半导体薄膜沉积设备行业发展情况分析

半导体薄膜沉积设备行业发展情况分析 一、 半导体薄膜沉积设备行业发展情况 （一）薄膜沉积设备市场规模持续增长 根据MaximizeMarketResearch数据统计，全球半导体薄膜沉积设备市场规模从2017年的125亿美元扩大至2020年的172亿美元，年复合增长率为11．2%。 （二）薄膜沉积设备国产化率低 我国半导体设备经过最近几年快速发展，在部分领域已有一定的进步，但整体国产设备特别在核心设备化上的国产化率仍然较低。半导体薄膜沉积设备行业基本由AMAT、ASM、Lam、TEL等国际巨头垄断。近年来随着国家对半导体产业的持续投入及部分民营企业的兴起，我国半导体制造体系和产业生态得以建立和完善。半导体薄膜沉积设备的国产化率虽然由2016年的5%提升至2020年的8%，但总体占比尤其是中高端产品占比较低。 （三）各类薄膜沉积设备发展态势 从半导体薄膜沉积设备的细分市场上来看，根据Gartner统计，2019年全球半导体薄膜沉积设备中PECVD、PVD、ALD设备的市场规模占比分别为33%、23%和11%；2020年全球半导体薄膜沉积设备中PECVD、PVD、ALD设备的市场规模占比分别为34%、21%和12．8%。 在半导体制程进入28nm后，由于器件结构不断缩小且更为3D立体化，生产过程中需要实现厚度更薄的膜层，以及在更为立体的器件表面均匀镀膜。在此背景下，ALD技术凭借优异的三维共形性、大面积成膜的均匀性和精确的膜厚控制等特点，技术优势愈加明显，在半导体薄膜沉积环节的市场占有率也将持续提高。 二、 半导体设备分类发展现状及驱动因素 以产业链应用环节来划分，半导体设备可分为前道工艺设备（晶圆制造）和后道工艺设备（封装测试）两个大类。其中后道工艺设备还可以细分为封装设备和测试设备。设备中的前道设备占据了整个市场的80%-85%，其中光刻机，刻蚀机和薄膜设备是价值量最大的三大环节，各自所占的市场规模均达到了前道设备总量的20%以上。因此，全球半导体设备前十名厂商之中，有多家是平台型企业，横跨多个半导体工艺环节。 半导体产业链庞大复杂的特性，使得很难有某一家公司能够在所有设备领域做到全覆盖。来自全球各个国家的企业共享整个市场。从2021年的全球竞争格局来看，第一梯队top5的收入规模均在百亿规模左右或以上，排名前top10的公司营收体量也要在20亿美元以上。对比国内设备龙头北方华创2021年电子装备业务（包含集成电路业务和泛半导体业务）约为79．5亿元人民币的营收，我国半导体装备行业的营收规模距行业头部厂商仍存在较大差距，替代空间巨大。 按照2021财年半导体业务收入排名，全球前五大半导体设备厂商分别为应用材料242亿美元营收，ASML约211亿美元营收，东京电子171亿美元营收，泛林半导体165亿美元应收，柯磊82亿美元营收。分地区来看，排名前十的厂商中有五家日本公司，四家美国公司，以及一家荷兰公司。 2021年全球营收排名前五的设备厂商均属于前道设备的应用厂商，与前道设备占据80%以上的设备市场相匹配。同时，前五大厂商中有三家是平台型（应用材料，泛林半导体，东京电子），横跨刻蚀，薄膜，清洗，离子注入等多个领域，对比来看，国内许多公司也在横向拓展业务领域以不断突破天花板，向平台型转型。比如，中微公司从刻蚀及化合物半导体外延设备延展到集成电路薄膜设备；万业企业从离子注入设备延展到其嘉芯半导体子公司，覆盖除光刻机之外的几乎全部前道大类；盛美上海从清洗，电镀等业务逐步覆盖，炉管，沉积及其他前道品类。 半导体设备行业波动性成长，产业链最下游电子应用终端发生新变化，产生新需求。半导体设备行业呈现波动性上涨的趋势。近二十年间半导体设备的周期性正在减弱，行业成长趋势加强。得益于各类电子终端的芯片需求，智能化，网联化，AIOT的发展，行业规模连续四年出现大幅度的正增长。2022年仍将维持较高增速，这在半导体设备发展历史上极为罕见。 先进制程（5nm以下先进制程）的扩产和研发投入变得十分巨大，同时成熟制程的芯片需求量大大提升。根据ASML的财报显示，Arf光刻机单价在6000万欧元左右，EUV光刻机单价在1．5亿欧元左右，而最新一代预告的3nm/2nm世代光刻机预计的单价将在3亿欧元以上，先进制成的研发和突破成本以指数曲线的形式上升。在先进制程未来2nm，1nm的发展方向愈发接近物理极限的同时，成熟制程经济效益在不断提高，车规MCU，超级结MOS，光伏IGBT等成熟制程芯片大量缺货，交付期延长，使得行业重新审视成熟制程产线的经济效益，台积电也在2022年提出在未来三年将成熟制程扩产50%。我国半导体设备厂商精准卡位12英寸成熟制程所对应设备，覆盖28nm/14nm以上节点成熟制程领域并不断完善。 半导体设备处于产业链最上游环节，中游的芯片代工晶圆厂采购芯片加工设备，将制备好的晶圆衬底进行多个步骤数百道上千道工艺的加工，配合相关设备，通过氧化沉积，光刻，刻蚀，沉积，离子注入，退火，电镀，研磨等步骤完成前道加工，再交由封测厂进行封装测试，出产芯片成品。 芯片的制造在极其微观的层面，90nm的晶体管大小与流行感冒病毒大小类似。在制程以纳米级别来计量的芯片领域，生产加工流程在自动化高精密的产线上进行，对设备技术的要求极高。无论是设备的制造产线，还是晶圆厂的生产产线，所有芯片的生产加工均在无尘室中完成。任何外部的灰尘都会损坏晶圆，影响良率，因此对于环境和温度的控制也有一定的要求。在代工厂中，晶圆衬底在自动化产线上在各个设备间传送生产，历经全部工艺流程大致所需2-3个月的时间，这其中不包括后道封装所需要的时间。通常来说，晶圆厂中的设备90%的时间都在运行，剩余时间用于调整和维护。 前道工艺步骤繁杂，工序繁多，是芯片出产过程中技术难度较大，资金投入最多的环节。在芯片代工厂中的芯片的工艺制备流程：氧化、匀胶、曝光、显影、刻蚀、沉积、研磨、离子注入、退火。离子注入完成之后，继续沉积二氧化硅层，然后重复涂胶，光刻，显影，刻蚀等步骤进入另一个循环，用以挖出连接金属层（导电层）的通孔，从而使互通互联得以是现在晶圆中。实现这一功能的是使用物理气相沉积的方式沉积金属层。上述步骤在晶圆的生产制造中将重复数次，直到一个完成的集成电路被制作完成。最后，将制备好的晶圆进行减薄，切片，封装，检测。完成后到的工艺流程，至此，一颗完整的芯片制作完成。 半导体设备主要由七大设备零部件构成：光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、薄膜沉积设备、离子注入设备、机械抛光设备及封装、测试设备。 三、 分选机市场空间 分选机市场空间较大，探针台由日本企业垄断。不同于测试机，全球分选机的竞争格局相对分散，2020年前五大分选机厂商分别为科休、Xcerra、爱德万、中国台湾鸿劲、长川科技，市占率分别为21%、16%、12%、8%、2%。其中大陆企业只有长川科技并且市占率仅为2%，未来的空间广阔。而探针台市场几乎由日本东京电子和东京精密两家占据，2020年两家企业在全球范围市占率分别为46%和42%，具有极高的进入壁垒。 四、 测试设备：晶圆质量把关人 晶圆与芯片两大检测领域，三大设备协同作用。集成电路生产需要检测工艺是否合格、版图设计是否合理、产品是否可靠，而这些都需要用到专门的测试设备，以此提高芯片制造水平，保证芯片质量。测试设备主要有测试机、分选机和探针台三大类设备，其中测试机用于检测芯片功能和性能，对芯片施加输入信号，采集输出信号来判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性；而分选机和探针台则是将芯片的引脚与测试机的功能模块起来，进而实现批量自动化测试。在晶圆检测中，探针台将晶圆传送至测试位置，芯片的Pad点通过探针、专用连接线与测试机连接，测试机通过I/O信号，判断芯片性能是够是否达到规范设计要求。在芯片检测中，分选机将被测芯片逐个自动传送至测试工位，测试机对芯片进行性能检测，最后分选机将被测芯片进行标记、分选、收料。 预计2022年全球半导体测试设备市场规模达到82亿美元。根据华经产业研究院，2021年全球半导体测试设备市场规模为78亿美元，同比增长30%，预计2022年测试设备增长5%，达到82亿美元。对于细分的半导体测试设备，2021年全球测试机、分选机和探针机占半导体测试设备的比例分别为63．1%、17．4%和15．2%，市场规模约为49．2、13．6、11．9亿美元。据此可以简单估算，2022年测试机、分选机和探针机的全球市场规模分别约为51．7、14．3和12．5亿美元。 数字测试机相比于模拟测试机难度较高，SoC占据主要市场份额。根据测试对象的不同，测试机可以分为SoC、存储、模拟和RF等，其中数字测试机主要包括SoC和存储测试机。相比于模拟测试机，数字测试机的技术难度更高。从市场份额来看，SoC测试机占据60%份额，与存储测试机共同占据全球80%市场份额。 测试机领域国产份额较低，本土厂商逐步追赶。全球测试机行业被泰瑞达和爱德万占据大部分市场份额，据华经情报网援引SEMI数据，2021年全球半导体测试机市场中泰瑞达、爱德万和科休的市场份额占比分别为51%、33%、11%，合计市占率为95%，份额高度集中。在国内市场，竞争格局相对分散，国内厂商华峰测控和长川科技的市占率分别为8%和5%，正逐步追赶当中，长川科技数字测试机等产品已经实现有效突破。 五、 刻蚀机：微观世界雕刻师 作为半导体制造过程中三大核心工艺之一，刻蚀可以简单理解为用化学或物理化学方法有选择地在硅片表面去除不需要的材料的过程，可以分为干法刻蚀和湿法刻蚀，目前市场主流的刻蚀方法均为干法刻蚀，可将其分为CCP刻蚀和ICP刻蚀。CCP刻蚀主要是以高能离子在较硬的介质材料上，刻蚀高深宽比的深孔、沟槽等微观结构；而ICP刻蚀主要是以较低的离子能量和极均匀的离子浓度刻蚀较软的或较薄的材料。 三星宣布将成为全球首家采用GAA工艺进行3nm制程的生产，相较于FinFET工艺，GAA被誉为突破3nm制程的有力手段。每一代芯片新技术的突破，晶体管体积都会不断缩小，同时性能不断提升。从平面MOSFET结构到FinFET晶体管架构，再到后面的GAA结构甚至MBCFET结构，晶体管的复杂度不断提升，对刻蚀和薄膜沉积等核心技术提出了更高的要求。 随着芯片制程的提升，受到光刻机波长的限制，往往需要采用多次曝光，才能得到要求的线宽，实现更小的尺寸。这对刻蚀速率、各向异性、刻蚀偏差、选择比、深宽比、均匀性、残留物、等离子体引起的敏感器件损伤、颗粒沾污等指标上对刻蚀设备都提出了更高的要求。我国因无法购买EUV光刻机而无法进行更先进制程的产线建设，如果想要用28nm产线生产14nm线宽的芯片，只能通过多次刻蚀才有可能实现，这使得对刻蚀的需求进一步提升。 从全球范围来看，刻蚀设备主要由美国泛林半导体、日本东京电子以及美国应用材料三家占据领先地位，2020年三家市场份额合计占比近9成。目前国内有中微公司和北方华创两家刻蚀设备供应商，从营收端来看，2020年和2021年中微公司和北方华创刻蚀设备营收占国内总刻蚀市场规模的9．19%和10．48%左右，随着公司的订单逐步释放，国产化率有望明显提升。 六、 晶圆扩产与驱动，份额提升贡献主要增量 半导体设备市场空间广阔。2019年-2021年，受到下游应用需求的驱动以及疫情对行业供需关系的影响，全球半导体设备市场经历了一轮高景气周期。2022年，半导体设备市场规模有望再创新高。根据SEMI的数据，2022年，全球半导体设备销售额有望达1143．4亿美元，同比增长11．24%，以2021年中国市场的占比测算，预估2022年中国半导体设备市场规模有望达329．48亿美元，同比增长11．24%。 半导体设备公司的增量将更多地来源于市场份额的提升。在半导体设备整体市场规模保持稳定的过程中，产业链公司的增量将更多地来源于市场份额的提升。市场份额的提升主要由三个因素驱动：产品的竞争力、所处细分市场的份额或空间、品类扩张能力。其中，产品的竞争力是公司立足