2023晶圆制造行业简析报告

版权归属 上海嘉世营销咨询有限公司晶圆制造行业简析报告商业合作/内容转载/更多报告 01.晶圆是半导体制造中的关键步骤数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络•晶圆是半导体器件的基础材料，晶圆代工是半导体产业中极为重要的环节，专门负责晶圆制造，为芯片设计公司提供晶圆代工服务。•半导体产业在前期只有垂直整合一种经营模式，包括从半导体设计、制造、测试到最终销售的全部环节。随着行业分工的不断深化，台积电的设立意味着半导体设计及制造业务的分离，晶圆代工模式正式成立。同时，专门从事IC芯片设计的无晶圆厂模式也成立了。半导体产业的企业经营模式晶圆代工工艺流程 序号项目模式1垂直整合模式(IDM模式)涵盖芯片设计、晶國制造、封装测试以及后续的产品销售等环节2晶國代工模式( Foundry模式)不涵盖芯片设计环节，专门负责晶圆制造，为芯片产品公司提供晶圆代工服务3无晶圖厂模式(Fabless模式)不涵盖晶圆制造环节和封装测试环节，专门负责芯片设计和后续的产品销售，将晶圆制造和封装测试外包给专业的晶圆制造、封测企业前期处理掩模版制作圆形转移功能实现检测入库硅片清洗热氧化光刻（涂胶、曝光、显影）刻蚀（干法、湿法）去胶离子注入、退火扩散化学气相沉积物理气相沉积化学机械研磨晶圆测试包装入库根据设计需求多次循环 02.硅片为晶圆制造的基底材料数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络•在半导体产业链中，半导体材料位于制造环节上游，和半导体设备一起构成了制造环节的核心上游供应链，不同于其他行业材料，半导体材料是电子级材料，对精度纯度等都有更为严格。•半导体材料主要分为晶圆制造材料和封装材料，其中晶圆制造材料中，硅片为晶圆制造基底材料。根据SEMI数据，2021年全球晶圆制造材料中，硅片占比最高为35%。半导体材料主要细分产品情况硅片尺寸进化史材料类型主要材料主要用途晶圆制造材料硅片晶圆制造基底材料电子气体氧化、还原、除杂掩膜版是微电子制造过程中的图形转移工具或母版，用于下游电子元器件行业批量复制生产光刻胶将掩膜版上的图形转移到硅片上的关键材料湿电子化学品微电子、光电子湿法工艺制程中使用的各种电子化工材料CMP材料通过化学反应与物理研磨实现大面积平坦化靶材制备薄膜的元素级材料封装材料封装基板保护、支撑、散热，连接芯片与PCB引线框架保护、支撑，连接芯片与PCB键合丝芯片和引线框架、基板间连接线陶瓷封装体绝缘打包第一代硅片，直径为25.4毫米，相当于一英寸1960年第二代硅片，直径增加到76.2毫米，相当于三英寸1975年第三代硅片，直径达到100毫米，相当于四英寸1981年第四代硅片，直径扩大到125毫米，相当于五英寸1985年第五代硅片，直径为150毫米，相当于六英寸1988年第六代硅片，直径为200毫米，相当于八英寸1995年第七代硅片，直径为300毫米，相当于十二英寸2001年第八代硅片，直径为450毫米，相当于十八英寸2017年 03.全球晶圆产能持续扩张数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络•2020年以来，缺芯问题困扰半导体产业链，诸多芯片制造商宣布建厂扩产；上游晶圆厂扩产火热，与下游终端需求进入寒冬形成了鲜明对比。•2022年年末，全球晶圆总产能为2546万片/月（等效8英寸，不含光电子和三代半材料），同比增长9.5%，2023年末有望达2783万片/月。22Q4全球等效8英寸晶圆产能约2630万片，SEMI预期2023年产能达2900万片。第三方统计全球晶圆年度产能2020年-2025E全球晶圆年末月产能0%2%4%6%8%10%12%14%05001000150020002500300035002020202120222023E2024E2025E全球晶圆总产能（万片/月，等效8英寸）YOY75%80%85%90%95%100%0500010000150002000025000300002020Q12020Q22020Q32020Q42021Q12021Q22021Q32021Q42022Q12022Q22022Q32022Q4产能（万片，等效8英寸）装运量（万片，等效8英寸）铸造利用率 04.中国大陆产能将以远超行业的速度增长数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络•中国大陆未来3年的产能增速都远高于其他国家/地区。预计2023-2025年中国大陆自主晶圆产能将同比增长18.8%/19.6%/17.4%。•在半导体设备出口管制的影响和美国排他性条款的影响下，外资产能建设趋缓，未来中国大陆的主要增量来自中芯国际4个12英寸晶圆厂的建设和爬坡，以及长存、长鑫的存储产能提升。各地区产线产能增速 各国晶圆厂自主产能增速 0.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%35.0%40.0%45.0%中国大陆中国台湾韩国日本美国欧洲其他202120222023E2024E2025E0.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%35.0%中国大陆中国台湾韩国日本美国欧洲其他202120222023E2024E2025E 05.晶圆行业的两大经营模式数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络•晶圆行业分成IDM模式、PureFoundry模式， IDM与PureFoundry的产能占比为7:3。头部存储公司以IDM模式经营，故IDM模式的产能占比较大。2022年以IDM模式经营的公司产能为1810万片/月。•IDM公司的产能中，63.2%为存储器公司，28.3%为主营模拟&功率类的公司，仅有8.4%的逻辑芯片产能是以IDM模式生产的，主要是Intel的产能。•IDM模式前进过程或有分歧，代工产能供不应求。一方面，大多数功率&模拟公司向大尺寸迈进，TI、Infineon等大举新建12英寸fab；另一方面，安森美陆续出售多个晶圆厂，执行fab-lite战略。预计22-25年IDM和纯晶圆厂的产能CAGR分别为8.8%/9.9%。不同类型IDM厂商的产能（按公司主营业务分类）2022年不同经营模式的晶圆产能分布28.9%71.1%Pure FoundryIDM050010001500200025002020202120222023E2024E2025Ememorylogicanalog&power 06.晶圆厂投资成本越来越高数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络•根据摩尔定律，约18月集成电路晶体管数量将增加一倍，技术持续发展下集成电路线宽不断缩小，集成电路的设备投资呈指数级上升趋势。•根据IBS统计，5nm产线的设备投资高达数百亿美元，是16/14nm产线投资的两倍以上，是28nm的四倍左右。为实现高性能计算，调整每个矢量变得越来越困难。•芯片设计更加复杂，先进制程的投资额大幅提升，5万片晶圆的5nm产能设备投资额达到150亿美金，相应的带来生产成本的抬升；此外芯片大尺寸会带来良率问题。每5万片晶圆产能的设备投资（百万美元） 不同制程工艺下芯片制造成本NORMALIZED COST/YIELDED MM012345645nm32nm28nm20nm14/16nm7nm5nm0500010000150002000025000 07.设备占晶圆厂扩产开支的 80%数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络•生产设备是晶圆厂扩产中主要支出投入。据《屹唐股份招股说明书》，新建晶圆厂资本开支结构中，70%-80%的投资用于设备购买，其中跟芯片制造相关的核心设备又占设备投资的78%-80%。业界头部厂商的资本开支，对设备行业的订单状况有较大影响。新建晶圆厂资本开支结构大环节具体环节对应设备厂房建设:20/-30%设计:2%-7%-土建设地:30%-40%-洁净室分工:50%-70%机电系统:25%/-35%洁净室系统:25%-35%设备投资: 70%-80%硅片制造:1%/-3%长晶&切磨批设备:2%薄膜沉积设备:18%芯片制造:78%/-80%光刻设备:17%刻蚀/去胶设备:18%退火/扩散/注入设备:5%工艺控制设备:11%(涂胶4%)清洗/CMP设备:8%其他加工设备:10+%封装测试: 18%/-20%封装测试:40%-45%CP&FT测试设备: 55%-60% 08.通过不同测试保持晶圆产品质量数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络•在半导体芯片的生产过程中，FT测试（FinalTest）、WAT测试（WaferAcceptanceTest）CP测试（ChipProbeTest）分别适用于不同生产工艺阶段，用于确保晶圆的质量并排除不良产品。•WAT测试是在芯片制造过程的早期阶段进行的，在晶圆制造完成后而芯片分离和封装之前，针对晶圆进行测试。•CP测试是在晶圆分离成多个芯片之后而芯片封装之前进行的，在芯片上安装探针，以在芯片的金属引脚上执行测试。•FT测试是在芯片封装之后的最终测试阶段进行的，封装后的芯片外观更接近最终产品，包括封装、引脚和封装材料。WAT测试CP测试FT测试激光雷达行业发展趋势晶圆可接受度测试晶圆级主要是晶圆制造结束后测试(偶尔用于制造过程中)监控工艺稳定性、检测工艺窗口、判断晶圆出货标准测试机+探针台晶圆测试晶圆级封测工艺前的测试筛选来料良率、减少封装成本测试机+探针台成品测试芯片级封测工艺完成后的测试筛选最终出货芯片产品良率测试机+分拣机 09.头部晶圆厂聚焦12英寸高歌猛进数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络•目前满产的8、12英寸各有120条和84条，另有17条8英寸线尚处爬坡中；但规划待建/在建的产线基本以12英寸为主，规划待建+已在建的12英寸产线合计设计产能超过400万片/月。•头部晶圆厂扩产也基本以12英寸为主，TSMC致力于扩大全球制造足迹，满足不同地区客户需求，除了中国台湾的本土工厂外，还有美国ArizonaP1、与索尼合资的日本熊本Fab23在建。头部半导体晶圆厂未来主要扩增产线全球各状态晶圆产线数量分布（条） 020406080100120140规划代建满产爬坡中在建公司产线产线状态产线地址规划产能(万片/月)预计建成时间制程总投资TSMCFab19 P1 (N4)在建美国Arizona Phoenix22024年N4合计400亿美元Fab19 P2 (N3)规划待建美国Arizona Phoenix32026年N3Fab23 P1在建日本熊本县5.52024年底22/28nm、12/16nm 86亿美元Fab22 .在建中国台湾高雄/2024年7nm/Fab18 P7-P9在建中国台湾台南/陆续建成3nm/SamsungPyeongtaekP4~ P6在建韩国Pyeongtaek/陆续建成/100万亿韩元US Fab在建美国Taylor,Texas/2024年/170亿美元MicronNew ldahoFab在建美国Boise, Idaho/2025年先进DRAM150亿美元美国中部Mega fab规划待建美国纽约Clay/2025年200亿美元IntelFab38 P1在建以色列KiryatGat52024年7nm/4nm100亿美元Fab52、Fab62在建美国Chandler,Arizona62024年2nm200亿美元Ohio Fab1&2在建美国俄亥俄州Ohio52025年底2nm200亿美元德国mega-fab规划待建德国Magdeburg/2027年/170亿欧元UMCFab12A P6爬坡中中国台湾台南2.752023Q2.28nm及以上30亿美元Fab12i P3在建新加坡白沙32024年底22/28nm50亿美元中芯国际中芯京城(1期)爬坡中北京102022年底28nm及以上76亿美元中芯深圳新厂爬坡中深圳42022年底28nm及以上23.5亿美元上海临港基地在建上海102023年底28nm及以上88.7亿美元天津西青工厂在建天津102024年180~ 28nm75亿美元 10.五大巨头拥有全球五成以上晶圆产能数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究