产能为王,半导体设备投资报告发布

云岫资本

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· 11月5日

今年全球半导体设备市场规模预计将达到953亿美元。

图片来源@视觉中国

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文 | 云岫资本 

全球设备龙头上调收入预测,扩产大周期已至

 从1999年到现在的20年,全球半导体行业正在经历一个长期增长、短期波动的大周期过程,这种周期性的波动主要来自下游应用的起伏

个人电脑的普及和互联网的涌现,MP3/MP4等消费电子的迭起,智能手机及移动互联网的浪潮,分别给半导体行业带来三段大增长周期。互联网泡沫、金融危机、存储泡沫也曾令半导体走入下行。2020年开始,全球半导体市场再次火热。

从短期来看,缺芯潮是本轮半导体扩产的启动点,而疫情下,以PC为代表的传统IT市场需求增长是其内生因素之一。

从长期来看,两方面因素叠加催生半导体行业大扩产周期。

第一是云厂商的需求持续增长。

随着数据⼤爆炸时代来临,全球数据量激增。北美四大云厂商的Capex(资本性支出)今年整体水平超过千亿美元,半导体进⼊数据中⼼驱动时代。 

第二是汽车半导体市场的增长。

汽车向电动化、⽹联化、智能化升级的过程中,整体产业链向中国转移,智能汽车芯片种类增多,单车半导体价值增大。从2020年到2026年,全球汽车半导体市场规模约有74%的提升。(关于数据中心芯片及汽车半导体的具体投资分析,可点击查看云岫资本6月发布的《2021中国半导体投资深度分析与展望》行业报告)

下游市场的迅猛发展使得半导体FAB厂商上调资本开支预期。2019年半导体FAB的Capex为944亿美元,今年预计将接近1400亿美元,并在未来几年都将维持目前的高水平。全球设备龙头上调收入预测,扩产大周期已至。

从ASML的收入预测可以推算整体半导体设备市场规模区间。

2020年ASML收入为163亿美元,全球半导体设备的市场规模是712亿美元;2025年,ASML收入预计能达到280亿美元到350亿美元,按照同等比例推测,2025年半导体设备的市场规模将在1200亿美元到1500亿美元区间。 

据SEMI统计,到2022年,全球将扩建29座晶圆厂,产能最高可达每月40万片。中国大陆和中国台湾将各扩建8座晶圆厂,是其中主要的发力方。

根据SEMI数据来看,近年来半导体设备整体规模稳步提升,2020年,中国大陆的市场占比也从2019年的22.5%提升到26.2%,成为超过中国台湾的第一大市场。

据预测,今年全球半导体设备市场规模预计将达到953亿美元,其中817亿美元来自制造设备,76亿来自测试设备,60亿来自封装设备

半导体制造流程各环节设备市场空间及格局

半导体制造工业流程分为三大板块:硅片生长、晶圆制造和封装测试,其设备2020年全球市场规模占比分别为3.6%,82.6%,14.8%。

硅片生长是将硅材料加工成硅片的过程。这个过程中,从拉单晶、到晶棒加工、切片、研磨、倒角,再到抛光,设备国产化率逐渐降低。

前道是指晶圆制造厂的加工过程,在空白的硅片完成电路的加工,出厂产品依然是完整的圆形硅片。在晶圆制造过程中,通过热处理、薄膜沉积、涂光刻胶、曝光、显影、刻蚀等一系列步骤的循环往复,形成有电路结构的硅片。其中光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备是三大主设备,占据70%以上的市场

后道封测是指封装和测试的过程,在封测厂中将圆形的硅片切割成单独的芯片颗粒,完成外壳的封装,最后完成终端测试,出厂即为半导体产品。

处理设备

热处理是晶圆制造的第一步。具体设备包括氧化炉、扩散炉、退火炉、快速退火(RTP)炉等。

2020年全球热处理设备市场规模15.37亿美元,其中快速热处理设备7.19亿美元,占比46.8%。这个领域中,应用材料占比69.72%,全球第一;中国厂商唐股份占比11.5%,全球第二。

热处理设备属于相对技术难度不高的领域,市场参与企业较多,我国企业已实现一定程度的国产替代

薄膜沉积设备

薄膜沉积是制造过程中的一个重要环节,通过薄膜沉积工艺可以在晶圆上生长出各种导电薄膜层、介质薄膜层和绝缘薄膜层,为后续工艺打下基础。薄膜沉积设备是三大主设备之一。

根据工作原理不同,薄膜沉积工艺可分为物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)三大类,不同类别的技术差异大。随着制程精进,要沉积的层更多,薄膜沉积设备市场空间在不断扩大。

然而,中国薄膜沉积设备领域国产化率仅有2%,98%依赖进口,未来替代空间巨大。

国内厂商中,北方华创拓荆科技处于领先地位,北方华创CVD、PVD等相关设备已具备28nm工艺水平,拓荆科技CVD和ALD相关设备已成功应用于14nm及以上制程集成电路制造产线,和更先进制程的产品验证测试。

光刻机

光刻技术是指在特定波长的光照作用下,借助光刻胶将掩膜板上的图形转移到基片上的技术,是半导体制造的核心步骤。整个光刻工艺需要用到光刻机、涂胶/显影机、喷胶机、去胶设备等,其中光刻机是整个光刻工艺乃至整个半导体制造工艺中最核心的设备,也是三大主设备之一。

先进制程EUV光刻机销量占比最低,但价格昂贵。2020年全球光刻机销售额达到151亿美元,其中EUV销售额为53.5亿美元,占比排名第一。随着制程的不断下探,其占比会不断提高。

目前,ASML几乎垄断了整个EUV市场,在高端光刻机领域具有绝对领先优势

国内光刻机已经实现了从0到1——上海微电子的90nm DUV光刻机已通过验收,45nm、28nm光刻机等在研发过程中。

光刻机技术极为复杂,主要涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术,生产一台光刻机往往涉及到上千家供应商,因此国产光刻机的核心零部件需和上游厂商共同完成。

目前国内光刻机的投资机会,更多在于核心组件,如双工件台、光源系统、曝光系统、浸没系统、物镜系统、光栅系统,以及配套设施,比如光刻胶、光刻气体、掩膜板、缺陷检测、涂胶显影等。

涂胶显影设备

涂胶显影设备是光刻工艺中的设备,包括涂胶机、喷胶机和显影机等,作用于光刻的输入和输出环节,具体包括在曝光前涂胶机进行光刻胶涂覆,以及在曝光后显影机进行显影。这些均由涂胶显影设备与光刻机联机作业。

全球前道涂胶显影设备市场规模2020年为19.05亿美元。涂胶显影设备在前道和后道工艺中均有应用,前道占据95%以上。

目前全球市场主要被东京电子垄断,国内,芯源微产品已在上海华力、长江存储、中芯绍兴、上海积塔等多个客户处有验证和导入。

刻蚀机

最后一个主设备是刻蚀机。刻蚀是半导体电路布局中的重要步骤,它一般用光刻胶的图形作为掩膜,在衬底上去除一定深度的薄膜物质,完成图案从光刻胶到晶圆上的转移。

刻蚀可分为干法和湿法。干法刻蚀在整体市场占比最高,达到90%左右,可分为反应离子刻蚀(CCP、ICP)和反应原子刻蚀;湿刻只占了10%。

全球刻蚀设备市场行业集中度很高。根据Gartner数据,2020年全球干法刻蚀设备市场主要被泛林半导体、东京电子、应用材料三家海外巨头所占据,合计90.24%。 国内厂商处于追赶阶段,全球市场占有率较低,仍有较大的发展空间。

随着工艺制程的不断迭代,刻蚀的步骤不断增加,刻蚀的价值量处在不断提升的过程中。

去胶设备

光刻、刻蚀完成后,还需要在不损坏底层材料和结构的情况下清除各类光刻胶,这需要去胶设备。

去胶设备市场相对较小,2020年全球市场规模为5.38亿美元。这个领域我国已完成绝大部分国产替代屹唐的干法去胶设备更是世界一流,全球市占率超过30%。在国内则占据90%的市场。

清洗设备

每一轮沉积、光刻、刻蚀之后均需要清洗步骤,它占据整个晶圆制造工艺的30%,清洗的工序数量也在随着技术节点的精进而增加。

清洗的作用是去除前一步工艺中残留的杂质,为后续工艺做准备,同时也提升良率。随着线宽不断缩小,IC对杂质越来越敏感,因此清洗过程变得尤为重要。

清洗设备全球市场规模在25亿~30亿美元之间,是会较快实现国产化的市场

2019年中国半导体清洗设备招标份额中,依然以国外厂商为主,迪恩士占比48%,泛林半导体占比20%,东京电子占比6%;国内企业合计占比22%。其中盛美股份占比20.5%,在国内企业中排名第一,在所有企业中排名第二,北方华创占比1%,源微占比0.5%,至纯科技近年技术突破较快,有产品在客户处验证。

CMP

CMP技术,即化学机械抛光,是集成电路制造前道工序、先进封装等环节必需的关键工艺,也是集成电路制造的核心技术,主要目的是实现芯片的平坦化。

CMP设备包括抛光、清洗、传送三大模块,在工作中关键难点在于精密的机械控制,核心挑战是平整度、均匀性和进程自动检测控制。

CMP耗材对该道工艺的最终性能至关重要,与上游供应商的合作对CMP厂商尤为重要。

目前全球CMP市场规模在25亿美元左右,主要被AMAT荏原机械垄断。国内厂商已具备一定替代能力:华海清科已有12吋和8吋的CMP设备,并已导入中芯国际、长江存储等一线制造厂商,中电科45所的8吋设备也已导入中芯国际、华虹等厂商的产线,国内CMP设备市占率提升正当时。

离子注入设备

离子注入设备是前道制造的关键设备,为改变半导体载流子浓度、类型需要对半导体表面附近区域进行掺杂。这一过程的技术难度高,其注入的精细度需要随着芯片制程的精细而不断提高,重要性不亚于光刻、刻蚀和沉积,是先进制程芯片制造的关键技术之一。

然而,离子注入的重要性在14nm FinFET及以下制程有所下降,如源极和漏极的掺杂改为由外延生长完成。

离子注入设备全球市场规模为20亿美元左右,市场天花板相对较低。目前应用材料、亚舍利汉辰占据主要市场,其中应用材料一家独大,占据全球70%的市场份额。

国内万业企业旗下的凯世通、中电科旗下的中科信已有一定积累进展,也有产品已发往客户处进行验证。

过程检测设备

过程检测贯穿于整个半导体工艺流程,确保产品质量的可控性,影响着半导体的整体良率。

前道过程检测设备可分为量测和检测两大类。量测类设备主要用来对每一道工艺进行定量测量,包括薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套准精度等指标;检测设备主要用于检测晶圆上的物理缺陷和图案缺陷,比如有无颗粒污染、机械划伤等。

检测设备范围较广,相对应的机台也较多,2020年全球市场规模约90亿美元。随着制程精进,检测设备对良率提升的贡献与日俱增,市场增长迅猛。

目前市占率最高的过程检测设备公司是科磊,占据全球50%以上的市场。国内过程检测设备相对较多,精测电子、上海睿励、中科飞测、东方晶源、匠岭等厂商都有产品实现突破,并且有一定的导入,未来国产替代空间巨大。

封装设备

封装是半导体的一个后道工艺,主要是将合格晶圆切割,加工成能与外部器件相连的芯片。

封装所需的设备类型较多,主要包括贴片机、划片机/检测设备、引线焊接设备、塑封/切筋成型设备等。根据SEMI统计,2020年全球封装设备市场规模38亿美元,在全球半导体设备市场中占比5.3%,近年每年均保持在5%~6%的占比。

封装设备市场目前由国外机械厂商主导,ASMPacific、K&S、Besi等封装设备厂商的收入体量在50-100亿元规模,占据较多市场份额,基本上已完成全通道的打通。

试设备

后道测试设备主要应用于封测环节,目的是检查芯片的性能是否符合要求,偏向于功能性测试、电性测试等。

后道测试设备市场体量在60亿美元左右,具体包括测试机、探针台和分选机等。

各环节测试设备相互独立,无须绑定同一厂家,因此这一领域竞争激烈。目前美日巨头先发优势明显,通过并购不断扩张产品线;国内长川科技、华峰测控等上公司在这领域也有了较深的发力。

测试设备厂商通常需要提供定制化服务,与设计厂商进行反向开发,以此保证紧跟芯片产品需求。因此测试设备未来也有望成为国产化率较高的赛道。

半导体设备投资总结

根据以上分析,我们对于半导体设备投资得出三点结论。

第一,前道设备正在成为新一轮半导体周期下的投资热潮。

半导体大资本开支的周期是确定的,我们正处在一个半导体设备投资的黄金期。此外,国内晶圆厂的扩建也在加速国内前道设备的导入和转化,上游前道设备企业正迎来业绩爆发期。

第二,国产替代的大背景下,半导体初创设备公司从外围突破的成功率大幅提升。

三大主设备赛道长坡厚雪,需要持续积累;近期从非主流设备赛道切入的一级市场创业公司将迎来更快成长。比如过程检测、离子注入设备等国产化率低且成长性强的细分赛道。

第三,建议关注市场与技术两者兼得的初创半导体设备企业。

半导体设备公司与半导体制造厂商、芯片设计公司都有很深的协同,不仅需要深厚的行业know-how,也需要过硬的市场团队。因此,需要关注技术和市场双轮驱动的企业。

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