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解锁我国半导体设备发展现状及趋势

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,被广泛应用于各种电子产品中。半导体产品可细分为四大类:集成电路、分立器件、光电子器件和传感器。

集成电路作为半导体产业的核心,占据半导体行业规模的八成以上,其细分领域包括逻辑芯片、存储器、微处理器和模拟芯片等,被广泛应用于5G 通信、计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、物联网等产业,是绝大多数电子设备的核心组成部分。

从产业链的角度看,半导体产业链涉及材料、设备等支撑性行业,芯片设计、晶圆制造和封测行业,半导体产品终端应用行业等。以集成电路为代表的半导体产品应用领域广泛,下游应用行业的需求增长是半导体产业快速发展的核心驱动力。

伴随全球信息化、网络化和知识经济的迅速发展,特别是在以物联网、人工智能、汽车电子、智能手机、智能穿戴、云计算、大数据和安防电子等为主的新兴应用领域强劲需求的带动下,全球半导体产业收入规模巨大。2018年全球半导体行业收入为 4,761.51 亿美元,2019 年受全球宏观经济低迷影响,半导体行业景气度有所下降,收入同比下降11.97%,为 4,191.48亿美元,预计2021年半导体行业开始复苏,2024年预计全球半导体行业收入将达到5,727.88亿美元。根据Gartner的统计及预测,2018年至 2024年全球半导体行业收入及年增长率情况如下:

半导体产业按产品类别可分为集成电路、光电子器件、分立器件和传感器四类。2018年,全球集成电路、光电子器件、分立器件和传感器销售额分别为3,932.88 亿美元、380.32亿美元、241.02亿美元和133.56亿美元,较2017年分别增长 14.60%、9.25%、11.32%和 6.24%,在全球半导体行业占比分别为83.90%、 8.11%、5.14%和 2.85%。在上述半导体产业的产品分布中,集成电路的占比最高并且增速最快,是半导体行业最重要的构成部分。

纵观全球半导体产业的发展历程,经历了由美国向日本、向韩国和中国台湾地区及中国大陆的几轮产业转移。目前中国大陆正处于新一代智能手机、物联网、人工智能、5G 通信等行业快速崛起的进程中,已成为全球最重要的半导体应用和消费市场之一。根据国际半导体协会(SEMI)的统计数据,2017年到2020年期间,全球将有62座新晶圆厂投产,其中将有26座新晶圆厂座落中国大陆,占比达42%。新晶圆厂从建立到生产的周期大概为2年,未来几年将是中国大陆半导体产业的快速发展期。

在全球半导体产业区域转移的行业背景下,根据 WSTS 统计,2018年亚太地区(不含日本)、美国、欧洲、日本半导体市场规模全球占比分别为60%、22%、 9%、9%;2018 年美国半导体市场增长19.6%,欧洲增长13.3%,日本增长9.6%, 亚太地区增长16.0%,其中,中国大陆的增长率为20%。随着中国半导体市场的快速增长,其全球地位也在快速提升。2019年虽然全球半导体市场增长率有所回落,但中国大陆的半导体市场仍保持领先于全球的增速,带动亚太地区成为全球半导体市场增速最高的地区。2017-2019年全球各国家或地区半导体市场销售占比和增长率情况如下:

依托庞大的中国终端应用市场需求,中国大陆半导体产业的规模持续快速增长,其中集成电路产业的发展尤为迅速。根据中国半导体行业协会发布的数据,2013年中国大陆集成电路产业的销售规模为2,508.5亿元,2018年销售规模为6,532.0亿元,同比增长20.71%,2019年销售规模7,562.3亿元,同比增长15.77%,2013年至2019年期间,中国大陆集成电路产业的销售规模的年复合增长率为20.19%,发展迅速。

2019 年中国大陆集成电路产业链结构中,芯片设计业销售收入为3,063.50亿元,同比增长21.60%;晶圆制造业销售收入为2,149.10亿元,同比增18.20%; 封装测试业销售收入为2,349.70亿元,同比增长7.10%。上述半导体产业链各环节中,晶圆制造业销售收入增速较快的主要原因为,近年来中国一批12英寸和8英寸晶圆制造生产线投产,此外随着国内外芯片设计业的发展,中国大陆晶圆制造行业增长较快。

半导体专用设备泛指用于生产各类半导体产品所需的生产设备,属于半导体行业产业链的支撑环节。半导体专用设备是半导体产业的技术先导者,芯片设计、晶圆制造和封装测试等需在设备技术允许的范围内设计和制造,设备的技术进步 又反过来推动半导体产业的发展。以半导体产业链中技术难度最高、附加值最大、 工艺最为复杂的集成电路为例,应用于集成电路领域的设备通常可分为前道工艺 设备(晶圆制造)和后道工艺设备(封装测试)两大类。其中,在前道晶圆制造 中,共有七大工艺步骤,分别为氧化/扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、清洗与抛光、金属化,所对应的专用设备主要包括氧化/扩散设备、光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备等。

半导体专用设备在半导体行业产业链中占据重要的地位。半导体专用设备的技术复杂,客户对设备的技术参数、运行的稳定性有苛刻的要求,以保障生产效率、质量和良率。按照摩尔定律,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔 18-24 个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。相应的,集成电路行业的设备供应商也必须每隔 18-24 个月推出更先进的制造工艺;集成电路制造工艺的技术进步,反过来也会推动半导体专用设备企业不断追求技术革新。同时,集成电路行业的技术更新迭代也带来对于设备投资的持续性需求,而半导体专用 设备的技术提升,也推动了集成电路行业的持续快速发展。

半导体专用设备行业为技术密集型行业,生产技术涉及微电子、电气、机械、材料、化学工程、流体力学、自动化、图像识别、通讯、软件系统等多学科、多领域知识的综合运用。半导体专用设备行业的国际巨头企业的市场占有率很高,特别是在光刻机、检测设备、离子注入设备等方面处于垄断地位,且其在大部分技术领域已采取了知识产权保护措施,因此半导体专用设备行业的技术壁垒非常 高。中国大陆少数企业经过了十年以上的技术研发和工艺积累,在部分领域实现 了技术突破和创新,在避免知识产权纠纷的前提下,成功推出了差异化的产品, 得到国内外客户的认可,产品走向了国际市场。

半导体专用设备价值较高、技术复杂,对下游客户的产品质量和生产效率影响较大。半导体行业客户对半导体专用设备的质量、技术参数、稳定性等有严苛的要求,对新设备供应商的选择也较为慎重。一般选取行业内具有一定市场口碑和市占率的供应商,并对其设备开展周期较长的验证流程。通常,半导体行业客户要求设备供应商先提供产品供其测试,待通过内部验证后纳入合格供应商名单;部分客户尚需将使用该设备生产的半导体产品送至其下游客户处,获得其客户认可后,才会纳入合格供应商名单。因此,半导体专用设备企业在客户验证、开拓市场方面周期较长、难度较大。

半导体专用设备行业的上游为电子元器件和机械加工行业,采购的原材料主要为机器人手臂、兆声波发生器、过滤器、阀门、传感器等,由于半导体专用设备具有高精度、高可靠性等特点,对原材料和零部件的要求也相应较高。

半导体专用设备行业的下游主要为晶圆制造和封装测试等行业。特别是集成电路产品技术含量高、工艺复杂,技术更新和工艺升级依托于专用设备的发展;反之,下游产业不断开发的新产品和新工艺,为设备行业提供了新需求和市场空间。以晶圆制造为例,适用于 8 英寸晶圆的制造设备无法运用于 12 英寸晶圆制造,因此当集成电路行业整体进入 12 英寸时代后,适用于 8 英寸的设备需要全部更新换代;此外,由于晶圆制造技术向高精度、高集成化方向不断发展,更先进的技术工艺也需要设备技术的不断改进或升级,也将为设备行业带来新的增量 空间。

半导体专用设备市场与半导体产业景气状况紧密相关,其中芯片制造设备是半导体专用设备行业需求最大的领域。根据Gartner的统计数据,2018年全球芯片制造厂商设备支出达到589.44亿美元,受全球宏观经济低迷影响,2019年略有下降为554.80亿美元,预计2021年半导体行业开始复苏,2024年将增长至602.14亿美元。2020年-2024年预计年复合增长率为6.27%。

未来,随着下游5G通信、计算机、消费电子、网络通信等行业需求的稳步增长,以及物联网、人工智能、汽车电子、智能手机、智能穿戴、云计算、大数据和安防电子等新兴领域的快速发展,集成电路产业面临着新型芯片或先进工艺的产能扩张需求,为半导体专用设备行业带来广阔的市场空间。

在集成电路设备中,芯片制造设备是技术要求最高、制造难度最大、价值最高的核心设备。半导体专用设备的技术难度、价值和市场份额是成正比的。根据国际半导体设备材料产业协会(SEMI)的数据统计,从以往销售额来看,前道制造设备在半导体专用设备市场中占比为80%左右,后道封装测试设备占比20%左右。光刻、刻蚀及清洗、薄膜沉积、离子注入、过程控制及检测为关键工艺设备,该等工艺设备价值在晶圆厂单条产线成本中占比较高。

半导体专用设备行业具有较高的技术壁垒、市场壁垒和客户认知壁垒,以美国Applied Material、荷兰ASML、美国LAM、日本TEL和DNS、美国KLA等为代表的国际知名企业经过多年发展,凭借资金、技术、客户资源、品牌等方面的优势,占据了全球半导体专用设备市场的主要份额。根据VLSI Research统计, 2018 年全球前5家半导体专用设备厂商合计销售额为527.8亿美元,同比增长17.73%。

2018年,全球前10大半导体专用设备公司市场占有率合计达到81%,前五大半导体专用设备公司市场占有率合计达到71%,市场集中度较高。

全球范围内,美国Applied Materials作为最大的半导体专用设备供应商,在晶圆制造设备的核心环节热处理、镀膜设备、离子注入设备等领先全球;日本半导体设备公司更擅长制造刻蚀设备、清洗设备、涂胶设备、显影设备、测试设备等产品;荷兰ASML则在高端光刻机领域处于领先地位;美国LAM 在刻蚀、清洗、电镀设备领域拥有较强的竞争优势;中国大陆的半导体专用设备企业经过多年来的快速发展,在刻蚀设备、清洗设备及封装测试设备等领域,已具备与全球行业内领先企业竞争的能力。

随着全球半导体产业链不断向中国大陆转移,中国集成电路产业持续快速发展。根据Gartner的统计数据,2018年中国大陆芯片制造厂商设备支出达到104.34亿美元,2019年为122.44 亿美元,预计202年受全球半导体产业景气度传导的影响,将下降为96.28亿美元,随着2021年全球半导体行业逐渐复苏,2024将增长至128.42亿美元。未来2020年-2024年预计年复合增长率为7.47%。

芯片制造行业,尤其是晶圆制造行业往往设备投资规模庞大。当前,12英寸晶圆制造项目投资以数十亿甚至百亿美元计。晶圆制造的技术复杂,工艺步骤繁多,生产所需的设备种类较多,单一设备的效率、可靠性等将直接影响整条生产线的工作效率和芯片产品的良率,因此,晶圆制造企业对新设备的选择非常慎重,需要经过验证周期,首先确保其在技术先进性、设备可靠性上符合其要求,之后才会考虑诸如经济性等商业条件,决定是否采购,是否实际用于生产。近年来,随着中国对半导体产业的高度重视,中国部分半导体专用设备企业经过了十年以上的技术研发和积累,在部分技术领域陆续取得了突破,成功地通过了部分集成电路制造企业的验证,成为了制造企业的设备供应商。

虽然中国半导体专用设备企业销售规模不断增长,但整体国产率还处于较低的水平,目前中国半导体专用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数据,2018年国产半导体专用设备销售额为109亿元,自给率约为13%,在集成电路制造设备领域自给率更低,中国半导体专用设备公司发展潜力巨大。

根据中国本土主要晶圆厂设备采购情况的统计数据,目前中国主要本土晶圆厂设备的国产化情况如下:

综上,随着中国半导体专用设备行业部分企业的技术突破,中国半导体专用设备产业的发展进程预计将提速。

随着半导体技术的不断进步,半导体器件集成度不断提高。一方面,芯片工艺节点不断缩小,由12μm-0.35μm(1965年-1995年)到65nm-22nm(2005年-2015年),且还在向更先进的方向发展;另一方面半导体晶圆的尺寸却不断扩大,主流晶圆尺寸已经从4英寸、6英寸,发展到现阶段的8英寸、12英寸。此外,半导体器件的结构也趋于复杂。例如存储器领域的NAND闪存,根据国际半导体技术路线图预测,当工艺尺寸到达14nm后,目前的Flash存储技术将会达到尺寸缩小的极限,存储器技术将从二维转向三维架构,进入3D时代。3D NAND制造工艺中,主要是将原来2D NAND中二维平面横向排列的串联存储单元改为垂直排列,通过增加立体层数,解决平面上难以微缩的工艺问题,堆叠层数也从32层、64层向128层发展。这些对半导体专用设备的精密度与稳定性的要求越来越高,未来半导体专用设备将向高精密化与高集成化方向发展。

考虑到半导体芯片的应用极其广泛,不同应用领域对芯片的性能要求及技术参数要求差异较大,如手机使用的SoC逻辑芯片,往往需要使用12英寸晶圆、7nm的先进工艺,而对于工业、汽车电子、电力电子用途的芯片,仍在大量使用6英寸和8英寸晶圆及μm级工艺。不同技术等级的芯片需求大量并存,这也决定了不同技术等级的半导体专用设备均存在市场需求。未来随着半导体产业技术的持续发展,适用于12英寸晶圆以及更先进工艺的半导体专用设备需求将以更快的速度成长,但高、中、低各类技术等级的设备均有其对应的市场空间,短期内将持续并存发展。

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