中國半導體設備現狀總結與分析

真空應用 admin 國信證券

  半導體設備位于整個半導體產業鏈的上游,在新建晶圓廠中半導體設備支出的占比普遍達到 80%。一條晶圓制造新建產線的資本支出占比如下:廠房 20%、晶圓制造設備 65%、組裝封裝設備 5%,測試設備 7%,其他 3%。其中晶圓制造設備在半導體設備中占比最大,進一步細分晶圓制造設備類型,光刻機占比 30%,刻蝕 20%,PVD15%,CVD10%,量測 10%,離子注入5%,拋光 5%,擴散 5%。

中國半導體設備現狀總結與分析

  2017 年全球半導體設備市場總量約為 566 億美元,同比+37%,2018 年預計在 600 億美元規模。中國是全球半導體設備的第三大市場,17 年中國半導體設備 82.3 億 元,增速 27%。

一、我國半導體行業政策歷史演變

  1956 年國務院制定的《1956-1967 科學技術發展遠景規劃》中,已將半導體技術列為四大科研重點之一,明確提出“在 12 年內可以制備和改進各種半導體器材、器件”的目標。同期教育部集中各方資源在北京大學設立半導體專業,培養了包括王陽元院士、許居衍院士等第一批半導體人才。

  半導體產業鏈復雜、技術難度高、需要資金巨大,且當時國內外特定的社會環境,中國在資金、人才及體制等各方面困難較多,導致中國半導體的發展舉步 維艱。(圖表 1、2 為半導體產業鏈圖)

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  直到 70 年代,中國半導體產業的小規模生產才正式啟動。原電子工業部部長在其 著作《芯路歷程》中回憶這一階段歷史,提到發展中第一個誤區“有設備就能生產”, 70 年代從日本、美國引進了大量二手、淘汰設備建立了超過30 條生產線,但引進 后無法解決技術、設計問題,也沒有管理、運營能力,第一批生產線未能發揮應有 的作用,就淡出了市場。

  90 年代,國家再度啟動系列重大工程,為改變半導體行業發展困境,最知名的為 908、909 工程,中國半導體人從中獲得較多寶貴的經驗教訓,收獲了兩家較為成 功的案例,分別為華虹及海思。908 工程在 1990 年啟動,投資20 億元建設國際 領先的 1 微米(1000nm)制程工藝的晶圓制造產線。由于中國彼時整體經濟力量還在蓄積,因此經費、設備引進、建廠等環節仍然阻力較大,直至1998 年產線得以 竣工。此時國際工藝節點達到0.18 微米,中國生產線剛建成就落后兩代。在 1996 年國家啟動了“909”工程,整體投資約 100 億元,并且做出很多打破審批的特事特 辦,參與其中的公司如今只剩兩家,一個是 909 工程的主體華虹集團,另一個則是 完全自籌 1.355 億元資金的華為設計公司,也就是后來的海思。

  2012 年之后,國家領導層逐漸認識到“政策在發改委、科研在科技部、產業在工信部、資金歸財政部”的格局,導致半導體行業政出多門、相互牽制、難以統籌等 現實困難,因此積極調整發展思路,設立集成電路產業領導小組、發布《集成電路產業推進剛要》、籌建大基金等舉措,進一步自上而下的理順了半導體行業發展框 架。在產業領導小組成立之后,各方面的政策、資金及配套資源得以集中,為半導 體行業的攻堅克難奠定良好的基礎。

  近年來國家層面發布的政策較多,其中最重要目標性政策有:

  1、2012 年國務院主導,科技部印發“02專項”即《極大規模集成電路制造技術及成套工藝》項目,也標志著集成電路成為國家級重點優先戰略目標。“02 專項”核心要點為開展極大規模集成電路制造裝備、成套工藝和材料技術攻關,掌握制約產業發展的核心技術,形成自主知識產權;開發滿足國家重大戰略需求、具有市場競爭力的關鍵產品,批量進入生產線,改變制造裝備、成套工藝和材料依賴進口的局面。

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  2、2014 年 6 月國務院頒布《國家集成電路產業發展推進綱要》。綱要明確提出,到2020 年,集成電路產業與國際先進水平的差距逐步縮小,全行業銷售收入年均 增速超過 20%,16/14nm 制造工藝實現規模量產,封裝測試技術達到國際領先水平,關鍵裝備和材料進入國際采購體系,基本建成技術先進、安全可靠的集成電路 產業體系。

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  3、2015 年發布國家 10 年戰略計劃《中國制造2025》。計劃提出,2020 年中國芯 片自給率要達到 40%,2025 年要達到 70%。

  4、2016 年,國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》。規劃提出, 到2020 年,戰略性新興產業增加值(含半導體產業)占國內生產總值比重達到15%。

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二、中國半導體設備現狀

  半導體設備具備極高的門檻和壁壘,全球半導體設備主要被日美所壟斷,核心設備如光刻、刻蝕、PVD、CVD、氧化/擴散等設備的 top3 市占率普遍在90%以上。目前光刻機、刻蝕、鍍膜、量測、清洗、離子注入等核心設備的國產率普遍較低。經過多年培育,國產半導體設備已經取得較大進展,整體水平達到 28nm,并在 14nm 和7nm 實現了部分設備的突破。具體來講,28nm 的刻蝕機、薄膜沉積設備、氧化擴散爐、清洗設備和離子注入機已經實現量產;14nm 的硅/金屬刻蝕機、薄膜沉積設備、單片退火設備和清洗設備已經開發成功。8 英寸的 CMP 設備也已在客戶端進行驗證;7nm 的介質刻蝕機已 被中微半導體開發成功;上海微電子已經實現 90nm 光刻機的國產化。在中低端制程,國產化率有望得到顯著提升,先進制程產線為保證產品良率,目前仍將以采購海外設備為主。

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  光刻機:高精度光刻機被ASML、尼康、佳能三家壟斷,上海微電子是國內頂尖的 光刻機制造商,公司封裝光刻機國內市占率 80%,全球 40%,光刻機實現90nm 制程,并有望延伸至 65nm 和 45nm,公司承擔多個國家重大科技專項及 02 專項 任務。 刻蝕設備:前三家廠商 LAM、東京電子、應用材料市占率超過 90%,國產刻蝕機 市占率僅 6%,中微半導體是唯一打入臺積電 7nm 制程的中國設備商,北方華創的8 英寸等離子蝕刻機進入中芯國際,封裝環節刻蝕機基本實現國產化,國產化率近90%。

  鍍膜設備:分為 PVD 和 CVD,其中 PVD 前三大廠商AMAT、Evatec、Ulvac 占 比96.2%,CVD 三大廠商 AMAT、TEL、LAM 占比 70%,國內廠商北方華創實現 28nm PVD 設備的突破,16 年國內市占率已經有 10%,封裝設備中國產 PVD 市 占率接近 70%。CVD 中的 MOCVD 是國產化最晚的領域,目前已有 20%的國產 化率。

  量測設備:主要包括自動檢測設備(ATE)、分選機、探針臺等。前端檢測前三甲廠商科磊、應材、日立占比 72%,后道測試設備廠商美國泰瑞達、日本愛德萬占 全球份額 64%,分選機廠商科林、愛德萬、愛普生等市占率高達 70%,而探針臺 基本由東京精密、東京電子、SEMES 壟斷。國內廠商長川科技測試設備主要在中 低端市場,主要在數;旌蠝y試機和功率測試機。

  清洗設備:主要設備廠商 SCREEN、東京電子、LAM 合計占比88%,目前國內的 盛美半導體的 SAPS 產品已經進入一流半導體制造商產線。北方華創整合 Akrion 后提供單片清晰和槽式清洗設備,已經進入中芯國際產線。至純科技已經取得濕法 清晰設備的批量訂單,未來五年超過 200 臺的訂單。

  離子注入設備:應用材料占據粒子注入機的 70%以上的市場,高端離子注入機前三家包攬 97%市場份額,行業高度集中。目前國內只有凱世通和中科信有離子注 入機的研發生產能力,17 年凱世通已經銷售太陽能離子注入機15 臺。

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三、中國半導體設備的政策支持

  從政策上看,隨著《國家集成電路產業發展推進綱要》《中國制造2025》等綱領的退出,國內針對半導體裝備的稅收優惠、地方政策支持逐步形成合力,為本土半導體設備廠商的投融資、研發創新、產能擴張、人才引進等創造良好環境。

  財政部先后于 2008、2012、2018 年出臺稅收政策減免集成電路生產企業所得稅, 對2018 年以后投資新設企業或項目:1)線寬<130nm 且經營期在10 年以上的,第 1~2 年免征企業所得稅,第 3~5 年減半征收企業所得稅;2)線寬<65nm 或投資 額>150億元,且經營期在15年以上的,第1~5年免征企業所得稅,第6~10年減半征收企業所得稅。2015 年財政部等四部委針對集成電路封測企業、關鍵材料和設備 企業出臺稅收優惠政策,自獲利年度起第1~2年免征企業所得稅,第3~5年減半征收 企業所得稅。

  從地方產業政策來看,多地退出集成電路產業扶持政策及發展規劃,從投融資、企業培育、研發、人才、知識產權、進出口以及政府管理等方面退出一系列政策,對 符合要求的企業給予獎勵和研發補助。

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四、中國半導體設備的問題、不足與解決方案

  半導體設備門檻高,投入期長,屬于典型技術和資本密集型行業,技術差距大。打破壟斷、提高國產化率是當務之急。

  我國半導體設備行業面臨以下幾個主要問題:

  1、研發投入有限,技術差距追趕緩慢。

  近年我國半導體設備雖已取得長足進步,在各個領域已經實現 0 的突破,但是整體 研發投入相對海外依然較低,此外先進工藝節點的不斷推進,使得國內的技術追趕之路困難重重。企業雖然持續加大研發力度,但隨著摩爾定律演進,越先進的工藝 制程研發成本就越高,能投入資金跟上腳步的半導體設備廠商已經越來越少,無形 中增加了技術追趕的難度。

  解決方案:技術難點的攻克可以通過國家重大專項的推進完成,企業和政府共同承 擔高端設備的技術攻克,減輕企業端的研發投入壓力,同時繼續鼓勵國內新建晶圓 廠推動設備的國產化替代,給國內半導體設備廠商試錯與提升的機會。針對不同的半導體設備制定國產化替代節點時間,對企業研發投入進行補貼,并積極利用國內 各種融資途徑擴大規模。

  2、高端人才引進不足,核心人才流失,后備人才不足

  人才已經成為中國半導體設備產業成長的瓶頸點,半導體人才的培養是一個漫長的 過程,尤其是在先進工藝、先進技術方面,更是花錢可能也達不到效果的。行業人 才薪資相比海外偏低,保證新進人才是延續強勁成長、打破半導體設產業成長瓶頸的關鍵。2018 年全國本碩博畢業生數量超過800 萬人,但集成電路專業領域的高校畢業生中只有 3 萬人進入本行業就業。

  積極通過人才引進,股權激勵,政府補助等方式進行高端人才的引進,政府牽頭推進半導體行業的人才培養,通過產學研結合的方式,同時對半導體行業人才的住房 等問題上進行政策傾斜?茖W布局,政府引導合理規劃集成電路產業發展的初期必須由政府來主導,當前集成電路的產業投資主體分散, 管理主體也非常分散,這對產業發展非常不利。到了目前階段,制定規劃,確立戰 略,科學布局,制定政策可能非常重要。政府要管理,但不能管理過度。管理一過度就管死,條條框框增多,政策多門,可能導致效率低下。

五、半導體材料現狀、問題及應對措施

  半導體材料產業分布廣泛,門類眾多,主要包括晶圓制造用硅和硅基材、光刻膠、高純化學試劑、電子氣體、靶材、拋光液等。以半導體產業鏈上下游來分類,半導體材料可以分為晶圓制造材料和封裝材料。2016 年全球晶圓制造材料和封裝材料市場規模分別為 247 億美元和 196 億美元。我國是全球最大的半導體消費國,也是全球最大的半導體材料需求國。2016 年全球半導體材料市場規模為 443 億美金,其中中國大陸市場銷售額為 65 億美金,占全球總額的 15%,超過日本、美國等半導體強國,僅次于臺灣、韓國,位列全球第三。

  同半導體設備等配套設施一樣,我國半導體材料也面臨著自給率不足、規模小、高端占比低等問題。與國外企業相比,我國半導體材料企業實力較弱,但隨著 國家政策的支持、國內企業研發和產業投入增加等,各種材料領域均已取得突 破,在逐步實現部分國產替代。下面我們集中就幾種核心的半導體原材料的現狀、面臨的問題以及應對措施進行分析。

  1、硅片:

  硅單晶圓片是最常用的半導體材料,是芯片生產過程中必不可少的、成本占比最高的材料。制造一個芯片,需要先將普通的硅原料制造成硅單晶圓片,然后 再通過一系列工藝步驟將硅單晶圓片制造成芯片。從市場規模上來看,2016 年 全球半導體硅片市場規模為 85 億美元,占半導體制造材料總規模比重達 33%;2016 年國內半導體硅片市場規模為 119 億元人民幣,占國內半導體制造材料 總規模比重達 36%。無論是全球還是國內市場,硅片都是半導體制造上游材料中占比最大的一塊。

  全球最大的 5 家廠商(主要是德國及日本廠商)幾乎囊括了全球 95%的 300mm 硅晶圓片、86%的 200mm 硅晶圓片和 56%的150 mm 及以下尺寸 硅晶圓片。這一領域主要由日本廠商壟斷,我國 6 英寸硅片國產化率為 50%, 8 英寸硅片國產化率為10%,12 英寸硅片尚未量產,完全依賴于進口。2017 年全球的集成電路硅片企業中,日本信越化學份額 28%,日本 SUMCO 份額 25%,臺灣環球晶圓份額 17%,德國 Siltronic 份額15%,韓國 LG 9%。這五 家合計占了全球的 94%的份額。

  2、光刻膠:

  半導體光刻膠的市場較大,國產替代需求強烈。2015 年中國光刻膠市場的總 需求為 4390 噸,為 2007 年的 5.7 倍,目前半導體光刻膠的供應廠商要集中 在美國、日本、歐洲以及韓國等地。中國的光刻膠供應廠商多集中于 PCB 光 刻膠、LCD 光刻膠等低端領域。當前國內能夠生產半導體光刻膠的廠商有北京科華微電子和蘇州瑞紅等。

  3、靶材:

  高純濺射靶材主要是指純度為 99.9%-99.9999%(3N-6N 之間)的金屬或非金 屬靶材,應用于電子元器件制造的物理氣象沉積(PVD)工藝,是制備晶圓、面 板、太陽能電池等表面電子薄膜的關鍵材料。濺射是制備薄膜材料的主要技術 之一,它利用離子源產生的離子,在真空中經過加速聚集而形成高速的離子束流,轟擊固體表面,離子和固體表面原子發生動能交換,使固體表面的原子離 開固體并沉積在基底表面,被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料,稱為 濺射靶材。

  在晶圓制作環節,半導體用濺射靶材主要用于晶圓導電層及阻擋層和金屬柵極的制作,主要用到鋁、鈦、銅、鉭等金屬,芯片封裝用金屬靶材于晶圓制作類 似,主要有銅、鋁、鈦等。

  4、濕電子化學品

  濕電子化學品(Wet Chemicals)指為微電子、光電子濕法工藝(主要包括濕法刻蝕、濕法清洗)制程中使用的各種電子化工材料。濕電子化學品按用途可分為通用 化學品(又稱超凈高純試劑)和功能性化學品(以光刻膠配套試劑為代表)。其中超凈高純試劑一般要求化學試劑中控制顆粒的粒徑在 0.5µm 以下,雜質含量低 于 ppm 級,是化學試劑中對顆?刂、雜質含量要求最高的試劑。功能濕電 子化學品是指通過復配手段達到特殊功能、滿足制造中特殊工藝需求的配方類或復配類化學品。功能性濕電子一般配合光刻膠用,包括顯影液、漂洗液、剝 離液等。2016 年全球濕電子化學品市場規模約為 11.1 億美元。濕電子化學 品作為新能源、現代通信、新一代電子信息技術、新型顯示技術的關鍵化學材 料,其全球市場規模自 21 世紀初開始快速增長。根據 SEMI 數據顯示, 2016 年全球濕電子化學品市場規模約為 11.1 億美元。

  應對措施

  隨著我國半導體產業制造能力的提升,配套原材料的國產化繼續提上日程。集成電路對原材料純度等要求非常高,因為集成電路產品的價值非常高,導致原 材料供應商的選擇非常嚴謹。我們建議對半導體原材料產業加大資源、人力等投入的同時,可以在政策方面對下游制造企業使用國產化原材料進行補貼,推動下游企業與上游原材料企業共同進步,進口實現產業鏈的全國產化。同時在新材料研發方面,國家在政策上給相關企業、人才等給予引導和支持。