2022年半导体设备行业研究报告.docx
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1、2022年半导体设备行业研究报告1.半导体设备行业介绍1.1半导体生产过程中有哪些工艺步骤,需要用到哪些设备?集成电路系采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及它们之间的连接导线全部制作在一小块半导体晶片如硅片或介质基片上,然后焊接封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的电子器件。半导体设备在芯片制造中发挥着重要作用。半导体设备是半导体制造的基石,是半导体行业的基础和核心。半导体工艺流程主要包括硅片制造、IC设计、芯片制造和芯片封测,从产业链来看,半导体设备在硅片制造以及芯片制造的前道/后道工艺中均发挥着重要作用。半导体生产过程中有哪些工艺步骤,需要用到哪些设备?前道
2、晶圆制造工艺复杂,分别为氧化/扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化,清洗和检测是贯穿半导体制造的重要环节,简化来看,按照工艺次序可分为:氧化:在硅片表面形成二氧化硅层,由于二氧化硅硬度高且致密,可以保护晶圆表面不被划伤并且阻挡污染物。涂胶:通过涂胶机在晶圆表面均匀涂覆光刻胶。光刻:通过光刻曝光将设计好的电路图从掩膜版转移到晶圆表面。显影:在显影机中利用显影剂去除被曝光的光刻胶,在光刻胶膜上显示出电路图形。刻蚀:在刻蚀机中通过离子撞击去除多余的氧化层或其他薄膜层,将电路图形从光刻胶膜永久转移到晶圆表面。离子注入:将掺杂剂材料射入晶圆表面(也可通过热扩散工艺实现)。该步骤的主要目的是
3、形成PN结,PN结是晶体管工作的基本结构。(即利用PN结的导通和截止分别代表1和0)去胶:光刻胶仅作为转移电路图形的中介,最终并不在电路中发挥实际作用,因此需要通过去胶机去除。薄膜沉积:前述操按照预定的电路图在相应位置形成了核心器件PN结,但这些结构是分立的,需要添加导电层实现互连(相当于电路中的导线),薄膜沉积操作可将金属层等结构添加在晶圆表面。薄膜沉积也可以在晶圆表面添加绝缘介质或其他半导体,沉积好的薄膜将作为电路的功能材料层(类比3D打印)。CMP(化学机械抛光):该过程可去除之前晶圆表面形成的多余材料,并实现晶圆表面平坦化。直观理解即集成电路的制造过程好比建多层的楼房,每搭建一层楼层都
4、需要让楼层足够平坦齐整,才能在其上方继续搭建另一层楼,否则楼面就会高低不平,影响整体性能和可靠性。1.2半导体设备行业的壁垒在哪里,为什么难以突破?技术壁垒:从技术角度看,我们认为半导体设备技术壁垒可分为三个层次:1)半导体设备是由成千上万的零部件组成的复杂系统,将成千上万的零部件有机组合在一起实现精细至nm级别的操作是第一个难点。2)保障设备在nm级别的操作基础上的超高良率是半导体设备制造过程中的第二个难点。制造一块芯片通常需要上百台设备紧密配合,历经400-500道工序,若单工序良率仅能做到99%,则历经500道工序最终良率不足1%;提升至小数点后两位的水平才能使良率达到95%以上。3)保
5、障设备在实现以上两个要求的基础上长时间稳定的运行是半导体设备制造过程中的第三个难点。与上述同理,一条芯片产线上百台设备,每一台设备稳定运行时间的微小降低将在整个体系内被巨额放大。若发生设备宕机造成该批假设1000片晶圆的报废,在28nm及以下的制程级别对应的损失超过300万美元,近2000万人民币。客户验证壁垒:正是由于设备本身和产线构成的复杂性,单设备的良率、稳定性会在整个体系内产生累积效应的影响,同时可能带来巨额的潜在损失,因此晶圆制造厂商对于上游设备的验证、验收有严苛的标准和流程。同时,对于晶圆制造厂而言,配合上游设备验证需要付出大量的人力(合作研发、调试)、物力(拿出其他设备配合验证的
6、机会成本损失、验证过程中的物料损失),以及采用新设备供应商面临的巨大潜在风险(批量晶圆报废的风险、向客户延迟交货的风险),很少有晶圆厂愿意承担以上的损失和风险去验证新供应商的设备。1.3为什么说现在是国内半导体设备行业的黄金时期?我们认为半导体设备公司成功需要四大要素:契机、人才、资金、时间。目前国内环境四大要素均具备,因此处于发展的黄金时期:1)契机:下游制造厂商正常情况下不愿意冒风险和承担额外成本去验证新供应商的设备,中美贸易摩擦和设备禁令带来的供应链安全问题给国内制造厂商足够的理由接受国产设备。另一方面,近两年半导体行业高景气带动下游积极扩产。2)人才:目前国内既有科研院所、头部企业等培
7、养出来内地人才,也有众多海外设备大厂从业背景的海归人才积极创业。3)资金:科创板支持科技类企业融资。4)时间:部分半导体设备厂商切入前道领域时间较短,处于样机和小批量订单阶段,未来有望加速放量。1.4如何看待本土设备厂商的竞争优势和未来前景?成本和价格并非本土标签以外的唯一竞争力,快速响应的定制化服务为重要优势。基于本土优势,一方面可以提供低成本、定制化、及时的服务(海外设备厂商往往委托国内团队做售后服务,同时服务定制化程度弱),另一方面能够针对客户技术需求进行联合攻关、定制化开发,适配性的提升会带动稳定性和良率的提升。伴随客户导入,国产设备技术水平/工艺覆盖度有望快速提升。尽管部分国产设备目
8、前稳定性、良率方面等相较国际大厂仍有差距,但只要下游厂商愿意导入国产设备,长远来看,部分国产设备技术能力、稳定性、良率将随与下游客户的积累持续加速提升,将实现从“能用”到“好用”的转变,如:中微公司在部分MOCVD设备市场已实现对海外巨头的超越。以芯源微为例,在与客户的持续合作中,公司不断进行产品架构优化、平台升级。相比于公司初期交付客户的前道涂胶显影机产品,第二代设备对第一代使用的架构平台进行了大幅度优化改造,机械手也使用了公司自研的机械手;目前在客户端验证的第三代平台产品设备产能相比第二代机型大幅提升、效率良率提升、并且针对更先进制程工艺需求对核心零部件进行了升级换代。1.5半导体设备的验
9、证流程是怎样的?半导体设备验证流程复杂,周期长。设备厂商与下游客户在首次合作或某种工艺机台的首次合作前,需要先向客户发送验证机台,该机台验证通过后下游晶圆厂才会给到设备厂批量订单。客户验证首台设备的主要流程为(以CMP设备的验证为例):机台交付并运送至客户厂区后,由公司人员在客户现场完成机台的装机和调试工作,经过工艺测试和产品片验证满足客户要求后,按照客户验证对设备进行小批量测试、马拉松测试,以对机台稳定性进行考察,之后启动机台验收,总耗时需要8-18个月。1.6如何理解半导体设备厂商订单到收入确认的节奏?签单阶段:除了直接签署正式订单的模式外,部分情况下具有明确采购意向的客户会跟设备公司先形
10、成意向订单(一般无纸质或电子材料)。正式订单签署后设备公司一般收取30%的预付款(依设备公司和客户不同而存在差异,部分无预收款)。交付阶段:意向订单形成或直接签署正式订单后,设备厂商会根据客户进行生产,一般在3-6个月后实现交付(不同类型设备、不同厂商交期存在差异)。验收阶段:设备交付客户后,设备厂商一般会收取60%到货款,验收通过后收取10%尾款,并确认收入。合同负债情况可一定程度反映设备厂商在手订单情况,订单反映到业绩上需要6-12个月的周期。以拓荆科技为例,截至2022年第一季度末,拓荆科技合同负债达到7.8亿元,相比2021年末增长幅度达到60%。一方面反映了国内半导体设备行业的持续景
11、气,另一方面也反映了公司自身业务的快速推进。订单到业绩层面,由于半导设备生产交付、验收均需要3-6个月左右的时间周期,因此订单反映到公司收入上一般需要6-12个月时间。每年下半年为半导体设备厂商收入确认高峰期。晶圆厂通常于前一年末或当年初作出全年的资本性支出计划,此后开展采购、安装、调试、验收,导致半导体设备公司取得客户验收、确认收入的时点相对集中于下半年,尤其集中于第四季度。2.半导体前道设备各环节格局梳理晶圆制造设备是半导体设备行业需求最大的领域,光刻、刻蚀和沉积设备为主要组成部分。根据SEMI数据来看,目前半导体设备主要为晶圆制造设备,市场占有率超过85%。其中,刻蚀机、薄膜沉积、光刻机
12、设备为半导体设备的核心设备,这三类半导体设备的市占率分别为22%、22%和20%。国内为全球半导体设备最大市场,先进技术由美欧日等国主导。从地区分布来看,中国大陆半导体设备市场占比呈持续提升之势,2021年市场规模达到296亿美元,占全球市场的比重为29%,是半导体设备的最大市场。先进半导体设备技术仍由美欧日等国主导,其中美国的刻蚀设备、离子注入机、薄膜沉积设备、测试设备、程序控制、CMP等设备的制造技术位于世界前列;荷兰凭借ASML的高端光刻机在全球处于领先地位;日本则在刻蚀设备、清洗设备、测试设备等方面具有竞争优势。(1)刻蚀设备干法刻蚀在半导体刻蚀中占主流地位,ICP与CCP是应用最广泛
13、的刻蚀设备。刻蚀是使用化学或者物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程。刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀,干法刻蚀市场占比超90%。干法刻蚀也称等离子刻蚀,是使用气态的化学刻蚀剂去除部分材料并形成可挥发性的生成物,然后将其抽离反应腔的过程。等离子体刻蚀机根据等离子体产生和控制技术的不同而大致分为两大类,即电容性等离子体(CCP)刻蚀机和电感性等离子体(ICP)刻蚀机。CCP刻蚀机主要用于电介质材料的刻蚀工艺,ICP刻蚀机主要用于硅刻蚀和金属刻蚀。刻蚀设备市场集中度较高,中微公司、北方华创部分技术已达到国际一流水平。刻蚀设备占据半导体设备超20%的市场,2021年全球刻蚀设备市场规模为194亿美
14、元,预计2022年将达到216亿美元。刻蚀设备市场集中度高,被三家龙头企业垄断,其中泛林半导体技术实力最强,占据47%的市场份额,东京电子和应用材料分别占据27%和17%。从国内市场来看,刻蚀机是我国最具优势的半导体设备领域,北方华创与中微公司分别在硅刻蚀领域和介质刻蚀领域,处于国内领先地位,中微公司的介质刻蚀已经进入台积电5nm产线,北方华创在ICP刻蚀领域优势显著,已进入中芯国际14nm产线验证阶段。(2)薄膜沉积设备薄膜沉积设备主要分CVD、PVD、ALD三大类,其中CVD市场占比最高。薄膜沉积是指在硅片衬底上沉积一层待处理的薄膜材料,如二氧化硅、氮化硅、多晶硅等非金属以及铜等金属。薄膜
15、沉积设备主要包括CVD设备、PVD设备/电镀设备和ALD设备,三者各有所长,CVD主要应用于各种氮化物、碳化物、氧化物、硼化物、硅化物涂层的制备,PVD主要应用于金属涂层的制备,ALD属于新兴领域,一般用于45nm以下制程芯片的制备,具备更好的膜厚均匀性,同时在高深宽比的器件制备方面更有优势。目前,全球薄膜沉积设备中CVD占比最高,2020年占比64%,溅射PVD设备占比21%。CVD设备中,PECVD占比53%,ALD设备占比20%。薄膜沉积设备市场美系厂商具备强话语权。薄膜沉积设备在半导体设备中占比稳定在20%左右,2021年全球半导体薄膜沉积设备市场规模达190亿美元,预计2022年将达
16、到212亿美元。细分领域来讲,AMAT独占鳌头,约占全球PVD市场份额的80%以上;CVD领域,AMAT、LAM、TEL三家约占全球市场份额的70%以上。国内厂商尚不存在直接竞争,共同受益国产化率提升:1)拓荆科技引领PECVD国产化:拓荆科技具备CVD、ALD供应能力,CVD产品包括PECVD和SACVD,其中主力产品为PECVD,尽管北方华创也有PECVD产品,但目前主要应用于光伏/LED领域。拓荆科技SACVD也是国内唯一一家产业化生产该设备的厂商,而北方华创CVD产品除PECVD外主要为LPCVD、APCVD。ALD产品方面,拓荆科技与北方华创产品应用工艺有所差异(拓荆科技ALD应用于
17、SADP工艺、STI表面薄膜;北方华创ALD应用于HKMG工艺)。由此可见,拓荆科技与北方华创尚不存在直接竞争。2)北方华创PVD优势显著:北方华创薄膜沉积产品线较为全面,具备PVD、CVD、ALD产品供应能力,在PVD设备领域竞争优势显著,国内产线导入的国产PVD设备基本均出自北方华创。拓荆科技、中微公司尚不具备PVD产品供应能力。3)中微公司主要为MOCVD设备,为北方华创、拓荆科技未产业化涉足的领域,产品应用于化合物半导体,其主要客户为乾照光电、三安光电等LED生产厂商。(3)光刻机光刻机是集成电路制造的核心设备之一,技术难度极高。光刻是决定集成电路集成度的核心工序,光刻即将电路图形信息
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