和后道测试。前道量测设备是指在晶圆制造过程检测某一工艺完成质量的设备,涉及电学、光学、光声技术等多个技术领域,难度较高。后道测试用于封测环节。

 

由于量测设备种类众多,技术特点各有不同,市场上参与厂商较多。2020年,全球半导体前道量测设备市场规模34.1亿美元。目前国内三家公司均有产品实现突破,都有产品进入一线产线验证,但出货量都不多,未来一旦产品验证效果好,有较高国产替代空间。

 

  • 封装设备

 

封装设备主要包括减薄机、划片机、装片机、引线键合机等。目前的先进封装工艺也会用到如光刻、硅通孔刻蚀等晶圆前道加工使用的设备,但这些用于封装的设备其精度和制造难度远低于晶圆产线上使用的设备。随着先进封装应用的增加,用于封装的前道设备也将拥有一定市场增量。2020 年全球半导体封装设备市场规模为 38.8 亿美元,同比增长 34%。

 

  • 测试设备

 

测试设备不同于晶圆制造过程中的量测设备,它是封测厂将芯片完成封装之后对单个芯片成品性能的完整测试。

 

2020 年全球半导体测试设备市场规模是60.1亿美元,占设备销售额的8.5%。测试设备需要根据客户需求而设计,因此需要不断研发新产品。随着我国芯片设计企业越来越多,产品需求越来越丰富,国内测试设备厂商在客户响应以及服务方面具备一定优势,未来拥有很大的国产替代空间。

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