半导体行业概览

半导体行业概览 一、 半导体行业概览 半导体行业是电子信息产业的基础支撑，主要分为集成电路、分立器件、传感器和光电子器件等四大类，广泛应用于5G通信、计算机、云计算、大数据、物联网等下游终端应用市场，是现代经济社会中的战略性、基础性和先导性产业。 自半导体核心元器件晶体管诞生以来，半导体行业遵循着摩尔定律快速发展。2013年到2018年，全球半导体市场规模从3，056亿美元迅速提升至4，688亿美元，年均复合增长率达到8．93%。2019年，受国际贸易环境恶化导致市场信心不足等因素影响，全球半导体市场出现下跌。2020年，受益于疫情催生远程办公设备销量提振以及全球汽车产业复苏所推动的需求强劲反弹，全球半导体市场规模恢复增长态势。2021年，全球半导体市场规模进一步增长至4，743亿美元，发展态势良好。 二、 薄膜沉积设备：集成电路奠基者 薄膜沉积技术是以各类化学反应源在外加能量（包括热、光、等离子体等）的驱动下激活，将由此形成的原子、离子、活性反应基团等在衬底表面进行吸附，并在适当的位置发生化学反应或聚结，渐渐形成几纳米至几微米不等厚度的金属、介质、或半导体材料薄膜。作为芯片衬底之上的微米或纳米级薄膜，是构成了制作电路的功能材料层。随着集成电路制造不断向更先进工艺发展，单位面积集成的电路规模不断扩大，芯片内部立体结构日趋复杂，所需要的薄膜层数越来越多，对绝缘介质薄膜、导电金属薄膜的材料种类和性能参数不断提出新的要求。薄膜设备的发展支撑了集成电路制造工艺向更小制程发展。 随着半导体行业整体景气度的提升，全球半导体设备市场呈现快速增长态势，拉动市场对薄膜沉积设备需求的增加。根据MaximizeMarketResearch数据统计，2017-2020年全球半导体薄膜沉积设备市场规模分别为125亿美元、145亿美元、155亿美元和172亿美元，2021年扩大至约190亿美元，年复合增长率为11．04%。预计全球半导体薄膜沉积设备市场规模在2025年将从2021年的190亿美元扩大至340亿美元，保持年复合15．7%的增长速度。 近年来，下游产业新技术、新产品快速发展，正迎来市场快速增长期。5G手机、新能源汽车、工业电子等包含的半导体产品数量较传统产品大比例提高；人工智能、可穿戴设备和物联网等新业态的出现，对于半导体产品产生了新需求。经过不断发展，根据不同的应用演化出了PECVD、LPCVD、溅射PVD、ALD等不同的设备用于晶圆制造的不同工艺。其中，PECVD是薄膜设备中占比最高的设备类型，占整体薄膜沉积设备市场的33%；ALD设备目前占据薄膜沉积设备市场的11%；SACVD是新兴的设备类型，属于其他薄膜沉积设备类目下的产品，占比较小。 在晶圆制造过程中，薄膜起到产生导电层或绝缘层、阻挡污染物和杂质渗透、提高吸光率、临时阻挡刻蚀等重要作用。随着集成电路的持续发展，晶圆制造工艺不断走向精密化，芯片结构的复杂度也不断提高，需要在更微小的线宽上制造。制造商要求制备的薄膜品种随之增加，最终用户对薄膜性能的要求也日益提高。这一趋势对薄膜沉积设备产生了更高的技术要求，市场对于高性能薄膜设备的依赖逐渐增加。 随着集成电路的持续发展，产线逐渐升级，晶圆厂对薄膜沉积设备数量和性能的需求将继续随之提升。越先进制程的产线所需的薄膜沉积设备数量越多。先进制程使得晶圆制造的复杂度和工序量都大大提升，为保证产能，产线上需要更多的设备。 随着当前存储器性能瓶颈的出现，主流工艺方式不断拓展，精密结构加工所需的设备性能要求不断增加。在FLASH存储芯片领域，随着主流制造工艺由2DD发展为3DD结构，相关产线中薄膜设备支出占比由18%提升至26%，结构的复杂化导致对于薄膜沉积设备的需求量也逐步增加。 半导体设备属于高新技术领域，相关厂商均在各自专业技术领域耕耘几十年。从全球市场份额来看，薄膜沉积设备行业呈现出高度垄断的竞争局面，行业基本由应用材料（AMAT）、先晶半导体（ASMI）、泛林半导体（Lam）、东京电子（TEL）等国际巨头垄断。2019年，ALD设备龙头东京电子和先晶半导体分别占据了31%和29%的市场份额，剩下40%的份额由其他厂商占据；而应用材料则基本垄断了PVD市场，占85%的比重，处于绝对龙头地位；在CVD市场中，应用材料全球占比约为30%，连同泛林半导体的21%和TEL的19%，三大厂商占据了全球70%的市场份额。 CVD设备需求量大，设备种类较多。国内从事CVD设备开发销售的公司主要有北方华创、中微公司和拓荆科技。北方华创主要研发PVD、LPCVD和APCVD设备，中微公司主要研发MOCVD设备，和拓荆科技的PECVD以及SACVD设备无直接竞争关系。各公司专注于不同细分领域，共同发展弥补国内企业在相关行业的短板。 除了光刻、薄膜沉积以及刻蚀三大核心工艺外，其他前道设备虽然占比不高，但同样不可或缺。从芯片制造工艺来看，包括涂胶显影设备、清洗设备、离子注入设备以及扩散设备。其中涂胶显影设备与光刻机共同完成光刻工艺；清洗机与CMP共同完成芯片的各步骤的清洗与抛光；离子注入机和扩散炉则专注于掺杂工艺。 三、 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。 四、 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。 五、 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于市场获取份额的基础，所处市场的份额或空间将决定公司高速成长的持续性，而品类扩张能力能够持续拓展公司的成长边界。 在市场国家战略产业自主可控等多重因素的驱动下，中国大陆晶圆制造及其配套设备环节的加速发展势在必行。中国大陆是全球最大的电子终端消费市场和半导体销售市场，吸引着全球半导体产业向大陆的迁移。从产业链配套层面来看，在中游晶圆制造环节，中国具备成为全球最大晶圆产能基地的潜力。特别是在中国打造制造强国的战略下，政府在产业政策、税收、人才培养等方面大力支持和推进本土半导体制造的规模化和高端化。近年来，中美贸易摩擦凸显出供应链安全和自主可控的重要性和急迫性，晶圆制造及其配套设备等产业环节作为半导体产业的基石，加速发展势在必行。 根据ICInsights的数据，2021年，全球晶圆产能约2160万片/月（8寸约当），同比增长3．78%，中国大陆晶圆产能350万片/月（8寸约当），同比增长9．92%，在全球的占比约16．2%。根据SIA的数据，伴随着中国大陆晶圆产能的持续快速扩张，2030年，大陆晶圆产能在全球的占比有望达24%，届时将成为全球最大的晶圆产能区域市场。中国大陆晶圆产能的持续扩张，有望持续拉动上游配套半导体设备的市场需求。 内资晶圆产线产能距离规划仍有较大的提升空间，国产半导体设备的订单增量前景广阔。目前，内资晶圆产线仍然是国产半导体设备的消费主力，从远期内资晶圆产线的建设情况来看，国产半导体设备的需求前景更为乐观。根据各公司官网的不完全统计，目前，内资晶圆产线的总产能约为162．5万片/月（8寸约当），而各条产线的规划总产能约为454．5万片/月（8寸约当），现有产能距规划产能仍有较大的扩充空间，因此，内资晶圆产能的大幅扩张，有望为国产半导体设备公司带来广阔的订单增量。 当前半导体设备国产化率仍处于非线性提升区间，驱动的份额提升，将为行业贡献可观的成长速度和空间。对于国产半导体设备厂商而言，其驱动力除了行业规模的自然扩张，还包括在国内市场的。根据中国电子专用设备工业协会的数据，2021年，国产半导体设备销售额为385．5亿元，同比增长58．71%，占大陆半导体设备销售额的比例为20．02%。 以半导体晶圆制造设备为例，当前的国产设备对28nm及以上制程的工艺覆盖度日趋完善，并积极推进14nm及以下制程的工艺突破，产品正处于验证密集通过、开启规模化起量的成长阶段。并且，各大半导体设备厂商基于产品上线量产的契机，也在与客户密切开展工艺设备的合作研发、已有产品的迭代和细分新品类的扩充，利于产品竞争力和市场拓展的继续深入。所以，目前的半导体设备国产化率仍处于非线性增长区间，未来国产设备有望加速渗透。 假设2025年，该统计口径下的中国大陆半导体设备市场的国产化率提升至50%，则2021-2025年，国产半导体设备销售额的CAGR近30%。并且，对于65-40nm等国内配套较成熟的制程，本土半导体设备供应商的单一供应比例最高已达80%，足见设备国产化有较高的成长空间。丰富的半导体工序催生出众多的半导体设备类型，从硅片制造、芯片设计、晶圆制造、封装和测试，配套的半导体设备品类多元，各个领域间具备较高的技术和市场壁垒。 布局刻