半导体设备行业专题研究:自主可控支撑长期成长

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一、前言——设备国产化,时不我待!

设备行业空间超 600 亿美元。根据 SIA 数据,2018 年全球半导体行业销售额 4690 亿美元,半导体设备销售额 616 亿美元。即使 19 年行业资本开支有所下降,根据 SEMI预测,设备销售额也将达 530 亿美元,半导体设备行业是不折不扣的大行业,大行业诞生大公司,应用材料、拉姆研究、阿斯麦、东晶电子等设备巨头年收入均超百亿美元,而目前我国的半导体设备公司收入规模还非常小。

自 2017 年以来,半导体相关产业链就成了投资热点,虽然受智能手机销量低迷等因素影响,全球半导体景气周期在 18 年后有所下行,但 5G 和人工智能或将推动半导体景气度再次上行。而国内半导体设计、制造、设备公司则面临更大的挑战和机遇——“核芯”技术的“自主可控”已成为全局战略的重中之重,中兴、华为事件更是让半导体领域的国产化迫在眉睫。在产业链中,半导体相关设备难度最高,也是我国芯片国产化所面临的的最大短板,它的自主可控直接决定了我国在未来在国际产业竞争、协商中的话语权。未来,贸易冲突可能从加征关税升级为技术封锁,面对日益严峻的外部环境,半导体国产化时不我待。

本文主要从半导体市场格局、中国半导体发展现状、晶圆制备各流程及所需的半导体设备等方面进行介绍,展望半导体国产化的前景和产业链相关设备公司。我们认为,自主可控是半导体行业最大的投资逻辑,叠加半导体产业向中国的转移,看好设备行业长期成长性,重点关注掌握核心技术、在细分领域有突破的国产半导体设备公司。

二、18 年以来市场低迷,5G 或将拉动新周期

2.1 半导体是电子产品核心元件

电子产品核心元件—半导体。半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间,且导电性可控的材料。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,硅是各种半导体材料中在商业应用上最具有影响力的一种。由于半导体导电性可控的特性,今日各种电子技术都基于半导体材料来实现。因此几乎所有电子产品如 PC、消费电子、通信设备等的核心单元都与半导体有着极为密切的关联,可以说半导体是电子产品的组成核心,承担了信息的载体和传输功能,是整个信息产业的发展基石。

集成电路(IC 电路)占半导体总市场的八成以上,是半导体的主要构成部分,所以通常两个概念可以互相代替。半导体可以分为四类产品,分别是集成电路、光电子器件、分立器件和传感器。美国半导体产业协会(SIA)最新发布的数据显示,2018 年全球半导体市场规模为 4688 亿美元,其中规模最大的是集成电路产品,市场规模达到 3933亿美元,占半导体总市场的 83%。集成电路还可以分为微处理器、逻辑电路、模拟电路和存储器;分立器件可以分为二极管、三极管和电容。

2.2 价格下降景气度低迷,下半年或有拐点

18 年下半年行业逐渐进入下行区间。2017 年,DRAM 和 NAND Flash 的价格分别上涨了 44%和 17%,在存储器价格上升的驱动下,当年半导体市场规模同比增长 20.6%至4086.91 亿美元,首破 4000 亿美元大关,增速创近七年新高。存储器对行业的拉升作用一直延续到 2018 年上半年,但进入到下半年,由于产能供给的过剩,内存和闪存开 始全面降价,2018 年第四季度, NAND 价格跌 15%,厂商库存也逼近十年最高水平,为期两年的存储芯片热潮终结,半导体行业逐渐进入下行区间。

协会、公司纷纷调低收入目标,19 年下半年或触底反弹。对于 2019 年,各行业协会、咨询公司和行业龙头均表达了悲观预期。SIA 预计,2019 年全球半导体销售额将比 2018年下降 12.1%;IDC、IC Insights 一致认为今年行业将出现负增长;多家上市公司调低业务预测值和年内资本开支。但这其中也不乏 19 下半年行业会触底反弹的观点,比如IC Insights、应用材料、高通等都预测 19 年下半年需求将回暖。

2.3 传统 3C 市场趋于饱和,5G 或拉动新周期

通信设备、计算机和消费电子为半导体最重要的下游行业。IDC 数据显示,2018 年全球半导体下游应用中,通信、计算机和消费电子为最大的 3 个下游产业,占比分别为67%,16%和 6%。从国内的情况来看,这三个下游行业也是国内集成电路占比最高的领域,2016 年三者占比总和超过 75%,2018 年的结构与 16 年类似。

智能手机、PC 行业增速放缓,但仍有庞大存量市场。20 世纪 80 年代开启的 PC 时代推动半导体行业进入快速发展期,深刻改变了半导体行业的产业链模式。智能手机时代来临后,对半导体产品需求量、技术升级要求更上一层楼,半导体行业进入了智能手机+计算机双驱动的发展模式。从 2012 年开始,全球 PC 销量连续 6 年小幅下滑,智能手机成为半导体行业发展最大的驱动力,不过全球智能手机出货量从近年来增幅也逐年收窄,2018 年首度出现下滑。但是智能手机和 PC 市场依旧为半导体行业提供了庞大的存量市场,主导地位暂时无可取代。

汽车电子成为新蓝海,有望成为未来半导体应用主要增长点。随着汽车智能化、车联网、安全汽车和新能源汽车时代的到来,半导体在汽车中的应用原来越多,从之前简单应用于汽车内外饰、LED 车灯,已转向助力包括安全系统、娱乐信息系统、车内网络、动力系统等汽车其他相关部件发展上,未来汽车半导体市场发展空间还将进一步增加,汽车电子将成为半导体应用的主要增长点。根据中国汽车工业协会等机构发布的数据,到 2020 年全球汽车电子产品市场的产业规模预计将达到 2400 亿美元,其中我国汽车电子市场规模将超过 1058 亿美元。

5G 赋能 AI 催生新应用,人工智能芯片成长性确定。5G 网络的高带宽、高速率、低延时和可靠性缓解了人工智能云端计算时数据传输延时的困境,大大提高人工智能实时决策的能力,赋予了人工智能更广阔的的应用场景。相应的,对人工智能核心的底层硬件AI 芯片的算力需求呈现爆炸性增长。以 AlphaGo 为例,下一盘棋动用了 200 个 GPU和 1000 个 CPU。目前 AI 芯片行业的发展尚处于初级阶段,市场成长空间巨大。根据Allied Market Research 的报告,2017 年全球机器学习芯片市场规模约 24 亿美元,2025年这一数字将达到 378 亿美元,CAGR 高达 40.8%。

5G 时代,手机芯片迎来结构性成长机会。5G 时代,覆盖频带数大幅增加,终端设备中射频前端模块器件数量大幅增加。根据 Skyworks 估算,相较于 4G 手机,5G 手机所需滤波器数量将从 40 只提升到 50 只,功率放大器数量翻倍,开关数量为之前的 2-3倍,天线数量也会成倍提升。5G 下全新的网络架构和 Massive MIMO 等关键技术的实现对设备的射频器件性能也提出更高要求。从 4G 到 5G,终端射频系统单价会翻倍增长,射频器件在手机芯片中所占比重和成本或将超过 SOC。量价齐升,射频前端芯片市场规模迅速扩张,带来结构性成长机会。半导体市场有望在 5G 的带动下回温,根据SAF 预测,全球半导体营收将在 2020 年恢复,2018-2023 年复合年增长率(CAGR) 为 2.0%,2023 年达到 5240 亿美元。

三、产业转移+自主可控,国产半导体增速领跑

3.1 中国或将承接半导体第三次产业转移:略

3.2 贸易摩擦凸显自主可控重要性,弱化周期、强化成长

3.2.1“缺芯少魂”,中国制造之痛

虽然我国已经成为半导体产品消费的第一大国,但自给率仍然较低,集成电路产品已成为我国最大宗进口商品。过去几年中,国内 IC 企业虽然实现了较快增长,但是集成电路贸易逆差逐年攀升,2018 年达到 2274 亿美元,从 2011 年至今集成电路贸易逆差总额超过 1.2 万亿美元。

我国集成电路产业发展较晚,虽然在部分领域已经形成一定规模,但在高端芯片领域仍几乎被国外企业控制。从进口结构来看,绝大多数计算机和服务器通用处理器中95%的高端专用芯片,70%以上智能终端处理器以及绝大多数存储芯片依赖进口。从工艺流程来看,半导体制造要经过晶圆制备→晶圆制造→封装检测三个阶段,而我国掌握的技术主要集中于技术壁垒相对低的第一和第三阶段,在第二阶段的制造设备和工艺上的大部分领域还是空白。对高端半导体的依赖导致我国半导体产业整体对进口依赖度较高,2009 年,集成电路已经超过石油成为中国进口金额最大的商品,随后二者之间互有领先,但总体呈现持续增长的势头。

3.2.2 贸易摩擦或升级为技术封锁,“核芯”受制于人

贸易摩擦加剧,半导体成主战场。2018 年 4 月 16 日,美国商务部发表公告称,美政府在未来 7 年内禁止中兴通讯向美国企业购买敏感产品,众所周知,中兴从美国进口零部件中最主要的就是芯片;2019 年 5 月 16 日,美国商务部工业与安全局禁止华为从美国企业购买技术或配件;2019 年 5 月 22 日,全球设计巨头 ARM 宣布断供华为。我国信息产业深受美国制裁的打击,半导体自主可控问题被推上风口浪尖。

美国是当之无愧的世界半导体之王。根据《确保美国在半导体领域长期领导地位》报告显示,中国集成电路的进口产品有接近 50%来自美国,中国半导体进口对美国市场的依存度整体不高,但高端产品却严重依赖美国,其中,PVD 设备、检测设备、离子注入设备和 CMP 设备等半导体制造的核心设备几乎完全依赖美国。2016 年在中国收入最高的美国公司中,超过一半都是半导体公司。

若贸易摩擦升级为技术封锁,影响更大。关税只会影响成交价格,若双方愿意支付更高的价格,贸易活动仍可继续,但技术封锁是对进出口绝对的限制,因此技术封锁的影响远远大于提高关税。从中兴、华为事件可以感受到技术封锁可能是关税之后,贸易冲突演变的新趋势,而一旦真正实施封锁我国经济将受到直接冲击。

芯片自主可控直接决定我国贸易谈判话语权。芯片是美国的杀手锏,中国的软肋,一旦美国政府对华封锁半导体技术,我国信息产业或将陷入瘫痪。芯片的自主可控直接决定了我国在贸易谈判中的话语权和议价力,可以肯定的是,在贸易摩擦的事件催化下国家会加大半导体产业的资金投入和政策倾斜。

3.2.3 政策不断加码,为产业保驾护航

中国制造 2025 彰显国产化决心。针对我国半导体产能不足的问题,2015 年 5 月发布的“中国制造 2025”白皮书中,对芯片的自给率提出了具体要求,分别是要在 2020年达到 20%,2025 年达到 70%。“中国制造 2025”重点领域技术路线图对 IC 制造产业的规划,产能扩充与先进制程的发展是最重要两大政策目标。其中在产能扩充上,全大陆晶圆代工月产能规划由 2015 年 70 万片 12 寸晶圆扩充至 2025 年 100 万片,2030年更进一步扩充至 150 万片。在先进制程发展上,大陆晶圆代工产业将以 2025 年 14纳米制程导入量产为目标。“中国制造 2025”针对中国先进制造业的顶层设计,关于IC 产业篇幅有限,在其后的十三五规划,发改高技(2016)1056 号文则明文中央政府将对高性能处理器、FPGA、物联网与信息安全相关芯片、存储器、电子设计自动化(EDA)及 IC 设计服务、工业芯片等六大领域的 IC 设计企业给予财税上的支持,具体如下:

中国大陆 IC 制造产业的发展重点则锁定新型态 3D 电晶体、下一代显影技术,及超大尺寸晶圆为发展方向,目标则是希望于 2030 年大陆 IC 制造技术能力能与台积电、英特尔、三星电子等世界级大厂齐平。

02 专项反映国家战略,国家集成电路产业投资基金设推动产业爆发。“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》所确定的国家十六个科技重大专项之一。而在此基础上,《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》项目,因次序排在国家重大专项所列 16 个重大专项第二位,在行业内被称为“02 专项”,02 专项是国家对集成电路发展的顶层设计。为解决半导体制造国产化的难题,02 专项全方面的对半导体设备行业进行了扶植,目前很多项目都已经进入了产业化阶段。如北方华创的刻蚀设备和 CVD 设备、中电科电子装备的抛光机与离子注入机、长川科技的测试机与分选机等。

国家集成电路产业投资基金,半导体行业的“大金主”。2014 年 6 月 24 日《国家集成电路产业发展推进纲要》正式发布实施,明确提出设立国家产业投资基金。同年 9 月26 日国家集成电路产业投资基金股份有限公司成立,注册资本 987.2 亿元,公司实际融资 1378 亿元,目标是吸引大型企业、金融机构以及社会资金,重点支持集成电路产业发展,实现工业转型升级,实现自给自足的半导体产业。

目前国家集成电路产业投资基金一期(2014.09~2018.05)已经投资完毕,总投资额为1387 亿元人民币,累计有效投资项目达到 70 个左右,其中集成电路制造 67%,设计17%,封测 10%,装备材料 6%。实现了产业链上的完整布局。

集成电路产业基金二期预计募集规模达 2000 亿元,预计撬动的社会资金规模在4500~6000 亿左右。半导体行业作为典型的高技术含量的行业,其特点是前期的投资巨大,但是一旦产业进入规模之后,技术壁垒也会相应很高,产业集中度因此很高,通俗来说便是赢者通吃。而现状是该产业为国外企业所把持,政策方面的持续加码和真金白银的投入反映了政府对国家实现集成电路自主可控的渴求,持续的投入下,可以看到相关企业的产品研发和产业化已经给予了前期投资一定的回报。

强化“市场化”方式运营,科创板应运而生。虽然科创板并不是为半导体专门设置的,但在《科创板企业上市推荐指引》明确的保荐机构应重点推荐的七大领域科技创新企业中,半导体集成电路企业位列第一。科创板落地将加速国内半导体企业上市步伐,有利于改进公司治理、引进核心技术人才,提高具备核心技术的半导体企业的估值,用市场化手段为半导体行业提供资金支持。截止 2019 年 6 月 21 日,共有 11 家半导体企业被受理,接近受理总数的 10%,预计共融资接近 900 亿元,可谓股市的半导体“大基金”。

政策不断加码,保证长期扩产需求。理论上,下游需求的景气首先刺激中游制造厂商扩张产能,进而带动制造厂商对上游设备的需求。但对于我国半导体行业来说,不断扩张产能抢占市场份额以实现半导体“安全可控”才是当务之急。强有力的产业政策大大弱化了中国半导体行业的周期性,因此即便目前全球半导体景气度下行,未来我国半导体行业的投资力度也只会继续增加不会减少,叠加国产替代广阔的市场空间,中国半导体产业将逆势扩张。

四、精雕细琢,半导体设备面面观

4.1 设备需求主要来自于 IC 制造

集成电路技术是世界最先进技术之一,并以惊人的速度不断革新,所需设备的“量”和“质”都在不断提高。集成电路在一块芯片上的器件数持续增长,所以集成的一个重要挑战是半导体制造工艺的能力,在可接受的成本条件下改善加工技术,以生产高度集成的甚大规模集成电路芯片。比如可以在一片硅片上同时制作几十甚至上百个特定的芯片,而一片硅片上芯片数的不同取决于产品的类型和每个芯片的尺寸,芯片尺寸改变取决于在一个芯片集成的水平,所以硅片尺寸要求越来越高。一方面,硅片尺寸的缩小提升了对硅片工艺的要求,另一方面,小硅片也要求在硅片上雕刻集成电路的工艺越来越精细、可靠,半导体行业持续性的创新带来广阔的半导体设备市场,本文将沿半导体(集成电路)制备产业链梳理相关工序所需的设备,并总结国内国外技术现状,估计相关设备国内公司面向的市场规模(提升自给率仍是最大的逻辑)。

半导体(集成电路)产业链可以分为上游、中游和下游。上游包括制备半导体的材料以及所需设备,中游则是利用设备和原材料进行半导体制备,包括三大块:IC 设计、IC制造和封测,下游则将集成电路是用于汽车、消费电子等领域。我们聚焦半导体设备,则首先要将眼光落在中游半导体制备环节,这是对半导体设备需求的原动力。

2018 年我国集成电路设计、制造和封测行业产值规模约是 1.4 : 1 : 1.2,其中设计业产值在 2016 年反超封测业。设计业 1999-2016 年年均增长率 45%,2016 年发生了巨大变化,在集成电路产业链各环节中,芯片设计业总规模超过制造和封测位列第一(设计占比约 38%),成为第一大产业,长期以来设计业疲弱的情况得到扭转,产业发生了质的变化,设计业在长三角、珠三角、环渤海和中西部地区分布集中,国内前十大芯片设计企业都是本土企业,几年来产品自给率增长不少,2012 年仅为 13.3%,而 2016年达到 26.6%,发展强劲,由此也催促 IC 制造和封测行业提升自给率,而制造和封测行业远比设计依赖设备,因此半导体设备逐步进口替代是重中之重。

为了便于研究 IC 制造和封测行业对设备的需求,可以将封测也并入 IC 制造工序,也就是当芯片封装测试后才算制造完成,由此可以将广义的 IC 制造分为三大阶段:硅片制备—晶圆制造—晶圆封测。

首先第一阶段硅片制备,开采半导体材料并根据半导体标准进行提纯。硅片以沙子为原料,通过转化可以成为具有多晶硅结构的纯净硅,形成带有特殊电子和结构参数的晶体,之后在晶体生长和晶体准备工艺中,晶体被切割成称为晶圆的薄片,并进行表面处理。

第二阶段晶圆制造,就是在表面形成器件或集成电路。在每个晶圆上通常可形成200-300 个同样的器件,也可多至几千个,晶圆制造有几千个步骤,可以分为两大主要部分:前段工艺线(FEOL)是晶体管和其他器件在晶圆表面形成的,后端工艺线(BEOL)是以金属线把器件连在一起并加一层最终保护层。

第三阶段晶圆封测,在第二阶段晶圆制造后,晶圆上的芯片已经完成,但是仍旧保持晶圆形式并未经测试,因此每个芯片都需要晶圆电测来检测是否符合客户要求。随后进行封装,是指通过一系列过程把晶圆上的芯片分隔开,然后将它们封装起来,保护芯片免受污染和外来伤害的作用,并提供坚固耐用的电气引脚以和电路板或电子产品相连,这个阶段最后还有芯片最终测试,因此称为晶圆封测。

4.2 硅片制备:国产设备大有可为

4.2.1 硅片制备工艺复杂,设备空间值得想象

硅片质量要求越来越高,加工流程也水涨船高,越来越精细。目前集成电路技术早已经迈进线宽工艺小于 0.1 微米的纳米电子时代,对硅单晶抛光片的表面加工质量要求愈来愈高,为保证硅抛光片的翘曲度、表面局部平整度、表面粗糙度等具有更高的加工精度,尤其是对大直径硅抛光片进行更加细致的加工,目前硅片制备主要步骤可以概括为:拉晶-切片-磨片-倒角-刻蚀-抛光-清洗-晶圆测试。

4.2.1.1 拉晶—单晶炉 41 亿市场

晶体生长:半导体晶圆是从大块硅锭切割后的结果,而硅锭是从大块具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来。把多晶块转变成一个大单晶,给予正确的定向和适量的 N 型 或 P 型掺杂,这就是晶体生长,而晶体生长主要通过三种方法:直拉法、液体掩盖直拉法和区熔法。采用直拉法(包括液体掩盖直拉法)的硅单晶约占 85%,其他则采用区熔法,直拉法生长的硅单晶主要用于生产低功率的集成电路和分立元件(如 DRAM、SRAM、ASIC 电路和各种晶体管),更容易获得高含氧量和大直径的硅锭,而区熔法生产的硅单晶,成本较高,具有电阻率均匀、氧含量低、金属污染低等特性,故主要生产高反压、大功率的电子元件(如电力整流器、晶闸管、功率集成电路等)。

无论是直拉法还是区熔法,使用的设备均为单晶炉,单晶炉由炉体、热场、磁场、控制装置等部件组成,其中控制炉内温度的热场和控制晶体生长形状的磁场是决定单晶炉生产能力的关键。单晶炉主要是以进口设备为主,如德国 CGS 公司和美国 KAYEX 的直拉单晶炉都是口碑较好的老牌产品,此外还有德国 PVA、日本 FERROTEC 等,但目前国内已经实现部分单晶炉国产化,8 英寸单晶炉逐步开始国产化,12 寸单晶炉尚无批量供货,国内的晶盛机电、南京京能、西安理工晶科等是单晶炉先行者。其中晶盛机电承担的 02 专项“300mm 硅单晶直拉生长设备的开发”、“8 英寸区熔硅单晶炉国产设备研制”两大项目,均已通过专家组验收。晶盛的 8 寸直拉单晶炉和区熔单晶炉均已实现了产业化,为中环半导体、有研半导体、环欧半导体、金瑞泓等国内知名半导体硅片生产商累计供应了几十台设备。单晶炉投资占硅片制备设备的投资 25%左右,预计到2020 年新增需求为 40.5 亿元,是逐渐加快进口替代的设备行业。

4.2.1.2 切片:8 亿市场

晶体生长之后变进入晶圆准备环节,第一步是硅切片加工。硅切片加工的目的在于将硅锭切成一定厚度的薄晶片,切后的参数如晶向偏离度、TTV 等精度对后道工序的加工(如研磨、刻蚀和抛光等)起直接作用,主要包括切去两端、硅片定位、精准切割等步骤,切割通常有外圆、内圆和线切割三种方式,小直径硅锭多采用内圆切片机加工,而线切割工艺则具有更高的加工精度和更小的切口材料损耗,目前大于 200mm 的硅锭均采用线切割系统。以加工直径 200mm 硅单晶为例,切片厚度为 800 微米,每千克单晶出片约为 13.4 片,切割成本每片约 1.51 美元,线切割机的产量是内圆切割机的 5 倍以上、线切割机的切割运行成本可低于內圆切割机运行成本 20%以上。

切片工序主要应用的设备包括切割机、滚圆机、截断机等。由于精度要求高,国内和国外技术差别较大,因而目前以进口设备为主,主要有日本的东京精密、齐藤精机、瑞士HCT、M&B 等,国内的晶盛机电在 2018 年展成功推出 6-12 英寸半导体级的单晶硅滚圆机、单晶硅截断机,中电科 45 所能提供部分切片机产品。切片设备占硅片制备设备的投资 5%左右,预计到 2020 年我国新增需求为 8.1 亿,也是继续进口替代的行业。

4.2.1.3 磨片:几乎完全进口

半导体晶圆的表面要光滑规则,并且没有切割损伤,完全平整,因此需要磨片处理。要求来自于很小尺寸制造器件的表面和次表层面,平整度是小尺寸图案绝对必要条件,先进的光刻工艺把所需的图案投影到晶圆表面,如果表面不平,投影将会扭曲。而平整则需要磨片,是一个传统的磨料研磨工艺,精调到半导体使用的要求。主要包括双面磨削(直径小于 300mm)和表面磨削(直径大于 300mm),双面磨削加工损耗较大,而表面磨削损耗较小。

磨片步骤使用的设备为研磨系统,和切片设备一样,几乎完全是进口。国外品牌包括日本 KoYo、NTC、Okamoto 和德国 Peter Wolters 等,国内无相应产品,占硅片设备投资 5%左右,到 2020 年新增需求 8.1 亿。

4.2.1.4 倒角设备

倒角是要消除硅片边缘表面由于经切割加工后产生的棱角、毛刺、崩边、裂缝或其他缺陷和各种边缘表面污染,从而降低硅片边缘表面的粗糙度,增加硅片边缘表面的机械强度,减少颗粒的表面玷污。主要使用的设备是倒角机,一般分为 T 形磨轮和 R 形磨轮,R 形磨轮比 T 形磨轮加工效率高 30%作用,倒角机系统仍然是国外垄断,日本 TSK、日立,德国博世等技术领先,占硅片制备设备投资 5%左右,预计到 2020 年我国新增市场空间为 8.1 亿。

4.2.1.5 刻蚀机(硅片制备环境)16 亿市场

硅刻蚀是一种化学腐蚀工艺,包括酸腐蚀和碱腐蚀。硅晶片在经过切片、研磨等机械加工后,表面因机械加工应力而形成有一定深度的机械应力损伤层,而且硅片表面有金属离子等杂质污染,通常采用化学腐蚀工艺(酸腐蚀或碱腐蚀)来消除这些影响,化学腐蚀的厚度去除总量一般是 30-50 微米,酸腐蚀后硅晶片各个结晶方向会受到均匀的化学腐蚀,速度较快,硅片表面比较光亮,不易吸附杂质,但平坦度差、较难控制,而碱腐蚀虽然速度慢,但硅片表面比较平坦,但又比较粗糙易吸附杂质。

刻蚀流程所采用的设备为刻蚀设备。国外产品包括美国 SEMITOOL、德国 RENA 等,国内逐渐开始进口替代,主要以北方华创(等离子硅刻蚀机)和中微半导体(等离子介质刻蚀机)为主,刻蚀设备占硅片设备投资 10%左右,未来两年共 16.3 亿市场。

4.2.1.6 抛光:CMP 设备 40 亿市场

抛光目的在于去除前序切片、研磨等残留的微缺陷及表面应力损伤层和去除表面的各种金属离子等杂志污染,以求获得硅片表面局部平整、表面粗糙度极低的洁净、光亮“镜面”,满足制备各种微电子器件对硅片的技术要求。流程包括粗抛、细抛、精抛和最终抛光,值得注意的是,硅片表面的化学机械抛光 CMP 技术和 IC 制备工艺中的晶片表面平坦化 CMP 是两种不同的抛光工艺,两者在抛光对象、抛光布、抛光液、抛光压力、转速等方面均有较大差别。

目前国内仍以国外为主,但已经开始了国产化进程。国内晶盛机电率先取得突破,2018年成功研发出 6-8 英寸的全自动硅片抛光机,未来有望将产品拓展至 12 英寸抛光设备。国外以美国 Revasum、日本 Speed Bfam、KOVAX,荷兰 ASML 等为主,占硅片制备设备投资约 25%,预计到 2020 年共 40.5 亿市场。

4.2.1.7 清洗设备-约占硅片设备 10%

硅片经过不同工序加工后,表面已经收到严重污染,硅片清洁的目的在于清除表面的微粒、金属离子及有机物沾污等。一般先通过强氧化剂使“电镀”附着到硅表面的金属离子氧化成金属,溶解在清洗液或者附在硅片上,然后用小直径正离子替代吸附在硅片表面的金属离子,使之溶解在清洗液中,最后用大量去离子水进行超声波清洗,以排除溶液中的金属离子。

清洗设备目前国内已经开始进口替代,但高端市场仍被国外垄断。北方华创、盛美半导体、至纯科技为国内清洗设备“三剑客”,其中盛美半导体是国内唯一跨入 14nm 产线验证的清洗设备厂商,技术上已经具备国际竞争力。但高端市场仍被全球半导体晶圆清洗设备市场的前三名厂商 LamResearch、东京电子和 DNS 垄断,在 2015 年占据市场87.7%的份额。清洗设备占硅片制备设备投资约 10%,预计到 2020 年共 16.2 亿市场。

4.2.1.8 晶圆检测:检测设备 24 亿市场

晶圆检测主要是对表面缺陷检测。硅单晶、抛光片的电学、物理和化学等性质以及加工精度将直接影响集成电路制备的特性和成品率,为了满足对硅单晶、抛光片的高要求,必须采用先进的测试方法,对硅单晶的晶向、缺陷、氧含量、碳含量、电阻率、导电型号、少数载流子浓度、等技术参数有效测试,对抛光片表面缺陷(点缺陷、错位、层错等),颗粒污染和沾污进行检测。

检测设备包括厚度仪、颗粒检测仪、硅片分选仪等。目前国产设备涉足较少,主要以进口设备为主,包括日本 Advantest、美国 MTI 等公司,检测设备占硅片制备设备投资约15%,预期未来两年共 24.3 亿市场。

4.2.2 硅片供不应求,设备国产化正当时

供给端—全球硅片出货量维持高位。硅片是半导体芯片制备的基础原材料,目前 90%以上的芯片和传感器是基于半导体单晶硅片制造而成,2018 年我国硅片占晶圆厂制造材料的总比重高达 30%,是不可或缺的制备材料,2018 年全球硅片出货接近 130 亿平方英寸,增速 7.81%。

需求端—硅片需求继续攀升。在经历了 2018 年硅片需求的高速增长后,尽管 2019 年下游景气度不佳,但 IHS Markit 估计 2019 年硅片需求仍将继续增长 3.6%,供应缺口会一直延续到 2022 年。

供需缺口将成常态,国产硅片势在必行。供不应求和寡头垄断的格局下(五大半导体硅片供应商市场规模合计占 94%),硅片价格水涨船高,2016-2018 年间硅片价格暴涨40%。面对这一情况,我国只能大幅兴建晶圆制造厂,根据 SEMI 统计,过去两年间,全球新建 17 座 12 寸晶圆制造厂,其中有 10 座位于中国大陆;从 2017 年到 2020 年,预计全球新增半导体产线 62 条,其中 26 条位于中国大陆。晶圆制造厂的大量兴建,必然催生硅片制备设备的需求,由此为设备国产化带来突破契机。

4.2.3 产能供不应求,硅片设备刚需 162 亿

硅片制造工序为拉晶—切片—磨片—倒角—刻蚀—抛光—清洗—检测,其中拉晶、抛光和检测为硅片制造核心环节,对应设备分别为单晶炉(占整体设备价值量 25%)、CMP抛光机(25%)、检测设备(15%)。目前,硅片制造设备主要被日韩、欧美企业垄断,代表厂商有德国 CGS、日本齐藤精机、KoYo 等。国产设备由于起步较晚,在硅片制造环仍处于发展阶段,进口替代市场极大,代表厂商有晶盛机电、北方华创、中微半导体等,其中晶盛机电的 8 英寸单晶炉逐步开始实现国产化替代,12 寸单晶炉开始小批量生产,现已交付上海新昇使用,并在 SEMICON China 2018 展会上推出了滚圆机、截断机、双面研磨机、全自动硅片抛光机等新品设备,进一步向硅片制造全制程延伸。

国内需求缺口大,硅片制备迎来“野蛮生长期”,设备投资迎来高峰。根据芯思想研究院的统计数据,2018-2020 年,我国对 8 英寸硅片的需求量将从 90 万片/月上升至 180万片/月,新增需求 80 万片/月。12 英寸硅片的需求量从 60 万片/月上升到 105 万片/月,新增需求量 45 万片/月。假设 8 英寸和 12 英寸每 10 万片投资额分别为 6 亿元和24 亿元,潜在新增设备需求为 54 亿元和 108 亿元,目前我国 4-6 英寸硅片已经完全资产,因此主要设备需求都在 8 英寸和 12 英寸,因此预计 2018-2020 年硅片设备国内新增设备投资额为 162 亿元。

4.3 晶圆制造:千亿大市场,核心设备国产化刻不容缓

4.3.1 晶圆制造是最复杂且资金投入最多的环节

自硅片开始的晶圆制造是第二阶段,硅片经过氧化、沉积、蚀刻及离子注入等步骤反复处理,成为一整套集成电路。晶圆制造就是裸露的硅片到达工厂,然后经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂处理,成为永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。具体来说,就是在硅晶圆上制作电路与电子元件(如电晶体、电容体、逻辑闸等),这个步骤为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程,以微处理器为例,其所需处理步骤可达数百道,而其所需加工机台先进且昂贵,动辄数千万美元一台,其所需制造环境为温度、湿度与含尘量均需控制的无尘室,虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关,不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗之后,接著进行氧化及沉积,最后进行显影、蚀刻及离子植入等反覆步骤,以完成晶圆上电路的加工与制作。


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(报告来源:招商证券;分析师:诸凯/吴丹/刘荣/时文博)

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花篮的花儿香09-05 20:47

电子半导体