半导体设备和材料国产化机遇(上)

半导体设备和材料国产化机遇(上)

一、设备和材料是半导体产业的上游核心环节

集成电路占半导体总市场的八成,是半导体的主要构成部分。美国半导体产业协会(SIA) 最新发布的数据显示,2015年全球半导体市场规模为3,352亿美元,比2014年略减0.2%。半导体可以分为四类产品,分别是集成电路、光电子器件、分立器件和传感器。其中规模最大的是集成电路,达到2,753亿美元,占半导体市场的81%。由于半导体产品中大部分是集成电路,因此二者常常被混为一谈,在此特别说明二者的异同,以免混淆。

1、设备和材料在半导体产业链中位于上游,是半导体制造所需的工具和原料

经过50多年的发展,如今的半导体产业已经高度专业化。我们以集成电路(IC)产业为例来说明产业的分工。集成电路产业经过了几十年不断的发展与演变,在1970年代以前,由系统厂商(System)和IDM厂商主导,之后演变为IC设计、晶圆代工和封装测试为主导的垂直分工模式。随着IC产业规模的壮大,产业竞争加剧,分工模式进一步细化,从封装测试环节中分出测试,从IC设计环节分出了专门提供IP的厂商(如ARM)。

半导体设备和材料处于IC产业的上游,为IC产品的生产提供必要的工具和原料。当前IC 产业的商业模式可以简单描述为,IC设计公司根据下游客户(系统厂商)的需求设计芯片,然后交给晶圆代工厂进行制造,之后再由封装测试厂进行封装测试,最后将性能良好的IC产品出售给系统厂商。IC设计、晶圆制造、封装测试是IC产业的核心环节,除此之外,IC设计公司需要从IP/EDA公司购买相应的IP和EDA工具,而IC制造和封装测试公司需要从设备和材料供应商购买相应的半导体设备和材料化学品。因此, 在核心环节之外,集成电路产业链中还需IP/EDA、半导体设备、材料化学品等上游供应商。

2、半导体生产工艺复杂,对半导体设备和材料的要求极高

集成电路产业按照摩尔定律持续发展,制程节点不断缩小,今年将量产10纳米。摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登▪摩尔(Gordon Moore)于1965年提出来的。其内容为: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。几十年来,集成电路产业沿着摩尔定律发展,1971年集成电路的制程节点是10微米(百分之一毫米),今年台积电将开始量产10纳米(十万分之一毫米),技术节点缩小

到千分之一,意味着晶体管面积缩小百万分之一。

82平方毫米的集成电路产品中有超过十亿颗晶体管,制造工艺极其复杂。英特尔在2015年CES展会上发布的第五代酷睿处理器系列,采用14nm 3D三栅极晶体管技术打造,U系列核心面积相比采用 22nm 3D三栅极集体管技术的第四代酷睿U系列处理器缩小了37%,但所集成的晶体管数量提升了35%,达到13亿个!这使得第五代酷睿处理器与同级别第四

代酷睿处理器相比,显卡性能最大提升22%,视频处理器能力最大提升50%,电池续航时间

最多延长1.5小时。第五代处理器芯片的面积仅82平方毫米,在如此小的面积上要集成

13亿个晶体管,其制造难度可想而知。

半导体制造技术十分精细,制造工艺的极其复杂,对设备和材料的要求非常苛刻。根据产品

的不同,集成电路生产需经过几十步甚至上千步的工艺,其中任何一步的错误都可能是最后

导致器件失效的原因,因此对设备和材料的要求非常高,且对每一步的良率要求极高,通常要

达到3个9以上的良率。在20nm技术节点,集成电路产品的晶圆加工工艺步骤约1000步,在7nm时将超过1500步。假设每一步的加工合格率为99.0%(2个9),那么经过1000

步加工之后,其合格率为零!当每一步的加工合格率为99.99%(4 个9)时,经过1000不加工,

其合格率才能达到90%。因此,集成电路制造过程中对设备和材料的稳定性要求极高。

3、半导体设备和材料规模合计超800亿美元,呈寡头垄断局面

半导体设备行业门槛极高,处于寡头垄断局面,国内产业相对薄弱。从全球范围看,美国、日本、荷兰是世界半导体装备制造的三大强国,全球知名的半导体设备制造商主要集中在上

述国家。根据 SEMI的统计,2014年全球半导体设备市场规模为375亿美元, 前十大半导

体设备厂商的销售额为351亿美元,市场占有率高达93.6%,行业处于寡头垄断局面。前十

大半导体设备生产商中,有美国企业4家,日本企业5家,荷兰企业1家。其中美国的应用材料公司(AMAT)以79.4 亿美元的销售额位居全球第一,全球设备市场市占率21.2%;荷兰阿

斯麦(ASML)公司以75.5亿美元的销售额位居全球第二,全球设备市场市占率20.1%;日本

的东京电子(TEL)销售额为55.4亿美元, 位列第三,全球设备市场市占率14.8%。美国公司

在等离子体刻蚀设备、离子注入机、薄膜沉积设备、掩模版制造设备、检测设备、测试设备、表面处理设备产品中具有竞争优势;日本公司在光刻机、刻蚀设备、单晶圆沉积设备、晶圆清洗设备、涂胶机/显影机、退火设备、检测设备、测试设备、氧化设备等产品中具

有竞争优势,荷兰公司则在高端光刻机、外延反应器、垂直扩散炉等领域处于领先地位。

中国电子专用设备工业协会统计显示,2014年我国半导体设备行业35家主要制造商共完

成40.53亿元销售收入,同比增长34.5%;实现利润8.48亿元,同比增长13.8%; 出**货值

4.41亿元,同比增长50.5%;预计2015年销售收入将达到50亿元左右, 同比增长25%。这35家设备厂商的销售额中并非全部来自半导体设备,有一部分是太阳能设备,实际半导体

设备的销售规模更小。假设2014年国内半导体设备的销售额为40.53亿元,仅占全球半导体设备市场份额的 1.7%,处于可以忽略的地位,半导体设备的落后程度可见一斑。

半导体材料市场同样处于寡头垄断局面,国内产业规模非常小。2014年全球晶圆制造和半

导体封装材料市场分别为239.7亿美元和203.7亿美元,二者合计443.4亿美元。大陆地

区是全球主要的半导体材料市场,2014年大陆地区半导体制造材料市场整体规模为535

亿元(约86亿美元),占全球半导体材料市场的19.4%。根据产业现状及发展趋势预测,大陆