半导体设备行业发展面临的挑战

半导体设备行业发展面临的挑战 一、 半导体设备行业发展面临的挑战 光伏半导体等专用设备属于典型技术密集型行业，对于技术人员的知识背景、研发能力及操作经验积累均有较高要求。由于中国研发起步较晚，业内人才和技术水平仍然较为缺乏，在一定程度上制约了行业的快速发展。随着市场的日臻成熟与下游需求的推动，专业人才缺乏的矛盾将会更加突出。 国产高端专用设备总体起步较晚，对零部件市场拉动时间较短，高端专用设备零部件配套能力较弱，影响专用设备的优化周期和制造成本。 二、 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。 三、 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。 布局刻蚀、沉积等大赛道的设备厂商，具备更为广阔的收入空间。通过对半导体设备市场竞争格局的分析可知，营收在百亿美金量级的龙头公司，其业务结构基本覆盖了半导体设备细分市场规模前三大的品类：刻蚀、光刻和沉积。鉴于此，对于本土半导体设备厂商而言，在刻蚀和沉积等大赛道深入布局的公司，具备更为广阔的远期收入空间，未来的发展前景十分广阔。 在各类细分赛道布局领先的设备厂商，有望率先卡位供应链优势位置。半导体设备市场细分品类众多，目前，本土半导体设备产业仍处于成长早期，在各个细分赛道率先卡位并建立竞争优势的设备厂商，有望在下游客户端抢占更优势的生态位-包括先发的研发验证机会、领先的供应份额以及积累更丰富的量产经验，从而在细分品类中建立起更高的竞争壁垒。在工艺技术方面，目前，国产半导体设备厂商在刻蚀、沉积、清洗、涂胶显影、CMP、离子注入以及测试机、分选机、探针台等核心工艺环节已取得长足进步，并且与海外传统厂商形成了初步的技术对标。 具体到产品方面，在前道领域，28nm及以上的制程范围，国产半导体设备厂商实现了工艺、技术和产品的大部分覆盖；在新技术节点上，国产半导体设备厂商配套14nm及以下制程的逻辑工艺、128层3DD工艺以及17nmDRAM工艺开展产品验证和合作研发。同时，以北方华创、中微公司、盛美上海为代表的国产半导体设备公司不断完善产品的平台化布局，可服务市场规模快速扩张，远期收入空间不断打开。另一方面，以拓荆科技、华海清科、芯源微、万业企业等为代表国产半导体设备公司在各自专长的领域内已占据了领先的供应份额，不断夯实技术和市场壁垒。目前，国产半导体设备厂商的产品已在中芯国际、华虹半导体、长江存储、合肥长鑫等晶圆产线快速起量，市场份额持续提升。在后道领域，国产半导体设备厂商在测试机、分选机、探针台等设备方面的配套较前道更为完善，并且以长川科技、华峰测控为代表的国产半导体设备厂商在SoC测试机、存储测试机、探针台等高端新品研发和市场拓展也快速推进，整体已在后道设备市场具备一定的市场份额优势。 根据国产半导体设备公司2021年的收入测算，目前，国产半导体设备在清洗、CMP、刻蚀、测试机、分选机等设备市场的国产化率已突破双位数，而在沉积、离子注入、探针台等领域也取得一定的国产化突破。整体而言，随着细分品类的市场份额提升，以及产品品类的多元扩张，未来，国产半导体设备公司的成长边界有望不断拓宽。 （一）半导体设备发展基本情况及特点 半导体设备主要包括前道工艺设备和后道工艺设备，前道工艺设备为晶圆制造设备，后道工艺设备包括封装设备和测试设备，其他类型设备主要包括硅片生长设备等。其中晶圆前道工艺设备整体占比超过80%，是半导体设备行业最核心的组成部分。 从晶圆厂的投资构成来看，刻蚀设备、光刻设备、薄膜沉积设备是集成电路前道生产工艺中最重要的三类设备。其中，薄膜沉积设备投资额占晶圆厂投资总额的16%，占晶圆制造设备投资总额的21%。 （二）半导体设备行业发展情况 2013年以来，随着全球半导体行业整体景气度的提升，半导体设备市场也呈增长趋势。根据SEMI统计，全球半导体设备销售额从2013年的约318亿美元增长至2021年的1，026亿美元，年均复合增长率约为15．77%。 由于半导体专用设备行业对制造工艺和标准要求严格，行业进入的技术壁垒、市场壁垒和客户认知壁垒较高，全球半导体设备市场集中度较高。目前全球前十大半导体设备制造商主要集中在美国、日本和荷兰。根据VLSIResearch数据，2020年全球半导体设备前十名厂商合计实现销售收入708亿美元，市占率为76．63%。 中国半导体设备厂商因发展起步较晚，目前尚未进入全球行业前列。从需求端分析，根据SEMI统计数据，2013-2021年半导体设备在大陆销售额的年复合增长率达到31．07%。2021年，中国大陆半导体设备的销售额达到296．2亿美元，同比增长58．23%，发展势头强劲。 已经投产的有27条，在建未完工、开工建设或签约项目有29条。其中宣布投产的项目合计装机月产能约118万片，在建未完工、开工建设或签约项目的规划月产能总计132万片。受益于中国大陆地区晶圆厂建设加速推进，中国大陆半导体设备市场需求快速增长。2020年、2021年，中国大陆市场约占全球半导体设备市场比例分别为26．30%、28．87%。中国大陆已成为全球第一大半导体设备需求市场。 四、 半导体设备行业发展政策 半导体设备是半导体产业发展的基础和技术进步的关键，在半导体产业中占有重要地位。为推动半导体设备行业发展，增强产业创新能力和国际竞争力，我国近年来从战略地位、人才、资金、技术、税收、市场等各方面出台了一系列支持性政策。 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I