编者按:自1956年中国将半导体作为国家重要的发展领域后,今年是第66个年头。回望66年的发展,从无到有、从小到大,半导体产业经历了风雨坎坷同时又迸发出无限的生机。在中国“十四五”提出数字经济发展规划,瞄准集成电路等战略性领域之际,半导体产业纵横推出“国产化进程”系列专题,讲述当今中国半导体各领域发展进程,解析国产化最新态势。本期为“国产化进程”专题半导体产业链篇第二篇文章:半导体设备。
全球芯片供不应求的局面,使晶圆厂产能成为了香饽饽,相应的商机也在向产业链上游传导,特别是半导体设备,营收屡创新高。据SEMI统计,2022年,全球前端晶圆厂设备支出总额将较前一年增长18%,达到1070亿美元的历史新高,这已经是连续三年大幅增长。SEMI指出,晶圆代工厂将是2022、2023年设备支出的大户,约占全球总支出的50%,其次是存储,约占35%。
水涨船高,半导体设备商的产能也随之提升,SEMI的数据显示,全球设备业产能连年增长,2021年提升7%后,今年将增长8%,2023年估计也会有6%的增幅。
作为全球半导体设备的主要消费市场,中国大陆在2020年的销售额为187.2亿美元,同比增长39.2%,占全球市场的26.3%,首次成为全球最大的半导体设备消费市场。按照这样的发展势头,预计中国大陆半导体设备销售额全球占比有望从 2021 年的28%提升到2023年的32%。由此测算,2021年中国大陆半导体设备销售额约为287.8亿美元,同比增长53.7%,2022年有望达到343亿美元,同比增长19.2%。
全球格局
半导体设备可分为晶圆制造(前道设备)和封装、测试设备(后道设备)。前道设备主要包括光刻机、刻蚀机、薄膜沉积、热处理设备、离子注入机、CMP(化学机械研磨)设备、清洗机、前道检测设备等。其中,薄膜沉积、光刻和刻蚀是前道晶圆制造的三大核心工艺。
在全球半导设备产业结构中,前道设备在总销售额中的占比约为85%,后端测试设备约为9%,封装设备约为6%,这三个数据每年会有所微调,但变化不大,基本面是稳定的。目前,全球前道设备市场主要由美日欧企业把持,几家头部设备大厂,如美国AMAT(应用材料)占比约为17%,荷兰ASML约为16.6%,日本TEL(东京电子)约为12.5%,美国Lam Research约为 11.2%,美国KLA约为6.3%,合计占比近64%。
在各细分领域,依然呈现出寡头垄断的局面。
光刻机,特别是EUV主要由ASML一家垄断,占据83%的市场份额;刻蚀市场主要由Lam、TEL和AMAT三家把持,份额分别为45%、28%和18%;离子注入市场主要由AMAT、Axcelis和SMIT三家把持;薄膜沉积方面,PVD(物理式真空镀膜)市场主要由AMAT一家垄断,市场份额达85%的,CVD(化学式真空镀膜)市场主要被AMAT、Lam和 TEL把持,份额分别为30%、26%和17%;热处理市场由AMAT、TEL和Kokusai把持;涂胶显影/去胶市场主要由TEL一家垄断,份额达91%;清洗设备市场则被SCREEN、TEL 和Lam三家垄断。
全球测试机市场被爱德万、泰瑞达和Lam垄断,三家的市占率分别为50%,40%和8%;全球封装设备市场主要由ASM Pacific、K&S、Shinkawa、Besi把持。
中国半导体设备供给侧亟待提升
中国大陆是全球三大半导体设备消费市场之一,然而,本土设备厂商的市占率却很低。以2020年为例,国内晶圆厂(包含三星、台积电、SK海力士等国际大厂在中国大陆的晶圆厂)设备采购总额约为154亿美元,其中,国产设备采购额仅为9.9亿美元,占比仅7%,国产化率低、被国外巨头垄断的局面非常明显。
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,自给率严重不足。
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。而单晶炉、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。
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。尤其与国际巨头相比,本土设备企业的实力仍然偏弱,绝大部分企业无法达到国际上已经实现量产的7nm工艺水平,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。
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。
由于半导体设备研发周期长、投入大。国产设备公司虽然在工艺制程上的研发已经有所突破,但是与稳定量产之间还有一定距离,非常关键的一点是要有试错机会,试错的周期通常长达一年甚至数年,而由于市场长期被国际大厂占据,国内设备厂商很难得到应用机会和发展空间。