中国半导体设备（1）：薄膜沉积设备（CVD&PVD）

ChinaSemiconductor Equipment (1): Thin Film Deposition Equipment(CVD&PVD) 中国半導体装置（1）：薄膜堆積装置（CVD&PVD） 主笔人：张俊雅 目录CONTENTS ◆半导体设备产业综述 •全球半导体行业市场规模：2023年全球半导体市场低迷，预计2024年市场开始进入上行周期•全球半导体行业周期性：技术驱动10年长周期，资本开支驱动3-4年短周期•半导体设备：晶圆制造投资量占比超80%，其中光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备为核心•半导体设备投资额：集成电路设备投资额随制程节点先进程度提升而大幅增长•半导体设备国产替代：美日荷先进半导体设备封锁，中国半导体设备国产替代势在必行•半导体设备国产替代：中国晶圆厂半导体设备国产化率已提升至35%，预计2025年达50% ◆薄膜沉积设备行业现状 •薄膜沉积设备：半导体制造关键设备，其技术可分为CVD、PVD和ALD三大类•CVD设备：PECVD应用最为广泛，ALD则面向先进制程应用•PVD设备：磁控溅射PVD应用范围最为广泛，发展前景可观•薄膜沉积技术：薄膜种类繁多且工艺复杂构筑高技术壁垒，未来向低温、更高集成度发展•薄膜沉积设备需求端：芯片制程升级，推动薄膜沉积设备需求大幅增长•薄膜沉积设备市场：2023年全球市场规模达260亿美元，市场被海外厂商所垄断•国产薄膜沉积设备厂商产品布局：产品布局较为分散，厂商间进行差异化竞争 ◆薄膜沉积设备企业推荐 •拓荆科技：国产CVD设备领军企业•北方华创：国资背景的PVD设备龙头企业•微导纳米：国产ALD设备领军企业 ◆业务合作 ◆方法论与法律声明 报告摘要 ◼半导体设备国产替代：中国晶圆厂半导体设备国产化率已提升至35%，预计2025年达50% 全球半导体设备市场高度集中，海外龙头厂商仍处于垄断地位，中国半导体设备厂商已覆盖多个细分领域，但国产替代仍处于早期阶段。根据SEMI，2022年中国晶圆厂商半导体设备国产化率明显提升，从21%提升至35%。预计2025年，国产化率将会达到50%，并初步摆脱对美国半导体设备的依赖。 目前在28nm及以上领域，中国半导体设备厂商已基本实现了全覆盖，部分刻蚀、清洗环节已推进至先进制程节点，国产化率达80%以上。而在14nm工艺上，中国半导体设备厂商也实现了50%以上的覆盖，国产化率可能达到了20%以上。目前在14nm以下，国产化率仍较低，仅为10%左右。 ◼薄膜沉积设备市场：2023年全球市场规模达260亿美元，市场被海外厂商所垄断 根据Maximize Market Research数据，全球薄膜沉积设备市场规模预计由2017年的125亿美元增长至2025年的340亿美元。未来，逻辑芯片制程升级、存储芯片堆叠层数提升、新工艺的应用，使得薄膜沉积设备在产线中的占比及价值量逐步提升，全球薄膜沉积设备市场规模将保持稳定增长态势。 在薄膜沉积设备市场中，PECVD份额占比达33%，而其余占比较大的设备有PVD（19%）、ALD（11%）、管式CVD（12%）等。由于PECVD具有沉积速度快、工作温度低的优点，其在薄膜沉积设备中占据主要地位。 ◼薄膜沉积设备需求端：芯片制程升级，推动薄膜沉积设备需求大幅增长 先进制程使得晶圆制造的复杂度和工序量大幅提升，当线宽向7nm及以下制程发展，需要采用多重曝光工艺，薄膜沉积次数明显增加。在90nm CMOS芯片工艺中，大约需要40道薄膜沉积工序。在3nmFinFET工艺产线，大约需要超过100道薄膜沉积工序，涉及的薄膜材料由6种增加到近20种，对于薄膜颗粒的要求也由微米级提高到纳米级，进而拉动晶圆厂对薄膜沉积设备需求量的增加。 Chapter 1半导体设备产业综述 全球半导体行业市场规模：2023年全球半导体市场低迷，预计2024年市场开始进入上行周期 2023年，全球半导体市场规模为5,201亿美元，同比下滑9.4%，主要由于2023年存储芯片需求疲软，导致半导体市场低迷。在AI芯片需求强劲的推动下，全球半导体市场将有所回暖，预计2024年市场规模增长至5,884亿美元 ❑半导体是指介于导体与绝缘体之间的物理材料，其广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车、工业/医疗、军事/政府等核心领域。根据世界半导体贸易统计组织（WSTS）的分类标准，半导体主要由四个组成部分组成：集成电路（约占84.33%），光电器件（约占6.87%），分立器件（约占5.28%），传感器（约占3.52%）。其中，集成电路按照产品种类又可分为四大类：微处理器（约占13.42%），存储器（约占26.30%），逻辑器件（约占30.55%），模拟器件（约占14.27%）。 ❑根据WSTS的数据，全球半导体市场规模由2019年的4,123亿美元增长至2023年的5,201亿美元。2023年全球半导体市场规模同比下滑9.4%，主要由于2023年存储芯片需求疲软，导致半导体市场低迷。然而在AI芯片需求强劲的推动下，全球半导体行业将有所回暖，开始进入上行周期。预计2024年全球半导体市场规模将增长至5,884亿美元，同比增长13.1%。 全球半导体行业周期性：技术驱动10年长周期，资本开支驱动3-4年短周期 全球半导体行业周期性明显，技术驱动半导体10年长周期，资本开支驱动3-4年短周期。2023年全球半导体行业资本开支同比下降14%，主要由于芯片需求疲软及消费和移动设备库存增加，预计2024年资本开支迎来反弹 ❑2023年，全球半导体行业资本开支同比下降14%至156亿美元，下降主要由于芯片需求疲软以及消费和移动设备库存增加，许多半导体公司减少对新设备的投资，以应对市场的不确定性。其中，削减幅度最大的是存储公司，降幅为19%。从多年来全球半导体资本开支同比增速来看，全球半导体资本开支约3-4年为一个周期，预计2024年资本开支迎来反弹。 半导体设备：晶圆制造投资量占比超80%，其中光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备为核心 半导体设备可分为前道设备（晶圆制造）和后道设备（封装与测试）两大类，前道设备投资量占总设备的80%以上。前道设备中，刻蚀设备、薄膜沉积设备和光刻机设备价值量占比分别为22%、22%和17% ❑半导体设备可分为前道设备（晶圆制造）和后道设备（封装与测试）两大类。前道设备涉及硅片加工、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、清洗、抛光、金属化等工艺，所对应的核心专用设备包括硅片加工设备、光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备、测量设备等，其中光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备是半导体前道生产工艺中的三大核心设备。后道设备则包括封装设备和测试设备，同时后道先进封装工艺也会用到部分前道设备。 ❑在晶圆厂的资本开支中，20%-30%用于厂房建设，70%-80%用于设备投资。根据国际半导体产业协会（SEMI），前道设备（晶圆制造）投资量占半导体设备投资量的约80%，封装和测试设备占比分别约为10%和8%。在晶圆制造设备中，刻蚀设备、薄膜沉积设备和光刻机分别占前道设备价值量的22%、22%和17%。 半导体设备投资额：集成电路设备投资额随制程节点先进程度提升而大幅增长 在相同产能下，集成电路设备投资量随制程节点先进程度提升而大幅增长，5nm制程下1万片/月的产能建设需要超过30亿美元的资本开支投入；2023年全球半导体设备市场规模受下游需求不振影响有所下滑，达874亿美元 ❑全球半导体设备市场在5G、AI、物联网等新兴技术的驱动下不断扩大，市场规模由2019年的598亿美元增长至2022年的1,076亿美元，2017-2022年CAGR为15.8%。2023年，受到下游芯片需求疲软，以及终端库存过高的影响，全球半导体设备市场规模同比下降18.6%至874亿美元。预计2024年需求回暖，全球半导体设备市场规模达1,053亿美元，同比增长4.0%。 ❑在相同产能下，集成电路设备投资量随制程节点先进程度提升而大幅增长。当技术节点向5nm甚至更小的方向升级时，集成电路的制造需要采用昂贵的极紫外光刻机（EUV），或多重模版工艺（重复多次刻蚀及薄膜沉积工序以实现更小的线宽），需要投入更多且先进的光刻机、刻蚀设备和薄膜沉积设备。根据IBS，以5nm技术节点为例，1万片/月产能的建设需要超过30亿美元的资本开支投入，是14nm的两倍以上，28nm的四倍左右。 ❑以DRAM、3D NAND和逻辑芯片为代表的集成电路制造工艺不断提升，对半导体设备提出了更高的要求，同时带动投资规模提升。根据东京电子（TEL），DRAM制程达到1b，3DNAND层数达到2XX时，新建10万片/月晶圆制造产能的设备投资额提升至90亿美元；逻辑芯片工艺达到2nm时，晶圆制造设备投资额将会达到210亿美元。 半导体设备国产替代：美日荷先进半导体设备封锁，中国半导体设备国产替代势在必行 2022年以来，美日荷相继发布对华芯片出口管制措施。半导体设备作为中国主要的“卡脖子环节”，正处于国产替代的黄金期。2023年6-7月，中国半导体设备进口额大幅增长，表明国产厂商正持续扩大成熟制程芯片的生产 ❑2022年，中国大陆半导体设备行业整体进口金额达到347.2亿美元，出口金额达41.2亿美元，进出口贸易逆差达306.0亿美元。2023年6月和7月，中国进口的半导体设备价值总额接近50亿美元，较去年同期的29亿美元增长了70%，其中大部分进口的半导体设备来自于荷兰和日本。中国对半导体设备进口额的大幅增长，表明中国半导体制造厂商正在继续扩大成熟制程的生产。 ❑2022年10月，美国对中国半导体产业制裁升级。2023年3月，荷兰也加入了美国对华芯片出口管制的阵营。日本经济产业省也发布修订外汇法法令，将23类先进的芯片制造设备纳入出口管理的管制对象。其中包括清洗设备、成膜设备、热处理设备、曝光设备（包括极紫外EUV相关产品的制造设备）、蚀刻设备、高端光刻胶等。2022年以来，地缘政治不确定性持续加剧，半导体设备作为中国主要的“卡脖子环节”，仍处于国产替代的黄金期。 半导体设备国产替代：中国晶圆厂半导体设备国产化率已提升至35%，预计2025年达50% 全球半导体设备市场高度集中，海外厂商处于垄断地位，中国半导体设备厂商已覆盖多个细分领域，国产化率总体已达35%，预计在2025年提升至50% ❑目前在28nm及以上领域，中国半导体设备厂商已基本实现了全覆盖，部分刻蚀、清洗环节已推进至先进制程节点，国产化率达80%以上。而在14nm工艺上，中国半导体设备厂商也实现了50%以上的覆盖，国产化率可能达到了20%以上。目前在14nm以下，国产化率仍较低，仅为10%左右。 Chapter 2薄膜沉积设备行业现状 薄膜沉积设备：半导体制造关键设备，其技术可分为CVD、PVD和ALD三大类 薄膜沉积设备是半导体制造的核心设备，薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中的介质层与金属层的沉积，包括CVD（化学气相沉积）设备、PVD（物理气相沉积）设备/电镀设备和ALD（原子层沉积）设备 ❑薄膜沉积设备是半导体制造的核心设备，不同类型的设备适合不同沉积材料和用途。薄膜沉积技术则是指在硅片衬底上沉积一层待处理的薄膜材料，所沉积薄膜材料可以主要分为：介质材料（二氧化硅、氮化硅、多晶硅等）、金属材料（铜、钨、钛、氮化钛等）和半导体材料（单晶硅、多晶硅等）。薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中介质层与金属层的沉积，具体包括化学气相沉积（CVD）设备、物理气相沉积（PVD）设备、电镀设备和原子层沉积（ALD）设备，其中ALD又是属于CVD的一种，主要应用于先进制程工艺节点。从沉积效果看，PVD是指向性沉积，适合沉积金属材料，而CVD和ALD的沉积覆盖性较好，适合沉积介质材料，其中ALD对薄膜厚度控制精准度高，但沉积速度较慢。 CVD设备：PECVD应用最为广泛，ALD则面向先进制程应用 常用化学气相沉积（CVD）