半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)深度研究報告
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- 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈解析
- 產(chǎn)業(yè)格局不斷變化，中國或?qū)⒊蔀楫a(chǎn)業(yè)重心
- 半導(dǎo)體設(shè)備市場再創(chuàng)新高，國產(chǎn)化替代空間廣闊
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈解析
半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體產(chǎn)品按照功能區(qū)分可以分為集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器等四大類。其中集成電路是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心，根據(jù)WSTS數(shù)據(jù)，2020年集成電路市場規(guī)模占到了半導(dǎo)體市場的82%。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈可按照主要生產(chǎn)過程進行劃分，整體可分為上游、中游、下游。以半導(dǎo)體中占比最高的集成電路產(chǎn)業(yè)為例：
- 上游包括半導(dǎo)體材料、生產(chǎn)設(shè)備、EDA、IP核。EDA，即電子設(shè)計自動化，主要包括設(shè)計工具和設(shè)計軟件。IP核提供已經(jīng)完成邏輯設(shè)計或物理設(shè)計的芯片功能模塊，通過授權(quán)允許客戶將其集成在IC設(shè)計中。
- 中游包括設(shè)計、制造、封測三大環(huán)節(jié)。
- 下游主要為半導(dǎo)體應(yīng)用，主要包括3C電子、醫(yī)療、通信、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全、汽車、新能源、工業(yè)等。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)運作的兩種模式：IDM和垂直分工模式
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)運作主要有兩種模式，即IDM模式和垂直分工模式。如前文所述，半導(dǎo)體整個制造過程主要包括芯片設(shè)計、晶圓制造和封裝測試三大環(huán)節(jié)。IDM模式，即由一個廠商獨立完成芯片設(shè)計、制造和封裝三大環(huán)節(jié)，英特爾和三星是全球最具代表性的IDM企業(yè)。另一種模式為垂直分工模式，即Fabless（無晶圓制造的設(shè)計公司）+Foundry（晶圓代工廠）+OSAT（封裝測試企業(yè)）。
- Fabless是指專注于芯片設(shè)計業(yè)務(wù)，只負(fù)責(zé)芯片的電路設(shè)計與銷售，將生產(chǎn)、測試、封裝等環(huán)節(jié)外包的設(shè)計企業(yè)，代表企業(yè)有高通、英偉達、AMD等。
- Foundry即晶圓代工廠，指只負(fù)責(zé)制造、封測的一個或多個環(huán)節(jié)，不負(fù)責(zé)芯片設(shè)計，可以同時為多家設(shè)計公司提供服務(wù)的企業(yè)，代表企業(yè)有臺積電、中芯國際等。
- OSAT指專門從事半導(dǎo)體封裝和測試的企業(yè)。
在臺積電成立以前，半導(dǎo)體行業(yè)只有IDM一種模式。IDM模式的優(yōu)勢在于資源的內(nèi)部整合優(yōu)勢，以及具有較高的利潤率。IDM模式貫穿整個半導(dǎo)體生產(chǎn)流程，不存在工藝流程對接問題，新產(chǎn)品從開發(fā)到面市的時間較短，且因為覆蓋前端的IC設(shè)計和末端的品牌營銷環(huán)節(jié)，具有較高的利潤率水平。但其公司規(guī)模龐大、管理成本和運營費用較高，同時半導(dǎo)體生產(chǎn)需要龐大的資本支出，使得行業(yè)內(nèi)只有極大的幾家IDM企業(yè)能夠生存。
半導(dǎo)體制造業(yè)具有明顯的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，擴大規(guī)?？梢燥@著降低單位產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)競爭力，降低產(chǎn)品價格，垂直分工模式應(yīng)運而生。
- 一方面，垂直分工模式使得Fabless投資規(guī)模較小，運行費用較低，因此涌現(xiàn)出了大量的優(yōu)質(zhì)的芯片設(shè)計企業(yè)。
- 另一方面，F(xiàn)oundry能夠最大化的利用產(chǎn)能，提高資本支出的收益率。但垂直分工模式可能會因芯片設(shè)計和生產(chǎn)無法順利協(xié)同，導(dǎo)致芯片從設(shè)計到面市的時間過長，給芯片設(shè)計廠商造成損失。
硅片制造
半導(dǎo)體設(shè)備主要應(yīng)用在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的晶圓制造和封裝測試環(huán)節(jié)。硅片制造是半導(dǎo)體制造的第一大環(huán)節(jié)，硅片制造主要通過硅料提純、拉晶、整型、切片、研磨、刻蝕、拋光、清洗等工藝將硅料制造成硅片，然后提供給晶圓加工廠。
半導(dǎo)體工業(yè)中有兩種常用方法生產(chǎn)單晶硅，即直拉單晶制造法（CZ法）和懸浮區(qū)熔法（FZ法）。CZ法是硅片制造常用的方法，它較FZ法有較多優(yōu)點，例如只有CZ法能夠做出直徑大于200mm的晶圓，并且它的價格較為便宜。CZ法的原理是將多晶硅硅料置于坩堝中，使用射頻或電阻加熱線圈加熱熔化，待溫度超過硅的熔點溫度后，將籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、轉(zhuǎn)肩等徑等步驟，完成一根單晶硅棒的拉制。單晶生長爐是生產(chǎn)單晶硅的主要半導(dǎo)體設(shè)備。目前全球的單晶生長爐主要由美國Kayex、德國PVATePla、日本Ferrotec等企業(yè)供應(yīng)，國內(nèi)的單晶生長爐企業(yè)主要包括晶盛機電、南京晶能、連城數(shù)控等。
單晶硅棒完成后，還需要經(jīng)過一系列加工才能得到硅片成品，主要涉及的半導(dǎo)體設(shè)備有切片機、研磨機、濕法刻蝕機、清洗機、拋光機和量測機。目前上述硅片加工設(shè)備主要由日本、德國和美國廠商提供，國內(nèi)僅有晶盛機電等少數(shù)廠家推出了部分硅片加工設(shè)備，市場占有率較低。
晶圓制造
晶圓制造是半導(dǎo)體制造過程中最重要也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，整個晶圓制造過程包括數(shù)百道工藝流程，涉及數(shù)十種半導(dǎo)體設(shè)備。晶圓制造主要的工藝流程包括熱處理、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機械研磨和清洗。
1.熱處理工藝：熱處理主要包括氧化、擴散和退火工藝。
- 氧化是一種添加工藝，是將硅片放入高溫爐中，加入氧氣與之反應(yīng)，在晶圓表面形成二氧化硅。
- 擴散是通過分子熱運動使物質(zhì)由高濃度區(qū)移向低濃度區(qū)，利用擴散工藝可以在硅襯底中摻雜特定的摻雜物，從而改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電率，但與離子注入相比擴散摻雜不能獨立控制摻雜物濃度和結(jié)深，因此現(xiàn)在應(yīng)用越來越少。
- 退火是一種加熱過程，通過加熱使晶圓產(chǎn)生特定的物理和化學(xué)變化，并在晶圓表面增加或移除少量物質(zhì)。
熱處理工藝使用的半導(dǎo)體設(shè)備為氧化擴散設(shè)備，其實質(zhì)為高溫爐。高溫爐分為直立式和水平式高溫爐，高溫爐主要包括五個基本組件：控制系統(tǒng)、工藝爐管、氣體輸送系統(tǒng)、氣體排放系統(tǒng)和裝載系統(tǒng)。高溫爐必須具有穩(wěn)定性、均勻性、精確的溫度控制、低微粒污染、高生產(chǎn)率和可靠性。
氧化擴散設(shè)備主要由東京電子、科意半導(dǎo)體和應(yīng)用材料供應(yīng)，國內(nèi)的氧化擴散設(shè)備生產(chǎn)商主要包括北方華創(chuàng)和屹唐半導(dǎo)體。從長江存儲的招標(biāo)情況來看，氧化擴散設(shè)備還是以國外廠商設(shè)備為主，國內(nèi)廠商北方華創(chuàng)市占率逐年上升，截至今年10月，從設(shè)備數(shù)量來看，北方華創(chuàng)熱處理設(shè)備在長江存儲的占比已經(jīng)超過了30%，屹唐半導(dǎo)體占比1%。
2.光刻工藝：光刻是將設(shè)計好的電路圖從光刻版或倍縮光刻版轉(zhuǎn)印到晶圓表面的光刻膠上，便于后續(xù)通過刻蝕和離子注入等工藝實現(xiàn)設(shè)計電路，是晶圓制造中最重要的技術(shù)。
光刻工藝包括三個核心流程：涂膠、對準(zhǔn)和曝光以及光刻膠顯影。整個光刻過程需要經(jīng)過八道工序：晶圓清洗、表面預(yù)處理、光刻膠自旋涂敷、軟烘烤、對準(zhǔn)、曝光、曝光后烘烤、顯影、堅膜烘烤和圖形檢測。
光刻工藝流程中最核心的半導(dǎo)體設(shè)備是光刻機，光刻機是半導(dǎo)體設(shè)備中技術(shù)壁壘最高的設(shè)備，其研發(fā)難度大，價值量占晶圓制造設(shè)備中的30%。目前全球的高端光刻機由荷蘭ASML公司壟斷，ASML是全球最大的光刻機生產(chǎn)商，是全球唯一能夠生產(chǎn)EUV光刻機的廠商，EUV光刻機是先進制程工藝中的核心設(shè)備。中低端光刻機除ASML外，還有日本的Canon和Nikon可以供應(yīng)。
目前國內(nèi)具備光刻機生產(chǎn)能力的企業(yè)主要是上海微電子裝備有限公司。上海微電子裝備(集團)股份有限公司(簡稱SMEE)主要致力于半導(dǎo)體裝備、泛半導(dǎo)體裝備、高端智能裝備的開發(fā)、設(shè)計、制造、銷售及技術(shù)服務(wù)。公司設(shè)備廣泛應(yīng)用于集成電路前道、先進封裝、FPD面板、MEMS、LED、PowerDevices等制造領(lǐng)域。
在集成電路領(lǐng)域，上海微電子產(chǎn)品主要包括光刻機和晶圓對準(zhǔn)及缺陷檢測設(shè)備。公司的光刻機產(chǎn)品有SSX600和SSB500兩個系列，其中SSX600系列主要應(yīng)用于IC前道光刻工藝，可滿足IC前道制造90nm、110nm、280nm關(guān)鍵層和非關(guān)鍵層的光刻工藝需求；SSB500系列光刻機主要應(yīng)用于IC后道先進封裝工藝。
除上海微電子生產(chǎn)光刻機整機以外，國內(nèi)還有華卓精科和國科精密從事光刻機零部件的研發(fā)和生產(chǎn)。華卓精科以光刻機雙工件臺這一超精密機械領(lǐng)域的尖端產(chǎn)品為核心，并以該產(chǎn)品的超精密測控技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了晶圓級鍵合設(shè)備、激光退火設(shè)備等整機產(chǎn)品。
國科精密致力于極大規(guī)模集成電路光刻投影光學(xué)、顯微光學(xué)、多光譜融合成像探測、超精密光機制造與檢測等領(lǐng)域的高技術(shù)研究，同時開展相應(yīng)各類高端光學(xué)儀器與裝備產(chǎn)品的研發(fā)工作，2016年公司研發(fā)的我國首套用于高端IC制造的NA0.75投影光刻機物鏡系統(tǒng)順利交付用戶。
光刻工序所使用的半導(dǎo)體設(shè)備除了核心設(shè)備光刻機外，還需要涂膠顯影設(shè)備。涂膠顯影設(shè)備是光刻工序中與光刻機配套使用的涂膠、烘烤及顯影設(shè)備，包括涂膠機、噴膠機和顯影機，在8英寸及以上晶圓的大型生產(chǎn)線上，此類設(shè)備一般都與光刻設(shè)備聯(lián)機作業(yè)，組成配套的圓片處理與光刻生產(chǎn)線，與光刻機配合完成精細的光刻工藝流程。全球的涂膠顯影設(shè)備基本上被TEL壟斷，國內(nèi)涂膠顯影設(shè)備廠有沈陽芯源微和盛美股份。
3.刻蝕工藝:
刻蝕是通過移除晶圓表面材料，在晶圓上根據(jù)光刻圖案進行微觀雕刻，將圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面的工藝?？涛g分為濕法刻蝕和干法刻蝕，濕法刻蝕是利用化學(xué)溶液溶解晶圓表面的材料，干法刻蝕使用氣態(tài)化學(xué)刻蝕劑與材料產(chǎn)生反應(yīng)來刻蝕材料并形成可以從襯底上移除的揮發(fā)性副產(chǎn)品。
由于等離子體產(chǎn)生促進化學(xué)反應(yīng)的自由基能顯著增加化學(xué)反應(yīng)的速率并加強化學(xué)刻蝕，等離子體同時也會造成晶圓表面的離子轟擊，故干法刻蝕一般都是采用等離子刻蝕。集成電路芯片刻蝕工藝中包含多種材料的刻蝕，單晶硅刻蝕用于形成淺溝槽隔離，多晶硅刻蝕用于界定柵和局部連線，氧化物刻蝕界定接觸窗和金屬層間接觸窗孔，金屬刻蝕主要形成金屬連線。
目前等離子刻蝕是晶圓制造中使用的主要刻蝕方法，電容性等離子刻蝕和電感性等離子刻蝕是兩種常用的等離子刻蝕方法。
- 電容性等離子體刻蝕主要是以高能離子在較硬的介質(zhì)材料上，刻蝕高深寬比的深孔、深溝等微觀結(jié)構(gòu)；
- 而電感性等離子體刻蝕主要是以較低的離子能量和極均勻的離子濃度刻蝕較軟的和較薄的材料。
原子層刻蝕是指通過一系列的自限制反應(yīng)去除單個原子層，不會觸及和破壞底層以及周圍材料的先進半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝。原子層刻蝕可以實現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，具有優(yōu)秀的各向異性，是未來刻蝕工藝的發(fā)展方向。
刻蝕工藝使用的半導(dǎo)體設(shè)備為刻蝕機。全球刻蝕設(shè)備行業(yè)的主要企業(yè)即泛林半導(dǎo)體，東京電子和應(yīng)用材料三家。從全球刻蝕設(shè)備市場份額來看，三家企業(yè)的合計市場份額就占到了全球刻蝕設(shè)備市場的90%以上。其中泛林半導(dǎo)體獨占52%的市場份額，東京電子與應(yīng)用材料分別占據(jù)20%和19%的市場份額。
國內(nèi)的刻蝕設(shè)備企業(yè)主要有中微公司、北方華創(chuàng)、屹唐半導(dǎo)體和中電科。其中，中微公司、北方華創(chuàng)和屹唐半導(dǎo)體均以生產(chǎn)干法刻蝕設(shè)備為主，中電科除了生產(chǎn)干法刻蝕設(shè)備以外還生產(chǎn)濕法刻蝕設(shè)備。除上述企業(yè)外，國內(nèi)還有創(chuàng)世微納、芯源微和華林科納等企業(yè)生產(chǎn)刻蝕設(shè)備。
國內(nèi)刻蝕設(shè)備生產(chǎn)商中，中微公司在CCP刻蝕領(lǐng)域具備明顯優(yōu)勢。在邏輯集成電路制造方面，公司的CCP刻蝕設(shè)備已經(jīng)進入國際知名晶圓代工廠的先進制程生產(chǎn)線，用于7/5納米器件的生產(chǎn)。在3DNAND芯片制造方面，公司的CCP刻蝕設(shè)備技術(shù)可應(yīng)用于64層的量產(chǎn)，同時公司根據(jù)存儲器廠商的需求正在開發(fā)96層及更先進的刻蝕設(shè)備和工藝。
北方華創(chuàng)主要覆蓋ICP刻蝕設(shè)備，公司ICP刻蝕設(shè)備主要用于硅刻蝕和金屬材料的刻蝕，28nm制程以上刻蝕設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在先進制程方面，公司硅刻蝕設(shè)備已經(jīng)突破14nm技術(shù)，進入上海集成電路研發(fā)中心，與客戶共同開展研發(fā)工作。
4.離子注入工藝：離子注入是一種添加工藝，利用高能量帶電離子束注入的形式，將摻雜原子強行摻入半導(dǎo)體中，從而控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電率。離子注入提供了比擴散過程更好的摻雜工藝控制，例如在擴散工藝中摻雜物的濃度和結(jié)深無法獨立控制，而在離子注入中可以通過離子束電流和注入時間控制摻雜物濃度，通過離子的能量控制摻雜物的結(jié)深，因此離子注入是目前半導(dǎo)體行業(yè)中的主要摻雜方法。
離子注入所使用的半導(dǎo)體設(shè)備為離子注入機，離子注入機是非常龐大的設(shè)備，包括了氣體系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和最重要的射線系統(tǒng)。根據(jù)離子束電流和束流能量范圍，一般可以把離子注入機分為低能大束流離子注入機、高能離子注入機和中低束離子注入機。
離子注入機可以應(yīng)用在集成電路和光伏領(lǐng)域。在集成電路領(lǐng)域，全球的離子注入機為應(yīng)用材料所壟斷，其市場占有率達到了70%，其次為Axcelis，占據(jù)了近20%的市場份額。國內(nèi)的離子注入機生產(chǎn)企業(yè)主要是凱世通和北京中科信，2020年12月凱世通宣布擬向芯成科技出售3款12英寸集成電路離子注入機，國產(chǎn)離子注入機邁出了關(guān)鍵一步。
5.薄膜沉積工藝：薄膜沉積是一種添加工藝，是指利用化學(xué)方法或物理方法在晶圓表面沉積一層電介質(zhì)薄膜或金屬薄膜，根據(jù)沉積方法可以分為化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積。
CVD是利用氣態(tài)化學(xué)源材料在晶圓表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)過程，在表面沉積一種固態(tài)物作為薄膜層。CVD廣泛應(yīng)用在晶圓制造的沉積工藝中，包括外延硅沉積、多晶硅沉積、電介質(zhì)薄膜沉積和金屬薄膜沉積。常用的化學(xué)氣相沉積工藝包括常壓化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積和離子增強型化學(xué)氣相沉積。
APCVD主要應(yīng)用在二氧化硅和氮化硅的沉積，LPCVD主要應(yīng)用于多晶硅、二氧化硅及氮化硅的沉積。PECVD通過等離子產(chǎn)生的自由基來增加化學(xué)反應(yīng)速度，可以利用相對較低的溫度達到較高的沉積速率，廣泛應(yīng)用于氧化硅、氮化硅、低k、ESL和其他電介質(zhì)薄膜沉積。
CVD工藝使用的半導(dǎo)體設(shè)備是化學(xué)氣相沉積設(shè)備，全球的化學(xué)氣相沉積設(shè)備市場主要由應(yīng)用材料、泛林半導(dǎo)體和東京電子所壟斷，CR3為70%。從CVD設(shè)備種類來看，PECVD、APCVD和LPCVD三類CVD設(shè)備合計市場份額約占總市場份額的70%，仍舊是CVD設(shè)備市場的主流。
集成電路領(lǐng)域的國產(chǎn)CVD設(shè)備生產(chǎn)商主要有北方華創(chuàng)和沈陽拓荊。北方華創(chuàng)主要生產(chǎn)APCVD設(shè)備和LPCVD設(shè)備，沈陽拓荊則以PECVD為主，根據(jù)中國國際招標(biāo)網(wǎng)數(shù)據(jù)，沈陽拓荊已有3臺PECVD設(shè)備進入長江存儲。
原子層沉積是一種可以將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層的鍍在基底表面的方法。原子層沉積與普通的化學(xué)沉積有相似之處。但在原子層沉積過程中，新一層原子膜的化學(xué)反應(yīng)是直接與之前一層相關(guān)聯(lián)的，這種方式使每次反應(yīng)只沉積一層原子。ALD工藝可以更加精確控制薄膜的尺寸，對于DRAM，3DNAND和邏輯FinFET制造中越來越重要，可能成為未來薄膜沉積的核心工藝。
目前ALD設(shè)備尚未在集成電路行業(yè)中大規(guī)模使用，應(yīng)用材料、泛林半導(dǎo)體和東京電子都已經(jīng)推出了ALD設(shè)備，國內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)商在ALD設(shè)備方面也有布局。北方華創(chuàng)推出的ALD設(shè)備可以滿足28-14nmFinFET和3DNAND原子層沉積工藝要求，目前正處于驗證階段。
沈陽拓荊在已通過生產(chǎn)驗證的PECVD平臺上自主研發(fā)了原子層沉積設(shè)備，可應(yīng)用于超大規(guī)模集成電路，OLED及先進封裝領(lǐng)域。
物理氣相沉積是另一種重要的薄膜沉積工藝，PVD是通過加熱或濺射過程將固態(tài)材料氣態(tài)化，然后使蒸汽在襯底表面凝結(jié)形成固態(tài)薄膜，常用的PVD工藝有蒸發(fā)工藝和濺鍍工藝。
PVD工藝使用的半導(dǎo)體設(shè)備為PVD設(shè)備，全球PVD設(shè)備市場基本上為應(yīng)用材料所壟斷，其市場份額高達85%，其次為Evatec和Ulvac，市場份額分別為6%和5%。
國內(nèi)在集成電路領(lǐng)域的PVD生產(chǎn)商主要為北方華創(chuàng)。北方華創(chuàng)突破了濺射源設(shè)計技術(shù)、等離子產(chǎn)生與控制技術(shù)、顆?？刂萍夹g(shù)、腔室設(shè)計與仿真模擬技術(shù)、軟件控制技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了國產(chǎn)集成電路領(lǐng)域高端薄膜制備設(shè)備零的突破，設(shè)備覆蓋了90-14nm多個制程。根據(jù)公司官網(wǎng)消息，公司PVD設(shè)備被國內(nèi)先進集成電路芯片制造企業(yè)指定為28nm制程Baseline機臺，并成功進入國際供應(yīng)鏈體系。
6.化學(xué)機械研磨工藝：化學(xué)機械研磨是一種移除工藝技術(shù)，該工藝結(jié)合化學(xué)反應(yīng)和機械研磨去除沉積的薄膜，使得晶圓表面更加平坦和光滑。CMP技術(shù)有多種優(yōu)勢，例如CMP允許高解析度的光刻技術(shù)，可以減小過度曝光和顯影的需求，允許更均勻的薄膜沉積從而減小刻蝕的時間。
CMP工藝使用的半導(dǎo)體設(shè)備是化學(xué)機械研磨機。常見的CMP系統(tǒng)包括研磨襯墊、可以握住晶圓并使其表面向下接觸研磨襯墊的自旋晶圓載具，以及一個研磨漿輸配器裝置。
全球CMP設(shè)備市場主要由應(yīng)用材料和荏原機械壟斷，其中應(yīng)用材料占據(jù)了全球70%的市場份額，荏原機械的市占率為25%。國內(nèi)CMP設(shè)備的主要研發(fā)生產(chǎn)單位有華海清科和北京爍科精微電子裝備有限公司，其中華海清科是目前國內(nèi)唯一實現(xiàn)12英寸系列CMP設(shè)備量產(chǎn)銷售的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，打破了國際廠商的壟斷，填補國內(nèi)空白并實現(xiàn)進口替代。
7.清洗：清洗是貫穿晶圓制造的重要工藝環(huán)節(jié)，用于去除晶圓制造中各工藝步驟中可能存在的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)影響芯片良率和芯片產(chǎn)品性能。目前，隨著芯片制造工藝先進程度的持續(xù)提升，對晶圓表面污染物的控制要求不斷提高，每一步光刻、刻蝕、沉積等重復(fù)性工序后，都需要一步清洗工序。清洗不僅應(yīng)用于晶圓制造，在硅片制造和封裝測試過程中也必不可少。
在全球清洗設(shè)備市場，日本DNS公司占據(jù)40%以上的市場份額，此外，TEL、LAM等也在行業(yè)占據(jù)了較高的市場份額，市場集中度較高。國內(nèi)的清洗設(shè)備領(lǐng)域主要有盛美半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)、芯源微、至純科技。其中：
- 盛美半導(dǎo)體主要產(chǎn)品為集成電路領(lǐng)域的單片清洗設(shè)備；北方華創(chuàng)收購美國半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)商之后主要產(chǎn)品為單片及槽式清洗設(shè)備；
- 芯源微產(chǎn)品主要應(yīng)用于集成電路制造領(lǐng)域的單片式刷洗領(lǐng)域；
- 至純科技具備生產(chǎn)8-12英寸高階單晶圓濕法清洗設(shè)備和槽式濕法清洗設(shè)備的相關(guān)技術(shù)。
測試與封裝
1.測試：半導(dǎo)體測試貫穿了半導(dǎo)體整個產(chǎn)業(yè)鏈，芯片設(shè)計、晶圓制造以及最后的芯片封裝環(huán)節(jié)都需要進行相應(yīng)的測試，以保證產(chǎn)品的良率。
芯片設(shè)計環(huán)節(jié)的測試主要是設(shè)計商使用測試機、探針臺和分選機對晶圓樣品和芯片封裝樣品的功能和性能進行測試。晶圓制造環(huán)節(jié)的測試包括晶圓幾何尺寸與表面形貌的檢測、成分結(jié)構(gòu)分析以及電性測試。封裝測試環(huán)節(jié)主要是通過分選機和測試機對芯片的電性參數(shù)及性能等進行測試，以保證出廠后的芯片在性能和壽命方面達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
測試環(huán)節(jié)主要使用的半導(dǎo)體設(shè)備是測試機、分選機和探針臺。測試機是檢測芯片功能和性能的專用設(shè)備，測試機對芯片施加輸入信號，采集被檢測芯片的輸出信號與預(yù)期值進行比較，判斷芯片在不同工作條件下功能和性能的有效性。
全球測試機市場被愛德萬、泰瑞達和科休壟斷，三者市場占有率分別為50%，40%和8%。國內(nèi)測試機生產(chǎn)商主要有華峰測控和長川科技。華峰測控和長川科技專注于模擬測試機和數(shù)字模擬混合測試機，其中華峰測控在國內(nèi)模擬測試機市占率接近60%。我國測試機市場中占市場主要份額的為存儲測試機和SOC測試機，市場份額分別為43.8%和23.5%。
探針臺和分選機是將芯片的引腳與測試機的功能模塊連接起來并實現(xiàn)批量自動化測試的專用設(shè)備。探針臺用于晶圓加工之后、封裝工藝之前的CP測試環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)晶圓的輸送與定位，使晶圓上的晶粒依次與探針接觸并逐個測試。分選機負(fù)責(zé)將輸入的芯片按照系統(tǒng)設(shè)計的取放方式運輸?shù)綔y試模塊完成電路壓測，在此步驟內(nèi)分選機依據(jù)測試結(jié)果對電路進行取舍和分類。
半導(dǎo)體探針臺設(shè)備行業(yè)集中度較高，目前主要由東京精密、東京電子兩家壟斷，兩個公司共計占據(jù)全球約70%的市場份額。臺灣惠特、臺灣旺矽等也占有較大的市場份額，特別是在LED探針臺領(lǐng)域具有優(yōu)勢。國內(nèi)最大的探針臺生產(chǎn)企業(yè)是深圳矽電，長川科技、中電科45所也具備探針臺生產(chǎn)能力。
分選機按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為三大類別，即重力式分選機、轉(zhuǎn)塔式分選機、平移拾取和放置式分選機。全球分選機市場由愛德萬、科休、愛普生三家企業(yè)所壟斷，國內(nèi)的分選機生產(chǎn)商主要有長川科技。
2.封裝：封裝是將芯片在基板上布局、固定及連接，并用可塑性絕緣介質(zhì)灌封形成電子產(chǎn)品的過程，目的是保護芯片免受損傷，保證芯片的散熱性能，以及實現(xiàn)電能和電信號的傳輸，確保系統(tǒng)正常工作。封裝設(shè)備主要有切割減薄設(shè)備、引線機、鍵合機、分選測試機等。
目前封裝設(shè)備主要由國外企業(yè)壟斷，全球封裝設(shè)備主要由ASMPacific、K&S、Shinkawa、Besi等國外企業(yè)壟斷，國內(nèi)具備封裝設(shè)備制造能力的企業(yè)主要有中電科45所、艾科瑞斯和大連佳峰。
產(chǎn)業(yè)格局不斷變化，中國或?qū)⒊蔀楫a(chǎn)業(yè)重心
行業(yè)進入新一輪上升周期
半導(dǎo)體行業(yè)每一次進入上升周期都是由下游需求驅(qū)動?；仡櫚雽?dǎo)體行業(yè)的發(fā)展歷史可以看出，每當(dāng)下游出現(xiàn)技術(shù)升級或產(chǎn)品迭代時，市場對于半導(dǎo)體的需求將進入上升周期。
- 在80到90年代，家用電器的普及以及計算機在商業(yè)領(lǐng)域的滲透推動了行業(yè)的成長；
- 90年代到本世紀(jì)初，家用電腦及筆記本電腦的普及帶來了行業(yè)成長的新動力；
- 2013年到2018年，智能手機和平板電腦等消費電子推動了行業(yè)新一輪繁榮，但2019年消費電子的驅(qū)動已經(jīng)出現(xiàn)乏力，半導(dǎo)體行業(yè)出現(xiàn)了短暫的回落。
新的技術(shù)和產(chǎn)品將帶來行業(yè)驅(qū)動力，半導(dǎo)體行業(yè)或?qū)⑦M入上升周期。5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及汽車電子等新技術(shù)和新產(chǎn)品的應(yīng)用，將帶來龐大的半導(dǎo)體市場需求，行業(yè)將進入新一輪的上升周期。
根據(jù)WSTS預(yù)測，2020年全球半導(dǎo)體銷售額將達4330億美元，同比增長5.9%，2021年半導(dǎo)體銷售額將達4690億美元，同比增長8.3%。我們預(yù)測2022和2023年半導(dǎo)體市場將繼續(xù)增長，2023年全球市場規(guī)模將達到5010億美元。
全球產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，中國市場高速成長
半導(dǎo)體經(jīng)歷過兩次大的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)60年代發(fā)源于美國，美國作為半導(dǎo)體發(fā)源地，在產(chǎn)品和技術(shù)方面一直保持著全球領(lǐng)先水平。
- 第一次轉(zhuǎn)移發(fā)生于20世紀(jì)80年代，美國將技術(shù)和利潤較低的封測剝離，轉(zhuǎn)移到日本地區(qū)，日本借助美國的技術(shù)支持，逐步完善半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，并在PC和家電等領(lǐng)域趕超，造就了日本東芝和日本日立等知名企業(yè)。
- 第二次是20世紀(jì)90年代，隨著PC產(chǎn)業(yè)升級，DRAM技術(shù)不斷提升，而日本由于經(jīng)濟危機無法支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展，韓國借此機會對DRAM技術(shù)和產(chǎn)能不斷投入，確立了其在PC半導(dǎo)體領(lǐng)域的地位。臺灣把握住了美日半導(dǎo)體從IDM模式轉(zhuǎn)向垂直分工模式的機會，大力發(fā)展了以臺積電為代表的晶圓代工產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)鏈占據(jù)了重要的位置。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在進行第三次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移。中國是全球最大的半導(dǎo)體消費市場，同時也是全球最大的半導(dǎo)體進口國，龐大的市場需求為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了前提。
2010年以來，中國一方面憑借低勞動力成本的優(yōu)勢，一方面不斷引進半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)先進技術(shù)，同時加大半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)，逐步承接了半導(dǎo)體低端封測和晶圓制造業(yè)務(wù)，完成了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的原始積累。隨著全球電子化進程的開展，下游產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，不斷推動中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)興旺。
2019年我國半導(dǎo)體銷售額約占全球市場的35%。在過去十年的半導(dǎo)體景氣周期中，以手機為主的消費電子成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動因素，中國在經(jīng)濟高速發(fā)展和巨大的人口基數(shù)作用下，成為全球第一大消費電子市場。
據(jù)全球半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織數(shù)據(jù)，2014~2019年中國占全球半導(dǎo)體消費市場的份額逐年提升中國，2019年半導(dǎo)體銷售額達到1441億美元，占全球市場份額的35%。隨著5G、汽車電子等下游應(yīng)用在中國迅速興起，中國將有望成為全球半導(dǎo)體市場的重心。
中國半導(dǎo)體市場仍舊存在供需錯配。雖然中國已經(jīng)成為全球最大的半導(dǎo)體消費國，但中國的半導(dǎo)體生產(chǎn)能力還遠遠不能匹配中國市場的巨大需求，晶圓產(chǎn)能仍舊有待提升。當(dāng)前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)仍舊由外資主導(dǎo)，無論是半導(dǎo)體設(shè)計還是半導(dǎo)體制造，中國企業(yè)的市占率仍舊很低。從晶圓制造產(chǎn)能來看，全球TOP5晶圓制造商均為外資企業(yè)，占據(jù)了全球超過50%的產(chǎn)能份額。
中國大陸封測產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備一定實力。中國憑借低廉的勞動力，首先承接了對勞動力需求較大技術(shù)要求較低的半導(dǎo)體封測業(yè)務(wù)。目前，中國大陸封測環(huán)節(jié)在全球已經(jīng)具備一定的競爭力，根據(jù)拓墣產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2020年第三季度全球前十大封測企業(yè)中，中國大陸企業(yè)長電科技、通富微電和華天科技分別位列3、6、7名。2020年我國芯片設(shè)計行業(yè)銷售額首次突破500億美元。2020年雖然行業(yè)受到了新冠疫情的影響，但我國芯片設(shè)計行業(yè)仍舊保持了較快的增長態(tài)勢，2020年全行業(yè)設(shè)計企業(yè)數(shù)量為2218家，同比增長24.6%。從銷售收入來看，全行業(yè)銷售預(yù)計為3819.4億元，同比增長23.8%，按照美元與人民幣1:6.8的兌換率，全年銷售約為561.7億美元，首次超過500億美元。
我國晶圓代工發(fā)展迅速，中芯國際和華宏半導(dǎo)體已進入全球前十。我國封測行業(yè)逐漸進入成熟階段，晶圓代工正在快速崛起，涌現(xiàn)出了中芯國際和華宏半導(dǎo)體等具備發(fā)展?jié)摿Φ木A代工企業(yè)。
根據(jù)拓墣產(chǎn)業(yè)研究院最新預(yù)測，2020第四季度全球晶圓代工營收排行中，中芯國際和華宏半導(dǎo)體分別位列第5名和第9名。同時，我國正在尋求IC制造方面的突破，中國大陸正迎來投資建廠熱潮，這將為半導(dǎo)體設(shè)備帶來廣闊的市場空間。
半導(dǎo)體設(shè)備對于行業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。當(dāng)前我國半導(dǎo)體設(shè)備依舊高度依賴于海外企業(yè)，并且在核心技術(shù)和零部件上受到一定的限制。半導(dǎo)體設(shè)備涉及數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等多個基礎(chǔ)學(xué)科，技術(shù)壁壘高，研發(fā)難度大周期長，是整個產(chǎn)業(yè)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。
半導(dǎo)體設(shè)備直接關(guān)系芯片設(shè)計能否落成實物，產(chǎn)品可靠性和良率能否達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)行業(yè)是否能夠參與全球競爭。因此要實現(xiàn)我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控，半導(dǎo)體設(shè)備至關(guān)重要。
半導(dǎo)體設(shè)備市場再創(chuàng)新高，國產(chǎn)化替代空間廣闊全球半導(dǎo)體設(shè)備市場或超710億美元
根據(jù)SEMI最新預(yù)測，2021年全球半導(dǎo)體設(shè)備需求將超過710億美元。半導(dǎo)體設(shè)備位于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，其市場規(guī)模隨著下游半導(dǎo)體的技術(shù)發(fā)展和市場需求而波動。
2013-2018年，在智能手機和消費電子快速發(fā)展的推動下，半導(dǎo)體設(shè)備進入了一個持續(xù)上升的行業(yè)周期，市場規(guī)模從317.9億美元增長到了645.3億美元，5年GACR為15%。而2019年全球半導(dǎo)體設(shè)備支出為597.5億美元，同比下降7.4%，增長勢頭稍有回落。
根據(jù)SEMI預(yù)測，2020年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模達創(chuàng)紀(jì)錄的689億美元，同比增長16%，2021年將達719億美元，同比增長4.4%，2022年仍舊保持增長態(tài)勢，市場將達761億美元，同比增長5.8%。
前端和后端半導(dǎo)體設(shè)備都將持續(xù)增長。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，晶圓制造設(shè)備預(yù)計2020年將增長15％達到594億美元，2021年和2022年分別增長4％和6％。代工和邏輯業(yè)務(wù)約占晶圓制造設(shè)備銷售總額的一半，由于先進制程的投資，今年的支出將增長15%左右，達到300億美元。
- 存儲方面，NAND制造設(shè)備支出今年將增長30％，超過140億美元，而DRAM有望在2021年和2022年引領(lǐng)增長。
- 封裝設(shè)備方面，2020年市場規(guī)模將增長20％，達到35億美元，在先進封裝應(yīng)用的推動下，到2021年和2022年分別增長8％和5％。
半導(dǎo)體測試設(shè)備銷售額2020年預(yù)計增長20％，達到60億美元，隨著對5G和高性能計算應(yīng)用的需求的提升，半導(dǎo)體測試設(shè)備在2021年和2022年將持續(xù)保持增長態(tài)勢。
分地區(qū)來看，2020年中國大陸已成為全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備市場。中國大陸是近年來半導(dǎo)體設(shè)備市場唯一保持持續(xù)增長的地區(qū)，市場規(guī)模在全球的占比逐年提升。2016-2019年，中國大陸的半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模從64.6億美元增長到了134.5億美元，3年CACR達28%，在全球市場中的占比由15.7%提升至22.5%。
隨著中國大陸在IC和儲存領(lǐng)域的強勁支出，SEMI預(yù)計2020年中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模將達181億美元，同比增長34.6%，成為全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備市場。我們認(rèn)為在國家政策和資金支持下，2021和2022年中國大陸的半導(dǎo)體設(shè)備支出將持續(xù)保持高位，市場規(guī)模將保持在180億美元。參考資料來自：德邦證券、馭勢資本研究所來源：半導(dǎo)體在線
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