半导体设备行业深度报告:国产突破正加速,迎来中长期投资机会_手机新浪网

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发表于 2020-5-11 21:36:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
  来源:未来智库
  一、关键制程设备本土均有突破,晶圆产线建设驱动国产替代
  1.1 本土晶圆制造环节能力逐步提升,大力布局存储/代工/特色工艺等领域
  芯片制造能力是实现国家集成电路乃至信息产业自主可控的关键,晶圆制造和封测,以及上游配套的 设备与材料是基础。目前国家集成电路产业基金一期撬动各地方政府总投资约 5000 亿元,支持集成电路 各环节发展,其中晶圆制造和封测产线是重点,而二期也已正式开始,预计带动万亿资本,届时存储、先 进制程等晶圆线将继续重点投入,此外将加大设备材料环节扶持力度。根据现有规划,2017-2020 年全球 新建晶圆线中约 45%位于中国大陆,与晶圆制造相配套的上下游环节,本土厂商将迎来替代与发展良机。
  晶圆代工产能方面,2017 年全球代工营收约 623 亿美金,中芯国际、华虹半导体等本土晶圆代工企 业营收约 50 亿美金,全球代工产值占比约 8%,代工份额提升空间巨大。随着新建产线产能释放,未来三 年大陆晶圆制造产能将迅速提升,大陆本土公司晶圆制造产值有望增至 2022 年的 145 亿美金,复合增速 高达 20%,高于同期大陆 IC 制造总产值(涵盖非本土厂商)的 13%复合增速。
  晶圆制程方面,本土代工在 45nm/40nm 以上成熟制程已具备实力,28nm 以下的先进制程正努力缩 小差距。中芯国际的 28nm 制程 17Q4 量产,14nm 在 2019Q3 量产,12nm 开始客户导入。华力微 19 年底 突破 28nm HKC+工艺,2020 年将量产 14nm。就 14 纳米而言,中芯国际与台积电/三星/GF 差距逐渐缩小。在先进制程上,目前台积电 7nm 芯片占营收 35%,而 5nm 预计在 2020 年达到 10%,三星 7nm 已在 19Q4 量产,5nm 预计今年量产;综合考虑市场需求与性价比,GF 与联电放弃 10nm 以下,专攻 14nm/12nm 制 程。中芯等国内代工企业在 28nm 及以上制程技术较成熟,有望争夺市场份额,14nm 制程有望逐渐上量。
  28 纳米属于单位逻辑闸成本最低的技术节点,长周期制程属性明显,17 年单是 28nm 制程全球规模约 110 亿美金,28nm 及以上规模占比 76%,市场空间约 470 亿美金,国内厂商在 28nm 及以上制程发展潜力 巨大。而 14nm 制程主要用于中高端 AP/SoC、GPU、矿机 ASIC、FPGA、汽车 IC 等,市场规模稍高于 28nm, 但整体竞争不激烈。中短期看,中芯国际、华力微等在 28nm 及以上制程具备竞争力,有望与 GF 和联电 竞争。中芯国际 19Q4 营收 28nm 占比约 5%,40/45nm 约 16%,55/65nm 约 31%,0.15/0.18um 占比 35%。14nm 首次贡献营收,占比约 1%,28nm 和 14nm 营收占比提升空间较大。随着 28nm 制程逐渐成熟,28nm 及以上能满足大部分 IC 产品制程需求,是国内代工企业主战场,而 14nm 技术突破后也将逐渐量产出货。

  根据规划中国地区新增 Fab 线合计投资约 1.3 万亿元,满产后产能超 200 万片/月,较目前产能提升 3 倍以上。2018-2021 年是大陆产线投入与产能爬坡的密集期,2020 年将迎来诸多晶圆新线建设,包括新项 目落地,以及已有项目的二期建设或扩产开工,本土半导体资本开支持续维持高位。
  存储是新线重点,投资占比高达 65%,其中本土存储占比 48%(紫光/长江存储/合肥睿力/福建晋华), 非本土(Intel/三星/海力士)为 17%。而中芯/华力微/芯恩/粤芯等本土代工投资占比为 17%,台积电/联电/GF 等非本土代工占比 11%,剩余 7%为士兰微、华润微、积塔等功率器件/特色工艺等。其中 96%为 12 寸 线建设,功率器件等相关的 8 寸线占比仅 4%。规划涉及设备投资总额约 8800 亿元,根据建设进度预计设 备订单释放时间,对应 2017-2021 年每年半导体设备需求约 769、1551、1504、1719、1427 亿元。

  1.2 半导体设备亟需国产化率提升,晶圆产线建设驱动本土配套机遇
  设备属于半导体产业链上游,一般需要提前 1 年下单订货,是未来晶圆制造产能供给先行指标。随着 制程往先进演进,对设备性能和稳定性要求提升,具备高壁垒、高毛利率、验证周期长等特点。芯片制造 过程包括,硅片制造、晶圆制造、封装检测等不同环节,对应设备为硅片制造设备(长晶、研磨、抛光)、 晶圆前道设备(光刻、涂胶显影、刻蚀、PVD/CVD、氧化扩散热处理、离子注入、CMP、清洗、过程控制)、 晶圆后道设备(焊线机、分选机、探针台、划片机)、辅助设备(搬运仓储、气体纯净系统)等。

  2019年全球半导体设备市场约576亿美金,大陆地区约130亿美金,占比约22.4%, 高于韩国的 18%。2019 年泛半导体设备国产率约 16%,IC 设备国产化率约 5%,其中大陆进口半导体设备 中,金额占比最高的为镀膜设备,占比 32%(化学气相沉积 23%+物理气相沉积 9%),其次是刻蚀设备 18%, 其次是引线键合机 12%,剩下氧化扩散炉、光刻机、离子注入机、化学抛光机等设备占比约 10%、9%、4%、 4%。镀膜与刻蚀两环节设备合计约 50%,是国产替代的主力领域,相关公司有望从中受益。

  国内半导体设备企业技术逐渐成熟,加上近年来本土晶圆产线建设力度加大,各环节设备企业迎来高 速成长。北方华创、中微公司、至纯科技、长川科技、精测电子、晶盛机电、华兴源创、盛美半导体、屹 唐等半导体设备公司,2016-2019 年营收复合增速基本超 30%。未来三年是大陆多条晶圆线新建时期,年 均设备需求在千亿元。中长期看,到 2021 年,大陆半导体设备需求全球占比有望达 25%,超过韩国和中国台湾的 22%,成为全球最大需求地区,国内设备厂商有望在部分环节迎来本土替代机会。
  从晶圆线投资额细分看,半导体设备投资占产线总投资的 75%-80%。而设备投资中,晶圆制造环节占 比约 80%,封装环节占比约 6%,测试环节占比约 9%。晶圆制造相关设备中,光刻/镀膜/刻蚀等环节占比 较高,分别为 24%、20%、16%,而离子注入、工艺检测、晶圆加工其他占比为 4%、8%、8%。考虑市场空 间及技术成熟度,刻蚀/镀膜环节国内厂商替代潜力较大,国内刻蚀设备龙头、中微公司有望份额提升。
  随着大陆晶圆产线建设,本土晶圆代工产能有望提升 3 倍,大陆晶圆制造商的市占率攀升,最终将带 动本土上游配套的设备企业“共生增长”。以日本为例,统计制造业和设备业两者市场份额变化,两者的相 关性非常高。随着日本制造企业在全球产业链崛起,日本设备企业由于本土化优势,享受配套机遇。大陆 本土设备厂商也有望复制同等上升路径。

  我们统计了 2017-2021 年大陆规划建设的晶圆线,结合产线各自投产进度及各环节设备投资占比,测 算本土产线新建带来的半导体设备总需求空间。(仅考虑目前已披露的产线计划)
  晶圆制造环节一:光刻环节的光刻机、电子束曝光、涂胶显影、去胶设备的空间增量为 1276 亿/63 亿 /314 亿/49 亿元;刻蚀设备中介质刻蚀、硅刻蚀、金属刻蚀、化合物半导体刻蚀、电子束刻蚀对应增量为 535 亿/513 亿/45 亿/11 亿/11 亿;镀膜设备中的 PVD、ALD、CVD/LPCVD、PECVD、VPE 对应的空间为 287 亿/85 亿/287 亿/278 亿/123 亿。

  晶圆制造环节二:离子注入设备中高电流注入、中等强度离子注入、高能量离子注入的空间为 156 亿 /89 亿/34 亿元;晶圆检测设备中的光学图形化晶圆检测、光罩检测、缺陷检测与分类、关键尺寸检测的对 应增量为 167 亿/78 亿/39 亿/50 亿元;清洗设备中喷淋式清洗台、自动清洗台的增量为 381 亿/102 亿元。
  封测环节:封装设备焊线机、粘片机、光刻/SOD/塑封、划片机、贴片机、封装切割机空间为 130 亿 /50 亿/54 亿/38 亿/25 亿/25 亿元;测试设备探针台、分选机、SOC 测试机空间为 102 亿/110 亿/282 亿元。

  目前国内设备厂商 28nm 产线设备批量供应,14nm 逐步客户验证。北方华创的 28nm 刻蚀机落户中 芯和华力微;28nm PVD 被中芯北京厂指定为 28nm 制程 Baseline 机台、AI Pad PVD 被用于武汉新芯 NAND 产线关键制程环节;12 英寸单片清洗机、氧化炉、单片退火设备等均已进驻中芯 28nm 生产线;14nm 等 离子硅刻蚀机、单片退火系统、LPCVD 已成功进入主流代工厂;多款 10nm 设备处于研发中。中微 16nm 介质刻蚀机已在诸多产线上运行,是唯一进入台积电7nm/5nm制程蚀刻设备名单的大陆设备商,此外1Xnm 的 DRAM 和 128 层以上的 3D NAND 芯片等 ICP 刻蚀设备也正在研发。目前国内代工厂 14nm 工艺已逐步量 产,后期有望逐渐加大国产设备比例。看好国产设备在长周期节点属性的 28nm 产线份额提升,中芯国际/华力微 14nm 制程能力已经具备,有望逐渐上量产能,提前布局 14nm 的设备商有望占据先机。
  1.3 关键制程设备本土均有布局, 优势环节份额提升估计劣势环节逐渐突破
  全球半导体设备市场集中度较高,Top5 设备厂商合计份额约 80%。2019 年前五设备厂商营收分别为 应用材料(AMAT)135 亿、阿斯麦(ASML)128 亿、东京电子(TEL)96 亿、泛林(LAM)95 亿、科磊(KLA) 47 亿美金,对应市场份额为 21%、20%、15%、15%、7%。ASML 产品较为单一,几乎垄断了光刻机市场, 而 AMAT 则是在刻蚀、PVD/CVD 镀膜、热处理、离子注入、CMP 等多环节市占率领先,产品线最为丰富。
  半导体设备主要分为晶圆前道设备和后道封测设备,部分环节国产化率提升明显。其中晶圆前道设备 中,刻蚀机(140 亿美金,占比 25%)、 CVD/PVD/ALD 镀膜机(125 亿美金,23%)、光刻机(125 亿美金, 20%)为市场规模前三大设备种类,随后是涂胶显影+去胶(25 亿美金,4%),热处理(18 亿美金,3%), 离子注入(16 亿美金,3%), CMP(20 亿美金,4%),清洗(30 亿美金,6%)、量测设备(60 亿美金,10%)。而后道封测主要设备包括测试机(30 亿美金,6%),探针台(10 亿美金,2%),分选机(9 亿美金,2%)。其中,本土产线设备需求的国产化情况看,晶圆前道环节的刻蚀(20%)、PVD(10%-15%)、热处理(15%-20%)、 清洗(20%)、 CMP(15%)、去胶设备(80%)等相对其他环节的国产化率较高,均高于 15%;而光刻机、 涂胶显影、CVD、ALD、离子注入、量测设备均不足 5%。后道封测环节的测试机、分选机、探针台的本土 配套率也不足 5%。
  大基金一期对设备材料投资占比仅 4%,有重点对部分环节的优质设备公司进行支持,二期预计将加 大对半导体设备的扶持范围和力度。其中,晶圆前道设备,对刻蚀、镀膜、清洗、离子注入、量测环节相 关的北方华创、中微公司、沈阳拓荆、盛美半导体、万业企业(凯世通)、上海精测、上海励睿进行了股 权投资,截止目前持股比例分别为 10.03%、17.45%、35.3%、4.58%(普通股)、7%、15.4%、12.12%。后 道封测设备,持有测试分选环节的长川科技 9.85%股份。截止目前,光刻相关的光刻机、涂胶显影、去胶 设备环节大基金目前尚未入股,上海微电子、沈阳芯源、屹唐等有望后续得到支持。其余清洗、测试环节 的至纯科技、华峰测控等优质标的也有望迎来机会。
  从技术水平来看,刻蚀、镀膜、清洗设备的国产化水平已接近国际主流厂商,在先进的 28/14nm 晶圆 代工产线和 3D NAND 等存储产线批量应用,中微的介质刻蚀机更是进入台积电的 7nm/5nm 产线。而光刻、 离子注入、量测设备相对较国际主流水平有一定差距。国产光刻机目前最高到 90nm 制程节点,在功率等特色工艺线上有所突破;离子注入主要在光伏及 45-22nm 低能大束流方面取得突破;量测设备主要集中在 膜厚等关键尺寸测量上。而其他封测设备如探针台、测试机、分选机等在数字芯片等先进应用上仍有差距。
  对于半导体设备国产化的机会,我们认为突破容易程度为:(1)产品上,功率器件>数字模拟器件>逻 辑芯片;(2)制程上,特色工艺>成熟制程(28nm 及以上)>先进制程;(3)尺寸上,4-6 寸>8 寸> 12 寸。

  从本土晶圆线最新设备招标数据看,2019 年度,8 英寸特色工艺为代表的积塔半导体国产化设备采购 率为 34%,高于华虹无锡的 12 寸成熟工艺线(90-65/55nm)的 27%国产化率,更高于华力微的 12 寸先进制程(90-65/55nm)产线的 9%。而 2019 年由于长江存储处于一期量产关键阶段,整体依然以存储制程突 破为主,设备国产化率较低为 7%,2020 年扩产时的新采购设备其国产化率大幅提升,提升至 15.7%。
  具体设备环节来看,刻蚀、镀膜、氧化扩散热处理、清洗等环节相对国产化率较高,基本上超过 15%;光刻、离子注入、过程工艺、测试等设备国产化率较低,不超过 5%;上海微电子在积塔 8 寸特色产线取 得光刻设备供应的突破。随着长江存储的工艺成熟度提升,3D NAND 产线的设备采购国产化率从 2017 年 的 2.2%,2018 年 9.6%,2019 年 7.2%,提升至 2020 年的 15.7%。其中,刻蚀设备、清洗设备、研磨抛光 设备、氧化扩散设备等国产化率这几年来显著提升。
  大力发展晶圆产线给本土设备企业带来配套机会。先进/成熟制程产线包括:中芯北方(12 寸 28nm)、 中芯南方(12 寸 14nm),华力集成二期(12 寸 28/14nm);华虹无锡(12 寸 90-65nm),士兰微厦门(12 寸 90nm), 晶合集成(12 寸 180-55nm)、万国重庆(12 寸 90nm)、 粤芯和青岛芯恩(12 寸 180-130nm)。
  特色工艺线:中芯国际绍兴/宁波/天津(8 寸)、士兰微(8 寸)、积塔上海(8 寸)、燕东微北京(8 寸)等。8 英寸晶圆代工涉及功率、模拟、CIS、电源管理等产品,下游需求稳健,叠加 8 寸产能有限,本土企业在特色工艺具备竞争力,有望迎来市占率提升,带动特色工艺相关设备的营收提升。
  存储产线:长江存储、合肥睿力在 2020 年进入产能爬坡期,带动设备需求大增。19 Q4 长江存储产能 在 2 万片/月,2020 年底扩产至 5 万片/月,2021 年底到 10 万片/月,2023 年扩产至 30 万片/月。合肥睿 力一期产能 12 万片/月,目前 2 万片/月,2020 到 4 万片/月,后续将视情况进行扩产计划。此外,紫光集 团在重庆计划设立 DRAM 产线,在南京/成都设立存储基地等。存储作为大类标准品,对成本敏感,定制 化需求较少,对设备要求相对数字逻辑芯片较低,本土存储企业长期规划清晰,设备企业有望持续受益。
  国内半导体设备厂商在各自优势环节逐渐突破本土不同类型的晶圆产线。中微公司的介质刻蚀机在华 力微、华虹无锡、长江存储份额维持在 15%左右;北方华创的氧化/扩散/热处理设备在存储产线份额达 32%, 在华力微和华虹无锡分别为 6.3%和 3.8%,而刻蚀和薄膜沉积相对份额较小;盛美半导体的清洗设备份额 稳定,在三条晶圆线分别维持在 14%-18%;华海清科的 CMP 设备份额在华虹无锡和长江存储分别为 22.2% 和 14.9%,在华力微为 9.1%;其他屹唐、沈阳拓荆、沈阳芯源、北京中科信、上海睿励、上海精测在热处 理设备、镀膜设备、涂胶显影设备、离子注入、膜厚测量等设备上占据一定份额,提升空间较大。
  本土半导体设备厂商在光刻、刻蚀、镀膜、氧化扩散、清洗、抛光、离子注入等环节基本实现全覆盖。越来越多的上市公司以及非上市公司发力半导体设备领域。其中,涉及到曝光/光刻企业有 4 家,涂胶显影 有 10 家, CVD 企业 9 家, PVD 企业 6 家,其他成膜设备企业 6 家,干法刻蚀设备企业有 10 家,湿法腐 蚀设备企业 12 家,热处理设备企业 8 家,CMP 设备厂商仅有 2 家,离子注入设备厂商也仅有 2 家,计量 检测设备厂商 10 家,仓储搬运设备 4 家。随着政策与资金支持,在本土晶圆新建对设备需求带动下,越 来越多的设备公司有望发展壮大。
  二、晶圆制造设备部分环节具备竞争力,其余环节已有份额突破
  2.1 光刻环节:本土已有初步突破,距国际水平仍有较大差距
  2.1.1 光刻机设备:封装/LED 光刻机相对成熟,IC 前道/面板光刻机仍有差距
  IC 前道晶圆制造为集成电路产业链的核心环节,晶圆制造包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、扩 散、抛光、退火、检测等主要环节,其中光刻环节是其核心。光刻机是一种将预先设计好的芯片图形转印 至硅片或者其他材质基底上的大型精密量产型加工制造设备。光刻机光刻或者曝光精度直接决定了整个半 导体制造工艺的节点,其昂贵的价格也导致光刻机是整个半导体制造产线投资最主要的组成部分。
  在实际的光刻工艺过程中,既要保证纳米级的曝光精度,同时也要保证高的产率以实现其足够的经济 性,光刻机设备会十分复杂,其分系统和部件制造的工程实现难度极高。典型光刻机设备包括:超低像差 投影物镜系统、高精度匀光曝光系统、精密镜像扫描或步进掩膜台系统、高速硅片传输系统、纳米级对准 系统、精密调焦调平系统、大负载高精度高速工件台系统、亚纳米双频激光干涉位移测量系统、主动隔振 系统、精密温度控制系统和分布式多级复杂整机控制系统。按照应用领域,可分为 IC 前道晶圆制造、IC 后道先进封装、平板显示和高亮度 LED 等领域。其中,IC 前后道晶圆制造同属于集成电路领域,不管是遵 循摩尔定律还是超越摩尔,IC 前道光刻设备分辨率以及 IC 后道先进封装技术的提升都依赖光刻精度。

  IC 晶圆前道制造光刻流程包括:先放置在掩膜板库里,通过掩膜传输系统放置在掩膜台,晶圆通过硅 片传输系统传入工件台,调焦调平系统对硅片进行调焦调平,对准系统对硅片对准,然后工件台、掩膜台、 曝光系统在整机控制系统的控制下完成整个晶圆的扫描或者步进式曝光,曝光完成后由硅片传输系统传出。
  随着分辨率需求不断微缩,根据所使用的光源的改进,光刻机经历了 5 代产品的发展。光刻机主要指 标为分辨率、套刻精度和产率,未来的发展趋势将主要围绕以上三个指标。照明波长不断变短、物镜的数 值孔径不断变大,使得光刻机的分辨力能力不断提高,当前 EUV 分辨率达到 13nm,通过多重曝光能够实 现 7nm 工艺制造,并向 5nm 和 3nm 技术节点前进。同时,套刻精度随着分辨率不断提高,产率不断优化, 使得芯片整体生产成本持续降低。
  全球光刻机市场来看,ASML 一家独大。其光刻机出货量占据全球 70%以上份额,尤其在 EUV 光刻机、 ArF 浸没式光刻机领域基本上处于垄断地位;Canon 和 Nikon 的光刻机出货量份额合计约 30%,主要集中在 平板显示领域,在 I line 和 KrF、ArF 光刻机占据一定份额;而美国 Ultratech 主要是后道封装和 LED 封装光 刻机为主,封装和 LED 光刻机的单台价值量相对晶圆前道、平板显示光刻机较低,竞争壁垒也相对较低。

  ASML 成立于 1984 年,总部位于荷兰,是全球最大的半导体设备制造商之一,为全球绝大多数集成电 路生产企业提供光刻机及相关服务,拥有全球最先进的光刻技术水平,主要核心竞争力为双工件台、浸没 式光刻应用和 EUV 光刻。ASML 所生产的 EUV 光刻机能够满足 5nm/7nm 工艺制程。根据 ASML 年报披露, 其 2015 年至 2017 年 IC 前道晶圆制造光刻机销售台数分别为 169 台、157 台和 198 台,在 IC 前道制造领 域处于绝对垄断地位。2019 年 ASML 交付 26 台 EUV 光刻机,远超 18 年的 18 台,预计 2020 年交付 35 台 EUV 光刻机,2021 年则会达到 45-50 台的交付量,是 2019 年的两倍左右,单台售价超过 1 亿美金。
  不同光刻领域布局看,ASML、Nikon、Canon 以及大陆上海微电子四家企业具备晶圆前道能力。而在 后道封装/LED 光刻上,上海微电子、奥地利 EVG、德国 SUSS、美国 Veeco、美国鲁道夫等有产品线覆盖, 而本土除上海微外还有中电科 48 所、中电科 45 所等参与晶圆前道光刻机研发。本土其他与光刻相关厂商主要集中在掩膜对准、电子束曝光、激光直写等环节,包括影速光电、金盛微纳、新诺科技、合肥芯碁等。核心光刻机曝光系统部件的大陆涉及单位包括国望光学、长春国科精密光学、上海/长春光机所等,光刻双 工件台大陆厂商有北京华卓精科,是继 ASML 后成为世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司。
  随着先进制程从10nm往5nm/3nm节点演进,逻辑芯片晶圆制造中光刻价值占比从25%提升至35%+, 提升较明显。DRAM 从 1X 往 1A 演进,也将带动光刻价值占比从 24%提升至 27%。设备端看,EUV 和 ArFi 光刻机占比约 8 成,其中 EUV 光刻占比提升显著,国内厂商有望从 ArF 和 KrF、I-Line 光刻机等逐步切入。

  上海微电子:是国内第一家、全球少数几家掌握中高端光刻机技术的公司,产品广泛应用于集成电路 产业链 IC 前道晶圆制造、IC 后道先进封装、平板显示以及高亮度 LED 等领域。在 IC 前道制造领域,完成 我国首台 90nm 节点 ArF 光刻样机的研制和上线验证,目前正在研制下一代 28nm 工艺节点用浸没光刻机;IC 后道先进封装光刻机在大陆市场处于主导地位,全球市场也领先;平板显示领域,公司曝光机(光刻机) 已进入本土面板产线;在高亮度 LED 领域,公司研制的 LED 光刻机在大陆以及全球市场均处于主导地位。

  2.1.2 涂胶显影设备:整体国产化率不足 5%,芯源微/盛美国内占据一定市场
  光刻工艺流程为:脱水烘烤→旋转涂胶→软烘→曝光→曝光后烘烤→显影→坚膜烘烤→显影检查。各 步骤如下:(1)旋转涂胶:通过旋转方式在硅片涂上液相光刻胶材料;(2)软烘:涂胶后,对硅片进行软 烘,除去光刻胶中残余的溶剂,提高光刻胶的粘附性和均匀性;(3)曝光:使用紫外光照射,未受掩膜遮 挡部分的光刻胶发生曝光反应,实现电路图从掩膜到硅片上的转移;(4)曝光后烘烤:以一定温度烘烤曝 光后的硅片,目的是降低驻波效应的影响以及使化学反应更充分;(5)显影:使用化学显影液溶解由曝光 造成的光刻胶可溶解区域,使可见图形出现在硅片,并区分需要刻蚀的区域和受光刻胶保护的区域;(6) 坚膜:对显影后的光刻胶加热烘干,促使光刻胶与硅片粘着牢固,提高其强度;(7)显影检查:区分那些 有很低可能性通过最终掩膜检验的晶圆,提供工艺性能和工艺控制数据及分拣出需要重做的晶圆。
  涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备,包括涂胶机(又称涂布机、 匀胶机)、喷胶机和显影机。在早期的集成电路和较低端的半导体制造工艺中,此类设备往往单独使用(Off Line)。随着集成电路制造工艺自动化程度及客户对产能要求的不断提升,在 200mm 及以上的大型生产线 上,此类设备一般都与光刻设备联机作业(In Line),组成配套的圆片处理与光刻生产线,与光刻机配合 完成精细的光刻工艺流程。
  按工艺环节不同,涂胶显影设备可分为前道涂胶显影设备和后道涂胶显影设备。涂胶显影设备完成晶 圆的光刻胶涂覆、固化、显影、坚膜等工艺过程,直接影响到光刻工序细微曝光图案的形成,显影工艺的 图形质量对后续蚀刻和离子注入等工艺中图形转移的结果也有着深刻的影响。按照工艺环节不同,涂胶显 影设备可分为前道涂胶显影设备(晶圆加工)和后道涂胶显影设备(封装测试)。前道涂胶显影设备与光 刻工艺相关,光刻工艺可分为 g-line、i-lina、KrFi(沉浸式)、ArF、ArFi(沉浸式)和 EUV 等,ArF 和 KrF 涂胶显影设备占比较高,例如长江存储产线招标以 ArF 和 KrF 为主。后道涂胶显影设备与封装形式有 关,传统封装形式有 SIP(单列直插)、DIP、SOT、TO 等,先进封装有 FC、WLP、2.5D 和 3D 封装等。

  涂胶显影机市场规模约 23 亿美元,EUV 成为未来几年市场增长的主要驱动力。涂胶显影设备市场规 模自 2013 年以来逐步增长,2018 年达 23 亿美元(其中,中国大陆和中国台湾地区合计为 9 亿美元),同比增 长 28%,2013-2018 年 CAGR 达 11%。VLSI 预计 2023 年涂胶显影设备市场规模将达到 25 亿美元,TEL 预计 2022 年达到 25 亿美元。从工艺看,ArF 和 KrF 占有涂胶显影设备市场约 50%的份额,市场相对稳定,未来 几年随着 EUV 工艺渗透,EUV 涂胶显影设备将成为主要驱动力。

  竞争格局方面,TEL 在全球占有绝对主导,芯源微在国内占有小部分市场。从全球市场来看,TEL 占 有 88%份额,其余厂商包括 Screen(5%)和 SEMES(6%)。而在中国市场,TEL 市场份额更高达 92%,其 余厂商如 Screen(1%)、 CANON(2%)、芯源微(3%)和盛美(2%)等份较低(盛美可生产用于 WLP 的半 导体涂层系统) 。分工艺环节看,前道设备方面,TEL 和 Screen 产品可覆盖所有制程,国内厂商尚未掌握 28nm 以下先进节点的 ArFi 沉浸式涂胶显影设备,产品在产能、平均故障时间、胶膜涂敷均匀度、显影精 细度、温控热处理精密度、工艺适应性等方面较弱;后道设备方面,芯源微技术水平与国外厂商接近,产 品在产能、平均故障时间、显影精细度、温控热处理精密度等方面持平,在胶膜涂敷均匀度方面部分弱于 国外厂商。

  芯源微:前身为先进制造和韩国 STL 共同出资设立的沈阳芯源先进半导体,于 2008 年和 2012 年承担 国家 02 专项 “凸点封装涂胶显影、单片湿法刻蚀设备的开发与产业化”和“300mm 晶圆匀胶显影设备研发” 两个课题。其涂胶显影设备主要应用在后道先进封装和 LED,在先进封装市场占有 19%的市场份额。(略)
  2.1.3 去胶设备:屹唐占据国内去胶机较大份额,芯源微/中电 45 所也在突破
  去胶机:在半导体制造工艺中,光刻胶只是起到图形转移的媒介作用,在完成图形转移后,需要将光 刻胶完全去除,以避免残留的光刻胶影响后续工艺质量。去胶机主要用于圆片刻蚀后其表面作为阻挡层的 光刻胶的去除,适用于 50-300mm 圆片的处理。
  去胶分为干法去胶和湿法去胶。干法去胶主要采用等离子体,利用氧等离子活性单原子氧与光刻胶反 应,生成易挥发物,达到去胶的目的。干法去胶适用于大部分工艺,去胶效率高、可靠性高、容易自动化, 但是残留物容易导致表面缺陷。湿法去胶采用有机溶剂和无机溶剂,利用溶解或化学反应等方法去胶。湿 法去胶不同溶剂有不同局限,一般作为干法去胶的补充,优点是工艺简单、去胶干净,缺点是去胶速度慢、 去胶液成本高且污染环境。

  屹唐半导体占有全球去胶机市场 11%份额,国内市场自给率达 81%。全球去胶机整体市场约 5 亿美 金,占半导体设备市场约 1%,主要供应商包括 PSK、泛林半导体、Hitach、屹唐半导体、Ulvac 等,前五 大厂商占据 97%的市场份额,市场竞争相对集中。从国内部分晶圆产线招标情况看,屹唐半导体在国内占 主导地位,市占率达 81%,国产化率较高,泛林半导体和 Screen 分别占 17%和 2%。此外,国内厂商芯源 微和中电科 45 所也可生产去胶机。

  屹唐半导体:成立于2015年,亦庄国投通过屹唐半导体以约3 亿美元收购美国半导体设备厂商Mattson。Mattson 为全球 12 英寸晶圆厂提供干法去胶、干法刻蚀、RTP(快速热处理) 、测量等设备,三类设备设备 在各自领域都位于世界前三,主要客户为全球领先的芯片制造厂商。(略)
  2.2 刻蚀环节:中微和北方华创具备竞争力,份额有望持续提升
  刻蚀(Etch)是 IC 制造中相当重要的工艺,成本仅次于光刻(刻蚀 20%,光刻 30%),与光刻相联 系的图形化处理。刻蚀,狭义上就是光刻腐蚀,先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理,然后通过其它方 式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过 程,其基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形。
  按照原理不同,刻蚀可分为干法和湿法两种,其中干法刻蚀工艺占比 90%以上。干法刻蚀是用等离子 体进行薄膜刻蚀的技术,湿法刻蚀是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术,湿法刻蚀由于需要大量 对人体和环境有害的腐蚀性化学试剂,逐步被干法刻蚀替代。
  按被材料不同,刻蚀可分为硅刻蚀、介质刻蚀和金属刻蚀等,其市场占比分别为 47%、48%和 3%。介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀,如二氧化硅,接触孔和通孔结构的制作需要刻蚀介质,而具有高深宽比 (窗口的深与宽的比值)的窗口刻蚀具有一定的挑战性。硅刻蚀应用于需要去除硅的场合,如刻蚀多晶硅 晶体管栅和硅槽电容。金属刻蚀主要是在金属层上去掉铝合金复合层,制作出互连线。
  根据等离子体产生和控制技术的不同,可分为电容耦合等离子体(CCP)刻蚀机和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀机。CCP 刻蚀利用电容耦合产生等离子体,一般用于介质刻蚀,涵盖逻辑芯片栅侧墙和硬掩 膜刻蚀、中段的接触孔刻蚀、后段的镶嵌式和铝垫刻蚀、3D NAND 的深槽、深孔和连线接触空的刻蚀等;而 ICP 刻蚀利用电感线圈耦合产生等离子体,一般用于硅刻蚀和金属刻蚀,涵盖硅浅沟槽,锗、多晶硅栅、 金属栅、应变硅、金属导线、金属 pad、镶嵌式刻蚀金属硬掩膜和多重成像。
  随着集成电路制造线宽不断缩小、芯片结构 3D 化,互连层数增多,带动刻蚀和镀膜需求增多,从 2013 年之后,刻蚀设备在产线中价值占比显著提升。目前,全球刻蚀设备市场以介质刻蚀和硅刻蚀为主,分别 占比合约 48%和 47%,而金属刻蚀仅 3%,这与 2010 年后整个集成电路工艺从铝互连(刻蚀铝金属)转向 铜互联(刻蚀介质)有关,金属刻蚀与介质刻蚀此消彼长。
  先进制程及芯片微缩带动设备需求,刻蚀行业迎增量。受限于 193nm 的浸没式光刻机限制,晶圆制造 向 7 纳米、5 纳米以及更先进的工艺发展,除了采用昂贵的 EUV 光刻机之外,14nm 及以下的芯片制造很 多都通过多重模板效应来实现制程微缩,刻蚀加工步骤增多。10nm 制程是关键节点,相较于 14nm,其刻 蚀步骤为 115 步,增加 77%,到 5nm 制程刻蚀步骤将是 14nm 的 2.5 倍及以上。全球刻蚀设备市场规模目前约 75 亿美金,2025 年有望增至 140 亿美金左右,年复合增长率为 11%,行业规模稳健增长。

  全球范围看,刻蚀设备市场呈现三家独大局面,泛林半导体占据半壁江山。根据 TEL,泛林半导体市 场份额约 55%,东京电子其次,市占率约 20%,应用材料与东京电子相当,市占率约 19%。分设备类型看, 介质刻蚀设备领域全球巨头为东京电子,17 年市占率 52.4%,泛林位半导体居第二,17 年市占率为 40.1%, 两家独大。介质刻蚀是国内厂商中微公司的优势领域,主要采用 CCP 刻蚀,其 2017 年全球市占率为 2.5%, 18年预计在5%左右。干法刻蚀设备方面,2017年泛林半导体市占率为47.7%,位居第一,东京电子为26.6%, 位居第二,应用材料为 18.7%,位居第三,中微半导体刻蚀业务整体市占率约 0.6%。
  整体来看,国内刻蚀机国产化率达到 18%,中微公司和北方华创贡献较多。根据中芯国际、长江存储 和合肥睿力的招标情况看,从中微采购的刻蚀机台数占整体刻蚀机台采购比例约 15-20%,逼近东京电子 和应用材料,进步明显。按材料分,国内介质刻蚀设备市场中,中微占有 25%份额,国产化率在各类半导 体设备中属于较高水平;而在硅刻蚀设备市场中,北方华创占有 15%市场份额。
  相比国际大厂,国产刻蚀设备品类还不够完整,针对不同工艺的刻蚀设备逐步验证和量产。中微国际 大厂泛林半导体和应用材料可实现 CCP 和 ICP、介质/硅/金属刻蚀、7nm 及以上的全方位覆盖,中微公司 和北方华创尚未实现全覆盖。中微介质刻蚀设备较强,已经量产,客户包括台积电、三星、中芯国际等国 内外大厂,其用于多晶硅栅工艺的硅刻蚀设备正在验证中。北方华创在介质刻蚀和硅刻蚀设备均由布局, 用于浅槽隔离的介质刻蚀设备已量产,硅刻蚀设备也已量产,金属刻蚀设备也有布局,拥有中芯国际、华 虹、华力等国内一流客户。
  2.3 镀膜环节:国内厂商布局全面初具实力,PVD 和 MOCVD 水平领先
  薄膜生长是指采用物理或化学是物质附着于衬底材料表面的过程。根据工作原理的不同,薄膜沉积可 分为物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和外延三大类。薄膜生长需要兼顾薄膜的性能和成本, 生长速率、均匀性、薄膜应力控制、微粒杂质控制等均为薄膜生长工艺的关键指标。薄膜生长工艺广泛应 用于逻辑电路、存储器件、LED、功率器件、平板显示、MEMS 和先进封装等。
  PVD 可分为蒸镀和溅射两种。蒸镀分为热蒸镀和电子束蒸镀两种。PVD 早期以热蒸镀为主,原理是在 真空中热蒸发金属材料使其沉积到衬底表面,缺点是难以满足某些难熔金属和氧化物的需要,沉积速率较 慢,合金比例难以控制,台阶覆盖不好,目前较少用于 IC 制程。而电子束蒸镀是指电子在电场加速下轰击 阳极的蒸发材料,使之受热气化,沉积到衬底表面,具备薄膜均匀性好,台阶覆盖好,合金比例控制较好, 产出较高等优点,主要用在一些中低阶的工艺产线。
  随着晶圆尺寸增大,溅射技术逐步取代真空蒸镀,原理是利用磁场将高能粒子撞击高纯度靶材料原子, 被撞击出的原子沉积到衬底表面。磁控溅射可提高等离子体密度,对靶材形成更多的溅射并降低衬底温度, 可提高台阶覆盖率,非常好地控制合金比例,产出效率高,广泛应用于 IC 先进工艺的金属化制程。
  3)外延:在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料,外延层可以是同质外延层(Si/Si), 也可以是异质外延层(SiGe/Si 或 SiC/Si 等)。外延工艺包括分子束外延(MBE)、气相外延(VPE)、液相外延、 化学束外延、离子团束外延、低能离子束外延和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等。
  MOCVD 是化合物半导体材料制备的关键设备。在 MOCVD 中,超纯气体被注入反应器中并精细计量以 将非常薄的原子层沉积到半导体晶片上,形成材料和化合物半导体的外延。不同于传统的硅半导体,化合 物半导体包含有 III 族和 V 族、II 族和 VI 族、IV 族、V 和 VI 族元素,是目前化合物半导体制备的关键设备, 应用于半导体器件、光学器件、气敏元件、超导薄膜材料、铁电/铁磁薄膜、高介电材料等多种薄膜材料。
  薄膜生长设备市场稳定增长,整体市场规模约 124 亿美元。CVD 设备方面,根据 Trendforce,2017 年 全球 CVD 设备市场规模约 84 亿美元,到 2023 年将增长至 89 亿美元。CVD 下游需求如微电子元件、数据 存储、太阳能产品、切割工具和医疗设备等,其中微电子元件和数据存储分别占比 38%和 24%。
  PVD 设备方面,按照 Garter 对 CVD、PVD 和外延设备产值的统计,测算 PVD 设备 2019 年市场规模约 29 亿美元,下游需求以微电子元件和数据存储为主,分别占比 38%和 23%,随着工艺节点往先进制程推进, 带动金属互联层数增,对 PVD 需求也在增加。
  外延设备方面,根据 Yole,外延设备市场规模约 9.4 亿美元,预计 2023 年超过 20 亿美元,其中约 70% 为 MOCVD 设备,金属应用于大多数 III-V 化合物半导体外延,例如砷化镓和氮化镓器件。外延设备需求增 长主要受 LED 和电源应用驱动,未来的增长动力主要为电源、激光器、MEMS、Mini/Micro LED 和射频器件。
  分设备看,等离子体 CVD 设备市场规模最大。根据 Gartner,等离子体 CVD 设备市场规模最大,占比 33%,溅射 PVD、管式 CVD、非管式 CVD 和 ALD 等设备占比分别为 19%、12%、11%和 11%。全球薄膜生 长设备市场主要被 AMAT、LAM 和 TEL 等厂商主导。CVD 设备方面,AMAT、LAM、TEL 和日立国际电气四 家厂商市占率达 84%。PVD 设备方面,应用材料遥遥领先,独占 74%的市场份额。其他薄膜生长设备方面, 应用材料和泛林半导体两家合计市占率达 53%,国内厂商中微半导体占有 7%的市场份额,主要生产 MOCVD。
  MOCVD 设备市场规模在 6-12 亿美元之间,中国是最大的需求市场。根据高工 LED,2015 年至 2017 年中国 MOCVD 设备保有量从 1222 台增至 1718 台,年均复合增长 18%;截止 2018 年,国内 MOCVD 保有 量达 1938 台。中国已成全球 MOCVD 设备最大的需求市场,设备保有量占全球比例已超 40%,据此估计全 球的MOCVD设备需求量在4300台以上。根据Technavio,全球MOCVD市场CAGR将在2021年之前达14%, 市场规模将从2016年的6.15亿美元增长至2021年的11.63亿美元,驱动力为LED显示背光和高功率器件。
  美国 Veeco、德国 AIXTRON、日本 NIPPON Sanso 和 Nissin Electric 是起步较早的 MOCVD 设备供应商, 由于日本对 MOCVD 设备实行出口限制政策,全球市场基本被 AIXTRON 和 Veeco 垄断,其市占率分别为 46% 和 27%,中微公司也占有 24%市占率,上升势头显著,其他涉足 MOCVD 设备的企业还有中晟光电等。
  薄膜沉积设备国产化率整体较低,PVD 设备较 CVD 设备国产化率高。以长江存储 30k 产能产线招标为 例,CVD 设备方面国产化率很低,仅沈阳拓荆中标 3 台 PECVD,占比 4%;PVD 设备方面,北方华创中标阻 挡层 PVD 3 台,占比 18%,,中标铝垫 PVD 3 台,占比 100%。而从华力集成、华虹无锡厂和积塔半导体产 线的设备招标情况看,薄膜沉积设备的国产化率分别为 6%、16%和 33%。整体来看,CVD 设备的国产化率 约为 2%-5%,PVD 设备的国产化率约为 10%-15%,国产化率仍比较低。

  国内厂商中,已有中微半导体、北方华创、沈阳拓荆和中晟光电等在细分领域可实现国产替代。(略)
  2.4 热处理环节:12 寸产线国产化率较低,6-8 寸线基本可实现自给
  在集成电路制造工艺中,扩散工艺是向硅材料掺杂的传统方法,工艺简单,扩散快,但浓度分布控制 困难;另一种方法是通过离子注入工艺将杂质离子注入圆片表层区域进行掺杂,重复性较好,可选择杂质种类多,掺杂剂量控制准确,但设备昂贵,存在注入损伤。两种方法各有利弊,有各自应用场景。
  1)扩散工艺:是向硅材料中引入杂质的传统方法,用于控制圆片衬底中主要载流子的类型、浓度和 分布区域,进而控制衬底的导电性和导电类型。传统的扩散设备主要为卧式扩散炉和立式扩散炉。与离子 注入工艺(低温工艺)不同,扩散工艺为高温工艺(热处理工艺),优点是扩散设备简单、设备成本低、 扩散速率快、掺杂浓度高等;缺点是扩散温度高,扩散浓度分布控制困难,难以实现选择性扩散。卧式扩散炉:是一种大量用于直径小于 200mm 的集成电路扩散工艺的热处理设备,特点是加热炉体、 反应管及承载晶圆的石英舟均成水平放置。优点是片间均匀性较好,广泛应用于分立器件、电力电子、光 电器件和光导纤维等行业的扩散、氧化、退火、合金等工艺;缺点是不能精确控制掺杂浓度的分布,因而 直径 200mm 以上晶圆的扩散工艺逐步被离子注入机取代,但仍少量用于重掺杂工艺。卧式扩散炉可装备 1-5 个工艺炉管,炉管越多,产能越大,超净间的利用效率越高。
  立式扩散炉:是一种用于直径 200mm和300mm的集成电路扩散工艺的热处理设备,特点是加热炉体、 反应管及承载晶圆的石英舟均成垂直放置。优点是片内均匀性好、自动化程度高、系统性能稳定,可满足 大规模集成电路生产线的需求,也常用于电力电子(如 IGBT)领域。立式扩散炉的核心技术主要集中在高 精度温度场控制、颗粒控制、微环境微氧控制、系统自动化控制、先进工艺控制及工厂自动化等,其技术 指标与卧式扩散炉差别不大。

  2)退火工艺及退火炉:用于氧化、扩散、外延、离子注入、蒸发电极等工艺完成后特定的退火热处理, 主要为了消除晶格缺陷、晶格损伤、除氧/杂质、清洗表面吸附物质、改善表面粗糙度等。退火可分为快速 退火、激光退火和传统炉式退火。传统的管式退火炉应用于小尺寸(直径数字模拟器件>逻 辑芯片;(2)制程上,特色工艺>成熟制程(28nm 及以上)>先进制程;(3)尺寸上,4-6 寸>8 寸> 12 寸。
  从技术水平看,刻蚀/镀膜/清洗/CMP/热处理等设备的国产化水平较高,在先进的 28/14nm 晶圆线和 存储线批量应用,份额逐年提升,基本超过 15%;而光刻、涂胶显影、离子注入、量测设备、测试分选等 环节相较国际水平有一定差距,但也有份额突破,不超过 5%。国产光刻机目前最高到 90nm 节点,在功率 等特色工艺线有所突破;离子注入在光伏及 45-22nm 低能大束流方面取得突破;量测设备主要集中在膜厚 等关键尺寸测量上。而其他封测设备如探针台、测试机、分选机等在数字芯片等先进应用上仍有差距。
  大陆半导体进口替代正加速,建议关注:北方华创(刻蚀/镀膜/热处理/清洗)、中微公司(刻蚀/镀膜)、 盛美(清洗)、至纯科技(高纯工艺/清洗) 、上海微电子(光刻机)、华海清科/中科信(CMP)、中电 48 所 /万业企业(离子注入)、屹唐(刻蚀/热处理/去胶)、 沈阳拓荆(PECVD)、 芯源微(涂胶显影/去胶/清洗) 、 上海精测/上海睿励(过程控制测试)、长川科技/华峰测控/华兴源创(测试分选)、晶盛机电(硅片长晶) 。
  ……
  (报告观点属于原作者,仅供参考。报告来源:中信建投)


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