半导体设备行业发展面临的机遇与挑战分析

半导体设备行业发展面临的机遇与挑战分析 一、 半导体设备行业发展面临的机遇与挑战 （一）半导体设备行业发展面临的机遇 1、清洁能源发展以及光伏产业降本提效带动半导体设备行业持续发展 过去对传统能源如煤炭、石油、天然气等化石能源的过度依赖已导致严重的生态环境问题，使得国际社会对保障能源安全、保护生态环境、应对气候变化等问题日益重视。而太阳能作为最重要的可再生能源之一，具有资源普遍可及、便于应用、成本低等优势，是替代化石能源的主力能源之一，已经成为世界范围内应对气候变化的共同选择。 近年来，全球多个国家陆续出台了一系列鼓励和扶持太阳能光伏产业发展的政策，为各国光伏产业的健康、持续发展创造了良好的政策环境。中国在2020年9月提出了二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的目标；2021年3月12日发布的国民经济《第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出，推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力，加快发展非化石能源，坚持集中式和分布式并举，大力提升风电、光伏发电规模。 通过数十年的持续研发，光伏产业主要原材料的价格已经大幅下降，技术不断迭代升级，光电转换效率稳步提升，与之相对的，光伏领域的专用设备行业技术也将大幅提升。随着行业技术的持续进步与生产成本的不断下降，光伏发电的综合成本有望维持降低趋势。这将有助于光伏发电的大规模普及应用，进而使得高性能光伏专用设备的市场规模呈现持续扩张态势。 2、半导体产能转移以及背景使得国内设备厂商面临发展机遇 中国大陆作为全球最大半导体终端产品消费市场，随着国际产能不断向中国转移，半导体企业纷纷在中国投资建厂，国内半导体产业的规模不断扩大，设备需求将不断增长。持续的产能转移不仅带动了国内半导体整体产业规模和技术水平的提高，为半导体专用设备制造业提供了巨大的市场空间，也促进了国内半导体产业专业人才的培养及配套行业的发展，半导体产业环境的良性发展为中国半导体专用设备制造业产业的扩张和升级提供了机遇。 在半导体领域，元器件逐步呈现高密度、高深宽比结构，部分核心工艺通过传统方式难以实现，ALD设备在该类应用中已通过国外大型集成电路晶圆制造厂商的量产验证。与此同时，从中美贸易战开始，限制了通过国际采购获得先进设备渠道。在此背景下，我国半导体设备提升国产化率的任务迫在眉睫，随着国内核心晶圆厂商规模扩大和工艺提升，国内设备厂商面临发展机遇。 （二）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、 图形刻画：光刻机必不可少 光刻是将设计好的电路图从掩膜版转印到晶圆表面的光刻胶上，通过曝光、显影将目标图形印刻到特定材料上的技术，可以简单理解为画图过程，是晶圆制造中最重要的技术。光刻工艺包括三个核心流程：涂胶、对准和曝光以及光刻胶显影，整个过程涉及光刻机，涂胶显影机、量测设备以及清洗设备等多种核心设备，其中价值量最大且技术壁垒最高的部分就是光刻机。 光刻机经过多年发展，已经演化出五代产品，由光源波长进行区分可以分为可见光（g-line），紫外光（i-line），深紫外光（KrF、ArF）以及极紫外（EUV）几大类，从工作类型又可以分为接触式、扫描式、步进式、浸没式等方式。不同类型的光刻机主要是为了满足日益提升的制程需求，当前最先进的3nm制程只能通过EUV光刻机才能实现。 全世界没有任何一家公司可以独立制造光刻机，其生产技术要求极高，可以分为十一个主要部件，包含超过十万个零件，涉及上下游多家供应商，具有极强的生态属性。光刻机的主要部件有工件台、激光源、光束矫正器、能量控制器、光束形状设置、遮光器、能量探测器、掩模台、物镜、封闭框架与减震器。 目前全球光刻机市场几乎由ASML、尼康和佳能三家厂商垄断，其中又以ASML一家独大。由于光刻机需要超十万个零部件，在各大晶圆厂不断扩产的背景下，光刻机的交货时间一再推迟，EUV光刻机的交期已经推迟到24个月以后。从销量来看，2021年ASML占比65%，出货量达到309台，力压尼康和佳能，其中EUV/ArFi/ArF高端光刻机占比分别为100%/95．3%/88%。从销额来看，EUV光刻机单价超过1亿欧元，最新一代0．55NA大数值孔径EUV光刻机单价甚至超过4亿欧元，全球仅有ASML可提供，使其占据市场绝对龙头地位，2021年市场份额达到85．8%。 目前国内具备光刻机生产能力的企业主要是上海微电子装备，主要致力于半导体装备、泛半导体装备、高端智能装备的开发、设计、制造、销售及技术服务。公司设备广泛应用于集成电路前道、先进封装、FPD面板、MEMS、LED、PowerDevices等制造领域。公司的光刻机产品有SSX600和SSB500两个系列，其中SSX600系列主要应用于IC前道光刻工艺，可满足IC前道制造90nm、110nm、280nm关键层和非关键层的光刻工艺需求；SSB500系列光刻机主要应用于IC后道先进封装工艺。 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、 半导体设备行业发展现状 （一）市场规模 中国半导体设备的市场规模增速明显，从2017年的554．18亿元增长至2019年的905．70亿元。2020年，中国半导体设备市场亦保持快速增长趋势，销售额为1260．62亿元，同比增长达39．2%，成为全球第一大半导体设备市场；2021年，中国半导体设备市场连续增长，销售额为1993．35亿元，同比增长达58．1%，连续两年成为全球第一大半导体设备市场。2022年中国半导体预计将继续增长，规模达到2745．15亿元。 （二）市场结构 从细分产品来看，光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备为半导体设备主要核心设备，分别占比24%、20%、20%。其次为测试设备和封装设备，分别占比9%、6%。 （三）进口情况 中国半导体设备行业整体国产化率的提升还处于起步阶段，目前国内半导体生产厂商所使用的半导体设备仍主要依赖进口。根据中国电子专用设备工业协会的统计，2021年半导体设备进口46894台，合计进口额1147．96亿元，同比分别增长84．3%和56．4%。 （四）国产化率情况 中国设备产业未来10年，第一步将迎接中国半导体产业对设备投资需求成倍的增长，同时目标将国产化率从平均5%~10%，提升到70%~80%以上甚至更高；第二步中国设备技术能力与国际厂商同台竞技之后，实现打开国门走向世界。 只有在设备上拥有核心技术升级与迭代能力，才能真正实现半导体制造上实现超越，国产化率是当务之急，也势不可挡。 薄膜沉积是晶圆制造的三大核心步骤之一，薄膜的技术参数直接影响芯片性能。半导体器件的不断缩小对薄膜沉积工艺提出了更高要求，而ALD技术凭借沉积薄膜厚度的高度可控性、优异的均匀性和三维保形性，在半导体先进制程应用领域彰显优势。 用于薄膜沉积的技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）。其中ALD技术是一种将物质以单原子膜的形式逐层镀在基底表面的方法，能够实现纳米量级超薄膜的沉积。目前ALD技术可以细分为TALD、PEALD、SALD等，制备的薄膜类型包括氧化物、氮（碳）化物、金属与非金属单质等，涵盖介电层、导体和半导体。ALD反应的自限制性和窗口温度较宽的特征，使其生长的薄膜具有很好的台阶覆盖率、大面积均匀、致密无孔洞等优势，且厚度等沉积参数易于精确控制。ALD技术特别适合复杂形貌、高深宽比沟槽表面的薄膜沉积，被广泛应用于High-K栅介质层、金属栅、铜扩散阻挡层等半导体先进制程领域。 2020年，全球ALD设备市场规模约占薄膜沉积设备整体市场的11%。从晶圆厂设备投资构成来看，薄膜沉积设备投资额占晶圆制造设备总投资额的比重约达25%。随着全球和国内晶圆厂的加速建设和扩产，以及半导体器件结构向更细微演进，ALD设备市场空间广阔。 根据SEMI，全球晶圆产能2022年将增长8%，2020年至2024年期间，中国大陆和中国台湾将分别增加8家和11家300mmFab厂，合计约占全球新增数量的50%。在Fab厂设备投资额构成中，前道晶圆制造设备占比高达80%，其中薄膜沉积设备投资额约占晶圆制造设备的25%。MaximizeMarketResearch统计显示，2017至2020年全球半导体薄膜沉积设备市场规模从125亿美元增至172亿美元，CAGR达11．2%，预计2025年可达340亿美元。根据Gartner统计，2020年ALD设备市场规模约占薄膜沉积设备的11%，SEMI预测，受益于半导体先进制程产线数量增加，2020年至2025年全球ALD设备销售额CAGR将达到26．3%，远高于PVD和PECVD设备的增速，市场前景可观。 半导体ALD设备市场由海外厂商高度垄断。2020年，我国薄膜沉积设备国产化率为8%，虽然较2016年的5%有所提升，但总体水平尤其是中高端设备的国产占比仍然较低。 在国际市场，ASMI、TEL、Lam、AMAT等知名半导体厂商均提供ALD设备，其中ASMI为全球ALD