加速发展的半导体设备产业

原创 2020-01-08
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随着全球半导体制造中心向中国大陆的转移,中国半导体设备产业在新的一年里将迎来一波极好的发展机遇。

一、半导体设备产业现状

根据SEMI最新报告中的数据,2019年全球半导体制造设备销售额为576亿美元,相比2018年的销售额644亿美元有所下降。其中FAB设备销售额下降9%,至499亿美元。封装设备下降26.1%,至29亿美元。测试设备下降14%,至48亿美元。

SEMI预计半导体设备市场2020年反弹。2020年将增长5.5%,达到608亿美元,2021年将达到668亿美元的历史新高。

2019年中国台湾将取代韩国成为全球最大的设备市场。2019年台湾以53.3%的增长率领先于世界,其次是北美,增长33.6%。中国大陆连续第二年保持了第二的位置,而韩国跌至第三。

2020年的市场反弹,主要驱动因素是先进的逻辑和代工厂、中国的新上马代工项目以及新内存产业启动,将带动设备市场的复苏。预计2020年中国台湾的设备销售额为154亿美元,继续保持第一大设备市场。中国大陆第二,为149亿美元。韩国第三,为103亿美元。

预计到2021年,中国将以超过160亿美元的设备销售额升至首位,韩国和台湾排紧跟其后。


▲ 全球半导体设备按地区销售预测(单位:10亿美元,来源:SEMI)

二、国际半导体设备市场主要玩家

半导体设备产业聚落集中度高,美国与日本为主要玩家 。现在全球半导体装备市场排在第一的是,美国应用材料(AMAT),占26.9%份额;第二是美国泛林(LAM Research), 20.6%;第三是日本的东京电子(TEL),19.4%;第四是做光刻机的荷兰企业阿斯麦(ASML),17.7%。(2017年数据)

在半导体设备的供应商名单中,前15大厂商营收占总产值超过8成,由于半导体制造厂商在设备选择上多属于长期合作模式,因而形成半导体设备厂商大者恒大的态势。

由于美国与日本厂商为供应链主要玩家,面对话题性不断升温的中美贸易战,以及近日突发的日韩贸易关系恶化,也让半导体设备供需状况,或将成为继半导体材料后市场讨论的议题。  

从设备在半导体制程的位置分析,具有独占性质的是荷兰光刻机厂商阿斯麦(ASML),在半导体的曝光显影制程中扮演重要角色,技术层面与市占最集中。虽然有日本厂商Canon与Nikon做为竞争对手,但市占率均不及阿斯麦。

排名前五的公司中,阿斯麦在光刻机设备方面形成寡头垄断。应用材料、东京电子和泛林半导体是提供等离子体刻蚀和薄膜沉积等工艺设备的三强。

▲ 全球15家半导体设备供应商(来源:拓璞)

在蚀刻制程部分,应用材料、泛林半导体、东京电子(TEL)、Hitachi High-Technology(HHT)是主要厂商,市占部分以LAM Research与TEL囊括近7成份额。

在晶圆清洗制程部分,日商SCREEN以市占超过5成位居首位,旗下的槽式(WET Bench)与单晶圆式(Single Wafer)晶圆清洗设备是市场领头羊。竞争对手有韩国SEMES、LAM与TEL。

在薄膜沉积制程部分,应用材料占主导地位,其CVD(化学气相沉积)设备市占率近6成,而在PVD(物理气相沉积)设备部分市占率达7成,竞争对手有TEL、LAM Research等。

在晶圆检验设备方面,美商KLA Tencor市占最高超过5成,应用材料与Hitachi High-Technology是主要竞争对手,而日商ADVANTEST与美商Teradyne则是晶圆测试市场的主要供应商。

整体来说,半导体晶圆制造的主要设备技术供应商以美国与日本为主,高集中度的产业聚落也意味着容易受各国在贸易与进出口政策上的变动而影响产业状况。例如中美贸易战与近期的日韩关系恶化,均为半导体产业添加了不稳定因素。

三、国内半导体设备产业链

从国产设备公司的现状概括来看,半导体工艺的几大主要工艺(氧化/淀积,清洗,抛光,光刻、离子注入,刻蚀等)都可以看到国产设备公司的参与。但2018年中国半导体设备国产化率只有12.4%,87.6%依靠进口。

我们按照半导体工艺来划分中国半导体设备产业链,参与的企业有:

氧化/沉积~炉管/ALD:北方华创;
CVD:拓荆电子;
PVD:北方华创;
ECP:盛美半导体;
单片清洗机:盛美,北方华创;
抛光~CMP:华海清科;
SFP:盛美;
光刻:上海微电子装备;
涂胶/显影:沈阳芯源,盛美;
刻蚀:中微半导体,北方华创;
离子注入:中电科信,凯斯通;
检测:睿励科仪、精测、长川、中科飞测。

北方华创的主营业务由原七星电子的半导体装备相关业务与原北方微电子的全部业务整合而成。产品涵盖:等离子刻蚀、物理气相沉积、化学气相沉积、氧化/扩散、清洗、退火等半导体工艺装备;以及平板显示制造装备和气体质量流量控制器等核心零部件。涉及集成电路、先进封装、LED、MEMS、电力电子、平板显示、光伏电池等半导体相关领域。

上海微电子装备是一家生产高端投影光刻机的企业,该公司与全球领先的半导体光刻设备企业ASML签署了战略合作备忘录。公司主要从事半导体装备、泛半导体装备、以及高端智能装备制造,旗下产品可应用于集成电路前道。

▲ 国内半导体设备产业链(来源:鲸准研究院)

中电科电子装备集团有限公司的背景是中电科2所、45所以及48所,主要生产和研制光刻机、平坦化装备、离子注入机、电化学沉积设备等为代表的微电子工艺设备,应用领域有材料加工、芯片制造、先进封装和测试检测等。

中微半导体设备(上海)有限公司是一家海归创业公司,成立十五年后在科创板上市,成为国产化设备的龙头企业。中微半导体主要生产蚀刻机、MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)等设备,它们与光刻机一并被称为半导体工艺三大关键设备,公司产品已经进入台积电、中芯国际等国际知名企业,最新的消息是其国产5纳米刻蚀机已获台积电认可。

沈阳拓荆主要从事研究、生产世界领先的极大规模集成电路行业专用薄膜设备,产品可应用于集成电路、先进封装TSV、光波导、LED、OLED显示等高端技术领域,矢志成为纳米级薄膜制造技术解决方案的领导者。

2017年在纳斯达克上市的盛美半导体设备有限公司,这是张江首家由留学人员创办并赴美上市的高端半导体设备公司。盛美的产品包括有硅片材料清洗,晶圆前道清洗,以及封装清洗。2018年销售5个亿,85%都是晶圆前道清洗设备,15%是封装和硅片材料的清洗。盛美2008年成立,2009年产品进入海力士,也是第一家中国公司进入海力士。2015年产品开始进入长江存储、中芯国际、华力等。

四、半导体设备价值链分析

半导体设备主要包括晶圆制造设备、封装设备、测试设备等。制造设备主要包括光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备,封装设备主要包括切片机、装片机、引线缝合机。测试设备主要包括测试机、分选机、探针台。按价值链分布,制造设备约占半导体设备的78%,测试设备约占10%,封装设备约占7%,其他设备约占5%。

根据芯片的生产工序以及相对应的设备以及国产化替代的难易程度做一分析,其中测试设备技术门槛较低,国内厂商占据了一定的市场份额,而前道工艺制造设备不论是技术还是资金壁垒都较高,国内企业与国际企业相比还存在较大的差距。

▲ 半导体设备价值链分布(来源:鲸准研究院)

根据制造工序,制造设备包括:长晶炉、切片机、化学机械抛光机、氧化炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、CVD和PVD等。其中一个晶圆代工厂中,光刻机价值约占制造设备的30%,刻蚀机价值约占25%,薄膜沉积设备价值约占25%(包括CVD和PVD)。

根据各细分设备市场占有率统计,在光刻机、PVD、刻蚀机设备领域,前三家设备商的总市占率都达80%以上。光刻机被ASML、尼康Nikon、佳能Canon所垄断;刻蚀机被LAM、TEL、应用材料所垄断;PVD被应用材料、Evatec、爱发科Ulvac垄断。

而国产设备一般多用于制造后端,线宽较大的工序。比如CVD设备(沈阳拓荆)一般用于Cu或者Al介质层SIO、SIN、TEOS的沉积,刻蚀设备(中微半导体)一般用于Cu或者Al介质层的刻蚀,PVD设备(北方华创)一般用于Al或者Hard Mask TiN的沉积。国内最先进的曝光机为上海微电子生产,对应工艺能力为90nm。

在国内市场,低端测试设备领域,目前已经实现国产替代;中端测试设备领域,部分实现国产替代; 高端测试设备领域,目前还处于研发阶段。在技术难度相对稍低的分选机和模拟测试机领域,以长川科技、北京华峰为代表的具有高品质、低成本优势的国产测试设备已进入国内封测龙头企业。国产测试设备,从模拟测试机、分选机等中低端测试领域开始和国际厂商展开竞争。

五、推动半导体设备国产化的思考

当今全球半导体产业正在向中国转移,这是一个很好的绝地反击的机会。中国正在成为一个新的半导体制造中心,从历史来看,每一次半导体产业中心的转移,势必造就一批新的半导体设备企业。中美贸易摩擦让我们认识到,在发展我们自己的半导体产业的关键技术方面,我们不能依赖别人。

首先,具备核心技术的半导体设备企业会享有更大的机会。目前,国内设备企业在测试、单晶硅生长、刻蚀、薄膜和离子注入等应用领域取得了很大进步,涌现出一批国产设备龙头。

但就整体格局上来讲,在光刻机、刻蚀机、离子注入机和PVD等关键设备基本掌握在一家或几家欧美企业手中,集中度较高。在氧化扩散设备、清洗设备和自动化测试设备集中度相对较低,国内半导体设备企业有望在此实现突破。对此,我们有几点思考:

1. 选择突破路径,做大规模。关键设备的研发需要有国家层面的战略支持,因为其市场集中度高,进入壁垒也高。目前国内设备企业在清洗、自动化测试设备等领域形成了一定规模,在离子注入、刻蚀机等关键设备取得了一些突破,我们应该在此基础上继续扩大战果,拓展国内增量市场,做大规模,做强企业。在此基础上为高端设备研发培育基础。

2. 发展国产设备的同时,注重核心零部件的研发。既要发展设备,又要重视基础类产品的研发,只有均衡发展,才能跟上世界先进的步伐。我们的核心零部件目前90%都依靠进口,只有在这方面有所突破,才有可能在设备研发上取得大的成果。

3. 国产设备发展模式的思考。我国半导体产业虽然在近20年取得了飞速发展,但半导体的基础产业还很薄弱,特别在材料和零部件方面。在现有格局下通过研发再重头做起,面对海外巨头的打压,很难有立足之地。可以借助海外巨头的优势,选择并购和合资模式,来发展中国的半导体产业。但无论并购还是合资,自主研发还是必须坚持要做的,只有自主研发才能获得持续竞争力。

4. 聚焦专业化的发展思路,适度拓展。国际上有两种半导体设备企业,一种是比较专业的,如光刻巨头阿斯麦。另一种是比较综合的,如应用材料。国产半导体设备应以核心设备为主,可以适度拓展(核心零部件、配件等),但专业化发展应该为主。在专业化发展的基础上适度扩展。

5. 差异化是国产设备突围的重要策略。分析世界八强半导体装备公司的共同特点是差异化技术,各家公司的产品都保持在自己最强的领域发展。差异化技术奠定了他们在世界上的地位,也给中国半导体装备公司的发展带来了新的思路。差异化的创新技术也是突破高端主流客户的主要因素之一,对设备创业公司尤为重要。

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