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巨头垄断下的半导体设备市场

阅读次数:4838  时间:2019-11-02 13:37:51

资料来源:《深港证券》内容。分析师:夏淑玉。谢谢你。

集成电路设备包括前轨道制造设备和后轨道密封和测试设备。以前的集成电路制造设备可以进一步细分为晶片制造设备和晶片处理设备。其中,晶圆制造设备的买方是一家硅晶圆厂,用于生产镜面晶圆。晶片加工设备的购买者是晶片生产工厂/idm,该工厂使用镜面晶片作为衬底来实现带芯片的晶片制造。后者测试设备的购买者是一家专业的密封测试工厂,最终形成各种芯片产品。

图13:集成电路设备行业逻辑图来源:深港证券研究所

晶片加工设备约占集成电路设备总规模的80%。据半统计,2018年全球晶圆加工设备总规模为521.5亿美元,约占设备总投资的81%。检测设备总规模56.32亿美元,约占9%。包装设备总规模为40.13亿美元,约占6%。其他前置通道设备(硅片制造)的总规模为26.93亿美元,约占4%。

图14:2018年全球集成电路设备价值构成数据源:盛港证券研究所semi

2018年,全球集成电路设备市场将达到645.3亿美元。自2016年以来,全球集成电路设备市场保持年复一年的增长趋势,从最低的365.3亿美元上升至2018年的645.3亿美元。2019年,由于内存价格下跌导致资本扩张减少,上半年销售额为271亿美元,同比下降19.66%。

图15:全球集成电路设备市场规模来源:盛港证券研究所semi

2018年,中国集成电路设备市场规模为131.1亿美元。自2013年以来,国内市场逐年增长,到2018年底约占全球总市场的20.32%。在本地化方面,2018年国内集成电路设备销售额为45.10亿元,同比增长58.41%,预计到2020年将增长到90亿元。另一方面,集成电路设备的当前定位率仅为4.88%。

图16:中国集成电路设备市场规模来源:盛港证券研究所semi

图17:中国国内集成电路设备销售数据来源:中国电子特种设备行业协会、盛港证券研究所

图18:中国集成电路设备国有化率来源:semi,中国电子特种设备行业协会,盛港证券研究所

集成电路硅片的制造工艺复杂,包括硅的精炼和熔化、单晶硅的生长和成型。集成电路硅片的制造工艺流程包括拉晶、切片、研磨、倒角、刻蚀、抛光、清洗和检测。在每个环节中,关键工序是拉晶、抛光和测试,相应的设备分别是单晶炉、cmp抛光机和测试设备。

图19:集成电路硅片工艺流程图来源:盛港证券研究所网络数据

直拉法是生产集成电路硅片的主要方法。将多晶硅拉制成单晶硅包括两种工艺,即区熔法和直拉法,其中集成电路领域的硅片主要采用直拉法制作。拉晶过程主要包括将纯硅加热到熔融状态,将籽晶拉伸到充满熔融硅的旋转坩埚中,在初始籽晶上均匀生长新晶,并生产单晶硅锭。

图20:晶体生长示意图数据源:盛港证券研究所网络数据

晶圆制造设备约占设备总投资的3%~5%。如本文第3.1小节所述,2018年,晶圆加工设备和晶圆制造设备分别占全球集成电路设备价值构成的81%和4%。具体来说,晶片制造设备包括单晶炉、切割机、成圆机、切割机、研磨系统、倒角机、蚀刻机、抛光机、清洗设备、测试设备等。其中,单晶炉和cmp抛光机分别约占晶圆制造设备的25%和25%。单晶炉由炉体、热场、磁场、控制装置等组成,其中控制炉内温度的热场和控制晶体生长形状的磁场是决定单晶炉性能的关键指标之一。

图21:晶圆制造设备的价值构成来源:深港证券研究所

竞争格局:国内供应商在太阳能单晶炉领域完全竞争,其中综合实力最高的企业包括京生机电有限公司和南京京能有限公司,另一方面,国内集成电路领域能够供应12英寸单晶炉的供应商数量仍然很少。

表5:集成电路晶片制造设备供应商名单来源:盛港证券研究所

集成电路晶片加工包括七个相互独立的工艺流程,即(a)热处理;(b)光刻术;(c)蚀刻;(d)离子注入;(e)薄膜沉积;化学机械抛光;(g)金属化。集成电路晶片加工所涉及的设备包括光刻机、蚀刻机、薄膜设备、扩散/离子注入设备、湿设备、cmp抛光设备、工艺检测设备等。

图22:2018年全球集成电路晶圆加工设备价值构成来源:盛港证券研究所semi

集成电路晶片加工设备约占设备总投资的75%~80%,其中蚀刻设备、光刻设备和薄膜沉积设备是前一工序的三大核心设备。据半统计,2018年,蚀刻、光刻和化学气相沉积设备分别占晶圆加工设备价值构成的22.14%、21.30%和16.48%。

图23:全球集成电路晶片加工设备供应商行业集中度来源:深港证券研究所

全球竞争格局:集成电路晶片加工设备市场高度集中。我们计算了全球集成电路晶片加工设备供应商在各自子类别中的行业集中度,该行业呈现典型的寡头垄断模式。总体而言,该行业前10名设备供应商的市场份额超过80%。平版印刷市场尤其典型。荷兰asml基本上垄断了全球高端光刻市场。

表6:集成电路晶片加工设备供应商在中国的分布资料来源:盛港证券研究所赛迪

中国的竞争格局:中国集成电路晶片加工设备行业仍处于快速发展的初级阶段,呈现出相对明显的地理集中度,供应商主要集中在北京、上海、辽宁等城市。目前,中国集成电路12英寸和28纳米工艺的主要设备已成功进入大规模生产线,具体包括薄膜沉积设备、cmp抛光设备、刻蚀机、清洗设备、离子注入机等。其中,蚀刻机具有一定的国际竞争力。

1.光刻机:asml垄断超高端市场。光刻机是大规模集成电路的核心设备。

光源作为光刻机的核心部件,在很大程度上决定了光刻机的技术水平。光源的变化先后经历了:(a)紫外光,最小波长降低到365纳米;;深紫外光源(DUV),其中arf浸没的实际等效波长为134纳米;;(c)极紫外光,目前用于大多数最高工艺半导体芯片。

表7:光源来源光刻机类型:圣钢证券研究所ic咖啡

竞争格局:世界领先的是荷兰阿斯玛,其他包括日本尼康、日本佳能等。国内从事集成电路光刻机生产制造的企业主要是上海微电子和中国电气工程的电气设备。

2017年,ASML的全球市场份额为87.4%,其euv光刻机实现了全球垄断。

尼康的光刻机在2017年占全球市场的10.3%,与asml相比,在价格上有一定优势。

佳能主要集中在面板等领域,高端光刻机的市场参与有限。

Smee是世界上led光刻机的主要供应商。作为中国高端光刻机的领军企业,上海电机工程有限公司承担的“02特种”和“90纳米光刻机”于2018年3月通过国家验收。SMEE是世界上第四家掌握光刻机系统设计和系统集成技术的企业,但与asml代表的先进水平相比仍有差距。

图24: ASML超高端光刻市场的基本垄断来源:深港证券研究所

2.蚀刻机:芯片线宽的减小和新制造技术的采用增加了蚀刻机的使用。

蚀刻机是制造晶片的三大设备之一,包括两种基本的蚀刻工艺,即干法蚀刻和湿法蚀刻。其中,干蚀刻(以等离子干蚀刻为代表)是主流蚀刻技术。湿法蚀刻通常用于大尺寸(大于3微米)场景或干法蚀刻后残留物的去除。根据要蚀刻的不同材料,干法蚀刻可进一步分为金属蚀刻、电介质蚀刻和硅蚀刻。

图25:蚀刻工艺应用来源图例:盛港证券研究所网络数据

竞争格局:据信息网统计,2017年,全球蚀刻机的主要供应商包括lam research、东京电子和应用材料,全球市场份额分别为55%、20%和19%。国内供应商由中国微系统公司和华北华创公司代表。据估计,国内市场份额接近20%。其中,介质蚀刻机是中国微系统的主要蚀刻机,5纳米蚀刻机产品已通过TSMC认证。北华创主要使用硅刻蚀机,14纳米等离子硅刻蚀机已经进入主流集成电路工厂。

图26:蚀刻机全球竞争格局(2017)来源:深港证券研究所信息网

价值构成:集成电路器件互连层数的增加将增加对蚀刻设备的需求。随着芯片线宽的减小和新制造技术的采用,对刻蚀技术的精度和重复性提出了更高的要求。同时,3d nand通过增加堆叠层的数量来提高集成度,需要蚀刻技术来实现更高的纵横比。

3.薄膜沉积设备:应用材料在物理气相沉积领域具有明显优势

集成电路薄膜材料制造中广泛使用的工艺有物理气相沉积pvd(物理气相沉积)和化学气相沉积cvd(化学气相沉积)等。物理气相沉积(Physical vapor deposition)是指通过低压气体/等离子体,包括蒸发、溅射、离子束等,气化材料源的表面并沉积在衬底的表面。化学气相沉积(Chemical vapor deposition)是指通过气体流量计将含有薄膜元素的气体输送到反应室的晶片表面进行反应沉积,包括低压化学气相沉积lpcvd、金属有机化合物气相沉积mocvd、等离子体增强化学气相沉积pecvd等。

表8:主要镀膜方法实例资料来源:深港证券研究所设备管理与维护

原子层沉积ald属于化学气相沉积的一种。区别在于化学吸附自限(cs)和顺序反应自限(rs)。每次反应只沉积一层原子,具有成膜均匀性好、膜密度高、台阶覆盖率好、低温沉积等优点。它适用于具有高纵横比和三维结构的基板。

图27:膜技术比较数据源:沈钢证券研究所网络数据

全球竞争格局:集成电路的pvd领域主要由美国的应用材料、瑞士的evatec和日本的ulvac垄断,其中应用材料约占85%。化学气相沉积领域的主要全球供应商是美国的应用材料、东京电子和林研,其中约30%是应用材料。

国内竞争格局:集成电路领域沉积设备的国内供应商主要是沈阳拓景和华创北部。

沈阳拓景:两次承担国家“02工程”。产品包括12英寸pecvd、ald和3d nandpecve。ald设备在2018年通过了客户的14纳米工艺验收。

北华创:等离子硅蚀刻机、单片退火系统、lpcvd成功进入集成电路领域14纳米工艺主流生产厂。

4.掺杂设备:全球集成电路离子注入机市场规模约18亿美元

掺杂过程的实现包括高温热扩散法和离子注入法。其中,离子注入(ion implantation)是在半导体材料表面离子注入掺杂某些元素的工艺过程,目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型。根据能级,离子注入机包括低能/中能/高能/兆伏离子注入机;包括根据束尺寸的小/中/大束离子注入机,其中。大束离子注入机包括强/超强离子注入机,低能大束离子注入机技术难度最高。

图28:离子注入机构信息来源:深港证券研究所公司公告

市场规模:离子注入机作为集成电路的关键加工设备之一,通常占设备总投资的2.5%~3.0%。目前,全球集成电路离子注入机市场规模约为18亿美元。

图29:全球离子注入机竞争格局来源:深港证券研究所趋势力

图30:低能大束离子宿主源全球竞争格局:深港证券研究所

竞争格局:集成电路领域离子注入机的竞争格局高度集中。供应商主要是应用材料和轴承,全球市场份额分别为70%和17%。其中,amat在2011年以42亿美元收购了瓦里安。一般来说,技术难度最高的低能大束离子注入机约占55%,主要供应商包括amat、axcelis和aibt,市场占有率分别为40%、32%和25%。北京中科鑫是国内离子注入机的领导者。此外,供应商包括盒式磁带等。

5.湿设备:到2020年,全球规模预计将增至37亿美元

湿设备分为槽式湿设备和整体式湿设备。随着集成电路线宽的不断缩小,单片湿式设备已经成为主流。湿晶片清洗是指用去离子水、清洗机等清洗晶片表面。,然后是湿润和干燥,这是主流的清洁方法。就组成而言,湿式设备主要包括清洗设备、除胶机和湿式蚀刻机。在半导体加工中,清洗占整个过程的30%以上。

图31:湿设备示意图来源:深港证券研究所公司公告

市场规模:据半统计,2017年全球半导体清洗设备市场规模为32.3亿美元,比2016年增长19.63%,预计到2020年将进一步增至37亿美元。Vlsi数据显示,2018年全球前端单片清洗设备销售额为22.69亿美元,预计到2023年将升至23.14亿美元。一般来说,清洗设备约占晶圆加工设备总投资的5%~6%。

图32:前端单芯片清洗设备的全球销售额(1亿美元)。资料来源:深港证券研究所vlsi

竞争格局:在湿法清洗设备领域,全球领先者主要包括日本dainippon screen、日本东京电子有限公司、美国lam research等。其中,屏幕约占全球市场的60%,占行业前三名市场的87.7%。国内企业主要包括梅生半导体、北华创和唐毅半导体。其中,

梅生saps和波特半导体单片清洗设备销量领先,2017年约占全球市场的1.5%。北华创于2018年完成了对阿克里翁的收购。

亦庄国投于2016年通过唐毅半导体以3亿美元的价格成功收购美国mattson,该公司在蚀刻、快速热处理(rtp)、光刻胶剥离和清洗方面具有技术优势。

6.化学机械抛光设备:全球化学机械抛光设备市场规模约为18.4亿美元

化学机械抛光技术用于晶片表面平坦化。所需设备和耗材包括化学机械抛光设备、浆料、抛光垫、化学机械抛光后清洗设备、抛光终点检测和过程控制设备、浆料分配系统、废物处理和测量设备等。其中,耗材主要是抛光液和抛光垫。

图33:化学机械抛光原理示意图来源:盛港证券研究所CCID顾问

市场规模:一般来说,化学机械抛光设备约占晶圆加工设备投资的4%。2018年,全球化学机械抛光设备市场为18.4亿美元,其中中国以25%的市场份额排名第二。

图34:全球化学机械抛光设备组成(按地区)来源:盛港证券研究所semi

图35:化学机械抛光设备的全球竞争格局来源:盛港证券研究所高德纳

竞争格局:全球化学机械抛光设备市场呈现寡头垄断的竞争格局。供应商主要是美国的应用材料和日本的ebara,2017年全球市场份额分别为71.3%和26.8%。产业高度集中主要是由于过去20年企业间并购的频繁。与amat相比,Ehara在亚洲市场拥有更大的竞争优势和相对较高的份额。在中国,主要有两个供应商,即华海轻客和中电45。其中,

中电控股45:2017年,公司拥有完全自主知识产权的200毫米化学机械抛光设备完成内部测试,并送往天津SMIC进行验证。国内cmp设备首次进入大规模集成电路生产线。2018年,该设备通过了一年生产线工艺验证和SMIC天津验证。

华海轻客:2018年,继SMIC成功批量生产imd/ild/sti工艺产品后,公司的铜硅化学机械抛光设备进入上海华利。

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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