集成電路設(shè)備包括前道制造設(shè)備與后道封測(cè)設(shè)備。前道集成電路制造設(shè)備可進(jìn)一步細(xì)分為晶圓制造設(shè)備與晶圓加工設(shè)備。其中,晶圓制造設(shè)備采購(gòu)方為硅片工廠,用于生產(chǎn)鏡面晶圓;晶圓加工設(shè)備采購(gòu)方為晶圓代工廠/IDM,以鏡面晶圓為基材實(shí)現(xiàn)對(duì)于帶有芯片晶圓的制造;后道檢測(cè)設(shè)備采購(gòu)方為專業(yè)的封測(cè)工廠,并最終形成各類芯片產(chǎn)品。
圖13:集成電路設(shè)備行業(yè)邏輯圖資料來(lái)源:申港證券研究所
晶圓加工設(shè)備占集成電路設(shè)備總規(guī)模約 80%。基于 SEMI 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2018 年全球晶圓加工設(shè)備總規(guī)模為 521.5 億美元,占設(shè)備投資總額約 81%;測(cè)試設(shè)備總規(guī)模為 56.32 億美元,占比約 9%;封裝設(shè)備總規(guī)模為 40.13 億美元,占比約 6%;其他前道設(shè)備(硅片制造)總規(guī)模為 26.93 億美元,占比約 4%。
圖14:2018 年全球集成電路設(shè)備價(jià)值構(gòu)成 資料來(lái)源:SEMI,申港證券研究所
2018 年全球集成電路設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模為 645.3 億美元。自 2016 年以來(lái),全球集成電路設(shè)備市場(chǎng)保持連年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),從區(qū)間底部 365.3 億美元增長(zhǎng)至 2018 年的 645.3億美元。2019 年受制于存儲(chǔ)器價(jià)格下降導(dǎo)致的資本擴(kuò)張縮減,上半年銷售規(guī)模為271 億美元,同比下降 19.66%。
圖15:全球集成電路設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模 資料來(lái)源:SEMI,申港證券研究所
2018 年我國(guó)集成電路設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模為 131.1 億美元。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)自 2013 年以來(lái)市場(chǎng)規(guī)模逐年提升,截止至 2018 年年末已占全球總市場(chǎng)約 20.32%。國(guó)產(chǎn)化方面,2018年國(guó)產(chǎn)集成電路設(shè)備銷售額 45.10 億元,同比增長(zhǎng) 58.41%,預(yù)計(jì)至 2020 年將增長(zhǎng)至 90 億元。另一方面,目前集成電路設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率僅為 4.88%。
圖16:我國(guó)集成電路設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模 資料來(lái)源:SEMI,申港證券研究所
圖17:我國(guó)國(guó)產(chǎn)集成電路設(shè)備歷年銷售額資料來(lái)源:中國(guó)電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會(huì),申港證券研究所
圖18:我國(guó)集成電路設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率資料來(lái)源:SEMI,中國(guó)電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會(huì),申港證券研究所
2.晶圓制造設(shè)備:?jiǎn)尉t與 CMP 拋光機(jī)為核心構(gòu)成
集成電路硅片制造工藝復(fù)雜,包括硅提煉與熔煉、單晶硅生長(zhǎng)與成型。集成電路硅片制造工藝流程包括拉拉晶→切片→磨片→倒角→刻蝕→拋光→清洗→檢測(cè)。各環(huán)節(jié)中,關(guān)鍵流程為拉晶、拋光、檢測(cè),相對(duì)應(yīng)的設(shè)備分別為單晶爐、CMP 拋光機(jī)、檢測(cè)設(shè)備。
圖19:集成電路硅片工藝流程圖 資料來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)資料、申港證券研究所
集成電路硅片生產(chǎn)以直拉法為主。將多晶硅拉制成單晶硅包括兩種工藝,分別為區(qū)熔法與直拉法,其中,集成電路領(lǐng)域硅片主要采用直拉法制成。拉晶環(huán)節(jié)工序主要為將純凈硅加熱成熔融狀態(tài)→籽晶伸入裝有熔融硅的旋轉(zhuǎn)坩堝中→新晶體在初期籽晶上均勻延伸生長(zhǎng)→生產(chǎn)單晶硅錠。
圖20:晶體生長(zhǎng)示意圖資料來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)資料、申港證券研究所
晶圓制造設(shè)備占設(shè)備投資總額約 3%~5%。正如本文 3.1 小節(jié)所提到的,2018 年全球集成電路設(shè)備價(jià)值構(gòu)成中,晶圓加工設(shè)備、晶圓制造設(shè)備占比分別為 81%、4%。具體來(lái)看,晶圓制造設(shè)備包括單晶爐、切割機(jī)、滾圓機(jī)、截?cái)鄼C(jī)、研磨系統(tǒng)、倒角機(jī)、刻蝕機(jī)、拋光機(jī)、清洗設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備等。其中,單晶爐、CMP 拋光機(jī)分別占晶圓制造設(shè)備額約 25%、25%。單晶爐由爐體、熱場(chǎng)、磁場(chǎng)、控制裝置等部件構(gòu)成,其中,控制爐內(nèi)溫度的熱場(chǎng)與控制晶體生長(zhǎng)形狀的磁場(chǎng)為決定單晶爐性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。
圖21:晶圓制造設(shè)備價(jià)值構(gòu)成資料來(lái)源:申港證券研究所
競(jìng)爭(zhēng)格局:內(nèi)資供應(yīng)商在太陽(yáng)能單晶爐領(lǐng)域已具備完全競(jìng)爭(zhēng)力,其中,綜合實(shí)力居前企業(yè)包括晶盛機(jī)電、南京晶能等。另一方面,國(guó)內(nèi)集成電路領(lǐng)域能夠供應(yīng) 12 英寸單晶爐的供應(yīng)商目前數(shù)量尚小。
表5:集成電路晶圓制造設(shè)備供應(yīng)商一覽資料來(lái)源:申港證券研究所
晶圓加工設(shè)備:行業(yè)呈現(xiàn)典型的寡頭壟斷格局
集成電路晶圓加工包括七個(gè)相互獨(dú)立的工藝流程,分別為(a)擴(kuò)散(Thermal Process);(b)光刻(Photo-Lithography);(c)刻蝕(Etch);(d)離子注入(IonImplant);(e)薄膜生長(zhǎng)(Dielectric Deposition);(f)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP);(g)金屬化(Metalization)。集成電路晶圓加工過程中涉及到的設(shè)備包括光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜設(shè)備、擴(kuò)散/離子注入設(shè)備、濕法設(shè)備、CMP 拋光設(shè)備、過程檢測(cè)設(shè)備等。
圖22:2018 年全球集成電路晶圓加工設(shè)備價(jià)值構(gòu)成資料來(lái)源:SEMI,申港證券研究所
集成電路晶圓加工設(shè)備占設(shè)備總投資約 75%~80%,其中,刻蝕設(shè)備、光刻設(shè)備、薄膜沉積設(shè)備為前道工序三大核心設(shè)備。根據(jù) SEMI 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2018 年晶圓加 工設(shè)備價(jià)值構(gòu)成中,刻蝕、光刻、CVD 設(shè)備占比分別為 22.14%、21.30%、16.48%。
圖23:全球集成電路晶圓加工設(shè)備供應(yīng)商行業(yè)集中度資料來(lái)源:申港證券研究所
全球競(jìng)爭(zhēng)格局:集成電路晶圓加工設(shè)備市場(chǎng)高度集中。我們統(tǒng)計(jì)了全球集成電路晶圓加工設(shè)備供應(yīng)商在各自細(xì)分品類的行業(yè)集中度,行業(yè)呈現(xiàn)典型的寡頭壟斷格局??傮w來(lái)看,行業(yè)前十大設(shè)備供應(yīng)商市場(chǎng)占有率逾 80%。光刻機(jī)市場(chǎng)尤為典型,荷蘭ASML 基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)于全球高端光刻機(jī)市場(chǎng)的壟斷。
表6:我國(guó)集成電路晶圓加工設(shè)備供應(yīng)商分布資料來(lái)源:賽迪,申港證券研究所
我國(guó)競(jìng)爭(zhēng)格局:我國(guó)集成電路晶圓加工設(shè)備行業(yè)仍處于發(fā)展初步階段的高速發(fā)展期,呈現(xiàn)較為明顯的地域集聚性,供應(yīng)商主要集中于北京、上海、遼寧等城市。目前,國(guó)內(nèi)集成電路 12 英寸、28 納米制程主要設(shè)備已成功進(jìn)入量產(chǎn)線,具體包括薄膜沉積設(shè)備、CMP 拋光設(shè)備、刻蝕機(jī)、清洗設(shè)備、離子注入機(jī)等,其中,刻蝕機(jī)已具備一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
1.光刻機(jī):ASML 壟斷超高端市場(chǎng)光刻機(jī)為大規(guī)模集成電路核心設(shè)備。
光源作為光刻機(jī)的核心構(gòu)成,很大程度上決定了光刻機(jī)的工藝水平。光源的變遷先后經(jīng)歷:(a)紫外光源(UV:Ultraviolet Light),波長(zhǎng)最小縮小至 365nm;(b)深紫外光源(DUV:Deep Ultraviolet Light),其中ArF Immersion 實(shí)際等效波長(zhǎng)為 134nm;(c)極紫外光源(EUV:Extreme UltravioletLight),目前大部分最高工藝制程半導(dǎo)體芯片均采用 EUV 光源。
表7:光刻機(jī)光源類型資料來(lái)源:IC 咖啡,申港證券研究所
競(jìng)爭(zhēng)格局:全球龍頭為荷蘭 ASML,其他包括日本 Nikon、日本 Canon 等。國(guó)內(nèi)從事集成電路光刻機(jī)生產(chǎn)制造的企業(yè)主要為上海微電子(SMEE)與中國(guó)電科(CETC)旗下的電科裝備。
ASML2017 年光刻機(jī)全球市占率 87.4%,其 EUV 光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)全球壟斷;
Nikon2017 年光刻機(jī)全球市占率 10.3%,相較 ASML 在價(jià)格方面具備一定優(yōu)勢(shì);
Canon 主要集中于面板等領(lǐng)域,高端光刻機(jī)市場(chǎng)參與不多;
SMEE 為全球 LED 光刻機(jī)主要供應(yīng)商,作為國(guó)內(nèi)高端光刻機(jī)的龍頭,2018 年 3月其所承擔(dān)的“02 專項(xiàng)”“90nm 光刻機(jī)”通過國(guó)家驗(yàn)收,為全球第四家掌握光刻機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成技術(shù)的企業(yè),但相較于 ASML 代表的先進(jìn)水平仍有差距。
圖24:ASML 基本壟斷超高端光刻機(jī)市場(chǎng) 資料來(lái)源:申港證券研究所
2.刻蝕機(jī):芯片線寬的縮小以及新制造工藝的采用使刻蝕機(jī)使用量有所增加
刻蝕機(jī)為晶圓制造三大主要設(shè)備之一,包括兩種基本的刻蝕工藝,分別為干法刻蝕與濕法腐蝕。其中,干法刻蝕(代表為等離子體干法刻蝕)為主流刻蝕技術(shù),濕法腐蝕常用于尺寸較大(大于 3 微米)場(chǎng)景或去除干法刻蝕后的殘留物。根據(jù)被刻蝕材料的不同,干法刻蝕還可以進(jìn)一步分為金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕、硅刻蝕。
圖25:刻蝕工藝應(yīng)用圖例資料來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)資料、申港證券研究所
競(jìng)爭(zhēng)格局:根據(jù) The Information Network 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2017 年全球刻蝕機(jī)主要供應(yīng)商包括泛林半導(dǎo)體(Lam Research)、東京電子(Tokyo Electron)、應(yīng)用材料(Applied Materials),其全球市占率分別為 55%、20%、19%。國(guó)內(nèi)供應(yīng)商以中微公司、北方華創(chuàng)為代表,預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)市占率接近 20%。其中,中微公司以介質(zhì)刻蝕機(jī)為主,5nm 刻蝕機(jī)產(chǎn)品已通過臺(tái)積電驗(yàn)證;北方華創(chuàng)以硅刻蝕機(jī)為主,14nm 等離子硅刻蝕機(jī)已進(jìn)入集成電路主流工廠。
圖26:刻蝕機(jī)全球競(jìng)爭(zhēng)格局(2017 年)資料來(lái)源:The Information Network,申港證券研究所
價(jià)值構(gòu)成:集成電路器件互連層數(shù)的增多,將帶來(lái)刻蝕設(shè)備需求量的增大。隨著芯片線寬的縮小以及新制造工藝的采用,對(duì)于刻蝕技術(shù)的精確度與重復(fù)性提出了更高的要求。同時(shí),3D NAND 通過增加堆疊的層數(shù)增加集成度,要求刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高的深寬比。
3. 薄膜沉積設(shè)備:應(yīng)用材料在 PVD 領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯
集成電路薄膜材料制造廣泛采用的工藝為物理氣相沉積 PVD(Physical VaporDeposition)與化學(xué)氣相沉積 CVD(Chemical Vapor Deposition)等。物理氣相沉積指將材料源表面氣化并通過低壓氣體/等離子體在基體表面沉積,包括蒸發(fā)、濺射、離子束等;化學(xué)氣相沉積指將含有薄膜元素的氣體通過氣體流量計(jì)送至反應(yīng)腔晶片表面反應(yīng)沉積,包括低壓化學(xué)氣相沉積 LPCVD、金屬有機(jī)化合物氣相沉積MOCVD、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 PECVD 等。
表8:主要薄膜沉積方法例舉 資料來(lái)源:設(shè)備管理與維修,申港證券研究所
原子層沉積 ALD 屬于化學(xué)氣相沉積的一種,區(qū)別在于化學(xué)吸附自限制(CS)與順次反應(yīng)自限制(RS),每次反應(yīng)只沉積一層原子,從而具備成膜均勻性好、薄膜密度高、臺(tái)階覆蓋性好、低溫沉積等優(yōu)點(diǎn),適用于具有高深寬比、三維結(jié)構(gòu)基材。
圖27:制膜技術(shù)比較資料來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)資料、申港證券研究所
全球競(jìng)爭(zhēng)格局:集成電路 PVD 領(lǐng)域主要被美國(guó)應(yīng)用材料(Applied Materials)、瑞士 Evatec、日本愛發(fā)科(Ulvac)所壟斷,其中應(yīng)用材料占比約 85%;CVD 領(lǐng)域全球主要供應(yīng)商為美國(guó)應(yīng)用材料(Applied Materials)、東京電子(Tokyo Electron)、泛林半導(dǎo)體(Lam Research),其中應(yīng)用材料占比約 30%。
國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)格局:國(guó)內(nèi)集成電路領(lǐng)域沉積設(shè)備供應(yīng)商主要為沈陽(yáng)拓荊與北方華創(chuàng)。
沈陽(yáng)拓荊:兩次承擔(dān)國(guó)家“02 專項(xiàng)”,產(chǎn)品包括 12 英寸 PECVD、ALD、3D NANDPECVE,ALD 設(shè)備于 2018 年通過客戶 14nm 工藝制程驗(yàn)收。北方華創(chuàng):集成電路領(lǐng)域 14nm 工藝制程等離子硅刻蝕機(jī)、單片退火系統(tǒng)、LPCVD成功進(jìn)入主流代工廠。
4.摻雜設(shè)備:全球集成電路離子注入機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約 18 億美元
摻雜工藝的實(shí)現(xiàn)包括高溫?zé)釘U(kuò)散法、離子注入法。其中,離子注入即通過對(duì)半導(dǎo)體材料表面進(jìn)行某種元素的離子注入摻雜的工藝制程,目的為改變半導(dǎo)體的載流子濃度與導(dǎo)電類型。根據(jù)能量高低離子注入機(jī)包括低能/中能/高能/兆伏離子注入機(jī);根據(jù)束流大小包括小/中/大束流離子注入機(jī),其中。大束流離子注入機(jī)包括強(qiáng)/超強(qiáng)流離子注入機(jī),低能大束流技術(shù)難度最高。
圖28:離子注入機(jī)構(gòu)造 資料來(lái)源:公司公告、申港證券研究所
市場(chǎng)規(guī)模:離子注入機(jī)作為集成電路關(guān)鍵制程設(shè)備之一,價(jià)值占比通常為設(shè)備總投資額約 2.5%~3.0%。目前,全球集成電路離子注入機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約 18 億美元。
圖29:全球離子注入機(jī)競(jìng)爭(zhēng)格局 資料來(lái)源:Trendforce,申港證券研究所
圖30:全球低能大束流離子主機(jī)競(jìng)爭(zhēng)格局資料來(lái)源:申港證券研究所
競(jìng)爭(zhēng)格局:集成電路領(lǐng)域離子注入機(jī)競(jìng)爭(zhēng)格局高度集中。供應(yīng)商主要為美國(guó)應(yīng)用材料(Applied Materials)與美國(guó)亞舍立科技(Axcelis),其全球市占率分別為 70%、 17%。其中,AMAT 曾于 2011 年作價(jià) 42 億美元實(shí)現(xiàn)對(duì)于美國(guó)瓦里安(Varian)的并購(gòu)。一般來(lái)說(shuō),技術(shù)難度最高的低能大束流離子注入機(jī)占比約為 55%,主要供應(yīng)商包括 AMAT、Axcelis、AIBT,市占率分別為 40%、32%、25%。北京中科信為國(guó)內(nèi)離子注入機(jī)龍頭,此外,供應(yīng)商還包括凱世通等。
5. 濕法設(shè)備:預(yù)計(jì)至 2020 年全球規(guī)模提升至 37 億美元
濕法設(shè)備分為槽式濕法設(shè)備與單片式濕法設(shè)備,由于集成電路線寬的不斷縮小,單片式濕法設(shè)備成為主流。濕法晶圓清洗指通過離子水、清洗機(jī)等清洗晶圓表面并隨之濕潤(rùn)再干燥,為主流的清洗方法。構(gòu)成來(lái)看,濕法設(shè)備包括主要包括清洗設(shè)備、去膠機(jī)、濕法刻蝕機(jī)。半導(dǎo)體加工環(huán)節(jié)中,清洗占總工序超過三成。
圖31:濕法設(shè)備原理示意圖資料來(lái)源:公司公告、申港證券研究所
市場(chǎng)規(guī)模:根據(jù) SEMI 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2017 年全球半導(dǎo)體清洗設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模為 32.3億美元,較 2016 年增長(zhǎng) 19.63%,預(yù)計(jì)至 2020 年將進(jìn)一步提升至 37 億美元。VLSI的數(shù)據(jù)顯示,2018 年全球前道單片式清洗設(shè)備銷售額為 22.69 億美元,預(yù)計(jì)至 2023年將提升至 23.14 億美元。通常,清洗設(shè)備占晶圓加工設(shè)備總投資約 5%~6%。
圖32:全球前道單片式清洗設(shè)備銷售額(億美元) 資料來(lái)源:VLSI,申港證券研究所
競(jìng)爭(zhēng)格局:濕法清洗設(shè)備領(lǐng)域,全球龍頭主要包括日本迪恩士(Dainippon Screen)、日本東京電子(Tokyo Electron Limited)、美國(guó)泛林半導(dǎo)體(Lam Research)等,其中,SCREEN 全球市占率約 60%,行業(yè)前三市占率達(dá) 87.7%。國(guó)內(nèi)企業(yè)方面,主要包括盛美半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)、屹唐半導(dǎo)體等。其中,
盛美半導(dǎo)體基于 SAPS 與 TEBO 技術(shù)的單片清洗設(shè)備銷量領(lǐng)先,其 2017 年全球市占率約 1.5%;w 北方華創(chuàng)于 2018 年完成對(duì)于美國(guó) Akrion 的收購(gòu);
亦莊國(guó)投通過屹唐半導(dǎo)體于 2016 年作價(jià) 3 億美元成功收購(gòu)美國(guó) Mattson,其在刻蝕、快速熱處理(RTP)、光刻膠剝離與清洗等領(lǐng)域擁有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
6.化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備:全球 CMP 設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約 18.4 億美元
化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)用于晶片表面平坦化,所需要用到的設(shè)備與耗材包括 CMP 設(shè)備、研漿、拋光墊、后 CMP 清洗設(shè)備、拋光終點(diǎn)檢測(cè)及工藝控制設(shè)備、研漿分布系統(tǒng)、廢物處理和測(cè)量設(shè)備等。其中,耗材主要為拋光漿料與拋光墊。
圖33:化學(xué)機(jī)械拋光原理示意圖 資料來(lái)源:賽迪顧問,申港證券研究所
市場(chǎng)規(guī)模:通常,化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備占晶圓加工設(shè)備投資額約 4%。2018 年,全球化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模 18.4 億美元,其中,中國(guó)市場(chǎng)占比 25%位居第二。
圖34:全球化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備構(gòu)成(按地區(qū)) 資料來(lái)源:SEMI,申港證券研究所
圖35:全球化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)格局資料來(lái)源:Gartner,申港證券研究所
競(jìng)爭(zhēng)格局:全球化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備市場(chǎng)呈現(xiàn)寡頭壟斷競(jìng)爭(zhēng)格局,供應(yīng)方主要為美國(guó)應(yīng)用材料(Applied Materials)與日本荏原(Ebara),其 2017 年全球市占率分別為71.3%、26.8%。行業(yè)呈現(xiàn)高度集中主要由于過去 20 年間企業(yè)間并購(gòu)頻率較高。相較于 AMAT,荏原在亞洲市場(chǎng)更具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),份額也相對(duì)更高。國(guó)內(nèi)方面,供應(yīng)商主要有 2 家,分別為華海清科與中電科 45 所。其中,
中電科 45 所:2017 年公司具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 200mm 化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備完成所內(nèi)測(cè)試送至中芯國(guó)際天津驗(yàn)證,其為國(guó)產(chǎn) CMP 設(shè)備首次進(jìn)入集成電路大生產(chǎn)線;2018 年,通過一年生產(chǎn)線工藝驗(yàn)證,設(shè)備通過中芯國(guó)際天津驗(yàn)證。華海清科:2018 年,繼在中芯國(guó)際順利完成 IMD/ILD/STI 工藝產(chǎn)品批量生產(chǎn)后,公司 Cu&Si CMP 設(shè)備進(jìn)入上海華力