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国内半导体设备:先天不足,后天奋起

导读: 中芯国际创始人张汝京对我国集成电路产业曾有过这样的点评,“我国半导体产业发展最薄弱的环节就是材料和设备,但这也意味着市场机遇。

中芯国际创始人张汝京对我国集成电路产业曾有过这样的点评,“我国半导体产业发展最薄弱的环节就是材料和设备,但这也意味着市场机遇。”经过长期发展,我国企业在半导体应用、封装测试领域已发展到全球领先,拥有了完整的终端产业链,但在产业链前端环节非常薄弱。关于材料以及封装 ,小编在前文都有提及,感兴趣的朋友可以去看一下。这一篇文章,我们将着重来说半导体设备。

半导体设备是半导体产业最为重要的一环,是生产部门不可或缺的生产资料。从半导体产业链中可以看出,无论是上游设计制造,还是下游封装测试,几乎每一个产业环节都需要相关设备的投入。半导体设备主要应用于IC制造(前端设备)、IC封测(后道设备)两大领域。

其中,IC制造设备又包括晶圆制造设备和晶圆加工设备。其中晶圆制造设备主要由硅片厂(如SUMCO、金瑞泓、上海新昇)进行采购,最终产品为硅片;晶圆加工设备主要由代工厂(Foundry,如台积电、中芯国际、上海长虹)或IDM企业(如Intel、Samsung)进行采购,最终产品为芯片;IC封测设备通常由专门的封测厂(如日月光、Amkor、长电科技)进行采购,包括拣选、测试、贴片、键合等多个环节。

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半导体设备格局一览

据Gartner统计,全球规模以上晶圆制造设备商共计58家,其中日本的企业最多,达到 21 家,占36%,其次是欧洲13家、北美10家、韩国7家,而中国大陆仅4家,分别是上海盛美、上海中微、Mattson(亦庄国投收购)和北方华创,占比不到7%。

从半导体设备需求端来看,近几年销售额前三大地区分别是韩国、中国台湾和大陆。从半导体设备销售额情况看,从2014 年开始,北美半导体设备投资逐年减少,日本基本维持稳定,整个半导体制造的产能转移到了韩国、中国台湾和大陆三地。另外,从这三个地区市场份额占比来看,中国大陆买家买下了全球 15%的半导体设备,市场份额提升了近一倍,且一直处于稳步上升的状态。

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图:2017全球半导体设备市场规模(单位:十亿美元)

从供给侧来看,半导体设备是一个高度垄断的市场。根据各细分设备市场占有率统计数据,在光刻机、PVD、刻蚀机、氧化/扩散设备上,前三家设备商的总市占率都达 90%以上,而且行业龙头都能占据一半左右的市场,所以,要想在半导体装备市场中分一杯羹,就必须在细分领域能够做到全球前三。

美国处于领先地位

来自SEMI的最新数据显示,北美半导体设备制造商3月出货金额为24.2亿美元,比2月微增0.4%,年增16.7%,创17年来新高。这主要得益于近两年内存及晶圆代工投资持续带动。

美国半导体设备的发展起源于二战后期,由于军用计算机的带动,造就了最初的半导体产业,在之后的二三十年中,美国半导体产业稳步发展,奠定了其半导体设备行业的坚实基础。

来自北美的设备商主要包括:应用材料,泰瑞达、Axcelis Technologies,KLA-Tencor,Lam Research,Kulicke & Soffa、Nanometrics,Rave,Rudolph Technologies,Ultratech,Ushio等。

虽然在所有半导体设备厂商和市场中,美国跟随在日本和欧洲之后,处于第三的位置。但就晶圆处理设备而言,其实力非常强劲,在全球晶圆处理设备供应商前5名中,美国就占据了3席,分别是排名第一的应用材料(AMAT),市占率19%左右;第二的Lam Research,市占率13%左右;以及排名第5的KLA-Tencor,市占率6%左右。

具体而言,晶圆处理设备中,几个主要工序的设备也都基本处于行业龙头的高度垄断之中。其中,在PVD领域,应用材料公司占据了近 85%的市场份额,CVD占30%;刻蚀设备方面,Lam Research最多,市占率达53%,而KLA-Tencor在半导体光学检测领域,全球市占居冠。在各个领域中,前三大巨头的市场份额相加均超过70%,整个市场呈现强者恒强、高度垄断的状态。

应用材料可以说是全球最大的半导体设备公司了,产品横跨CVD、 PVD、刻蚀、CMP、RTP等除光刻机外的几乎所有半导体设备。应用材料2017财年营收为145.3亿美元,其中,半导体设备收入95.2亿美元。

半导体设备行业技术壁垒非常高,随着制程越来越先进,对半导体设备的性能和稳定性提出了越来越高的要求,需要投入大量的研发资金。应用材料公司一直保持着在研发上的高投入,其30%的员工为专业研发人员,拥有近12000 项专利,平均每天申请4个以上的新专利。正是这种持续的高研发投入,促成了应用材料的内部创新,构成了较高的技术壁垒,使其自1992年以来一直保持着世界最大半导体设备公司的地位。

中国市场现状

据Semi预测,2018年中国的设备销售增长率将创新高,为49.3%,达到113亿美元,中国大陆将紧随韩国,成为世界第二大半导体设备需求市场。

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图:中国大陆半导体设备市场规模(单位:十亿美元)

2017~2020年,中国大陆将有26座新晶圆厂投产,成为全球新建晶圆厂最积极的地区,整个投资计划占全球新建晶圆厂高达 42%,成为全球新建投资最大的地区。目前,中国12英寸晶圆厂共有22座,其中在建11座,规划中1座;8英寸晶圆厂18座,其中在建5座。

在这样大兴土木的行业背景下,对半导体设备的需求和投资必然巨大。粗略计算,已经公布的半导体产线投资金额将超过1000亿美元。按照行业规律,在总投资中80%用于设备投资,从而可计算出设备投资额为800 亿美元。

在晶圆厂设备构成中,光刻机占比最大,占39%,其次是沉积设备,占比为 24%,刻蚀设备第三,占比为14%,材料制备占比8%,表面处理设备和安装设备分别占比2%,其他设备占比11%。

据此,可以计算出,2017-2019年国内集成电路光刻设备市场空间为312亿美元,沉积设备市场空间为192亿美元,刻蚀设备市场空间为112亿美元,材料制备设备市场空间为64亿美元。

我国与先进国际水平相比仍然存在较大差距
未来几年,我国对半导体设备的需求量巨大。中国半导体设备企业虽然在近年内呈现出了高增长态势,但是毕竟发展时间有限,与美、日等国家比起来还是存在明显差距。

2008 年之前我国半导体设备基本全靠进口,因此国家设立了国家科技重大专项——极大规模集成电路制造装备及成套工艺科技项目(简称 02专项)研发国产化设备。但是,由于设备制造对技术和资金需求要求比较高,只有北方华创、中微半导体、上海微电子等少数重点企业能够承担 02专项研发工作,整个行业集中度相对较高。

虽然在02专项的支持下,我国半导体设备实现了从无到有,但相比国内庞大的市场规模而言,自给率不足15%。

即使在发展水平相对较高的 IC 封装测试领域,我国与先进国际水平相比仍然存在较大差距。尤其是单晶炉、氧化炉、 CVD 设备、磁控溅射镀膜设备、 CMP 设备、光刻机、涂布/显影设备、 ICP 等离子体刻蚀系统、探针台等设备市场几乎被国外企业所占据。

我国本土半导体设备企业不算少,但总体不强,销售额占比在国内市场还不足15%,在国际市场几乎为 0。究其原因,还是技术上的落后。

目前,国产半导体设备处于局部有所突破,但整体较为落后的状态。尤其与国际半导体设备巨头应用材料、 ASML、LAM Research、KLA-Tencor等相比,国产半导体设备公司的实力仍然偏弱,绝大部分企业无法达到国际上已经实现量产的10nm工艺,部分企业突破到28nm或14nm工艺,但在使用的稳定性上与国际巨头差距较大,较难大批量进入量产线,也较难进入国际代工巨头的生产线。

虽然我国整体上与国际领先水平存在一定的差距,但也不乏表现相对突出的设备企业,如设备制造龙头北方华创、在刻蚀机领域做出突破的中微半导体、封测领域龙头长川科技、从事高纯工艺系统的至纯科技以及国内单晶生长设备稀缺标的晶盛机电等。

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