半导体产业链:行业综述

网鱼

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11-06 09:161302阅读

半导体主要分为四部分:集成电路81.64%、分立器件5.6%、光电子器件9.57%、微型传感器3.19%,其中集成电路又分为:微处理器17.88%、存储器22.66%、逻辑器件27%、模拟器件14.1%。

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半导体产业链:芯片设计——芯片制造——芯片封装,在芯片制造和芯片封装环节,需要有半导体材料和半导体设备。

半导体主要分为四部分:集成电路81.64%、分立器件5.6%、光电子器件9.57%、微型传感器3.19%,其中集成电路又分为:微处理器17.88%、存储器22.66%、逻辑器件27%、模拟器件14.1%。

半导体产业链:芯片设计——芯片制造——芯片封装,在芯片制造和芯片封装环节,需要有半导体材料和半导体设备。

国内半导体产业链

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半导体制造工艺流程:

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半导体制造工艺

半导体制造环节所需设备:1)生产设计工序:制造光罩的掩膜板制造设备;2)制造工序:光刻机、刻蚀机、离子注入机、涂胶显影机;3)封装段工序:划片机、装片设备、塑封设备;4)检测段工序:电镀机、AOI设备、激光打标机;5)硅片生产加工工序:晶体生长炉、磨圆机、倒角机和抛光机等。

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半导体各环节所需设备

各工序主要设备投资比重:据 SEMI 数据显示,在整个半导体生产设备投资中,光刻机投资占比最大,可达 20-25%左右;扩散设备、刻蚀机、离子注入机、淀积设备各占设备投资的 10~15%,电镀、抛光、测试等设备分别占设备投资的 5~10%。

各工序主要设备占整个产业链设备投资比重

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在芯片设计、芯片制造和芯片封测环节,芯片制造为核心环节,所用设备种类最多,其中光刻机是全产业线核心,光刻的成本可占到整个硅片制造工艺的 30%以上,耗费时间约占整个硅片加工流程的 40%-60%。根据 SEMATECH 的研究,1970 年代,光刻机的单价在几十万美元,并且约每 4.4 年价格翻一倍。目前,先进光刻机的单价一般都超过 2000 万美金,荷兰 ASML 最新出品的 EUV 光刻机价格达到一亿美金。光刻机可占半导体设备投资的20~25%。芯片封测技术难度较低,国产设备在该领域率先突破。

总的来说: 半导体设备技术壁垒较高,国内半导体厂商设备多依赖进口,国内产业相对薄弱。从全球范围看,美国、日本、荷兰是世界半导体装备制造的三大强国:美国公司在等离子体刻蚀设备、离子注入机、薄膜沉积设备、掩膜版制造设备、检测设备、测试设备、表面处理等设备中具有竞争优势;日本公司在光刻机、刻蚀机、沉积设备、清洗设备、涂胶显影设备、退火设备、检测设备、测试设备等领域占据优势;荷兰公司则在高端光刻机、垂直扩散炉等方面领先。

全球新增晶圆厂分布:

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2017-2020年全球新增晶圆厂分布

未来半导体设备投资增量主要来自于国内计划新建的晶圆厂。未来两年中国大陆将有10余座晶圆厂投入使用,历史经验显示,产能为1万片/月的12英寸晶圆厂总投资规模为10亿美元,其中设备投资占比约60%,由此估计,未来两年中国大陆地区晶圆厂设备投资有望达到216亿美元。

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国内处于规划建设中的半导体晶圆厂(不完全统计)

根据 SEMI 的预计,2017 年至 2020 年,全球将有 62 座新的晶圆厂投产,这些新增的晶圆厂以量产晶圆厂占大多数,只有 7 座为研发或试产厂。其中将有 26座新晶圆厂座落在中国,在新增晶圆中占比达 42%。这些位于大陆的晶圆厂 2017年预计将有 6 座投产,2018 年则达到高峰,共 13 座晶圆厂投入营运,这些将于 2018 年完工的晶圆厂多数为晶圆代工厂。美国将有10 座晶圆厂位居第二,中国台湾地区会有 9 座,欧洲、南韩和日本则共计 17 座。

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中国大陆12寸晶圆厂按季度设备订单

我国设备的市场空间测算:我国前中后道设备市场空间依次约为4亿、140亿和50亿美元。

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2017下半年-2018年不同环节主要设备投资(亿美元)

半导体材料:主要分布在芯片制造环节和封装测试环节。1)前端芯片制造涉及半导体材料化学品包括:晶圆、光阻材料(光刻胶)、电子特种气体、超净高纯试剂、CMP 抛光液、CMP 抛光垫和溅射靶极材料;2)后端封装环节涉及半导体材料化学品包括:引线框架、IC载板、锡球材料、膜封材料、键合金丝和聚酰亚胺材料。

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芯片产业链中所需半导体材料

晶圆的生产环节涉及电子特种气体、超净高纯试剂、CMP 抛光剂、CMP 抛光液和晶圆产品本身五类半导体材料。具体过程为:首先从沙子中提取硅(Si)单质,利用碳以氧化还原的方式将普通沙子还原成粗硅(纯度高于 98%),利用西门子法(Siemens process)将粗硅与盐酸反应经提纯制备出更高纯度的多晶硅,也称电子级硅(EGS),后续 EGS 通过切克拉斯基法(czoralski’s process)获得高纯单晶硅柱:即以单晶硅种(seed)与液体表面接触,一边旋转一边向上拉起(拉晶),从而获得冷却后的单晶硅柱。单晶硅柱经过后续:切片->倒角->研磨->腐蚀->清洗->抛光->湿法刻蚀->退火等过程最终制备出晶圆。

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晶圆生产流程及涉及电子化学品环节

在封装测试环节涉及引线框架、IC 载板、锡球、膜封材料、键合金丝和聚酰亚胺材料六类半导体材料。封装过程较为复杂,同时中国本土公司长电科技华天科技通富微电和晶方半导体等公司均具有先进的封装能力,在国际市场占有相当优势。

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2014年世界晶圆制造材料市场分类

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2014年中国晶圆制造材料市场

目前我国的现状是:晶圆生产和光阻材料技术壁垒短期内很难突破。

硅晶圆市场份额最大,占比30%,其中12寸硅晶圆占比达63%,8寸硅晶圆占比28%。目前国内寻求从 8 英寸到 12 英寸硅晶圆的生产技术升级,国外公司从设备、原料和生产工艺三个方面联合限制中国晶圆生产技术的突破,同时利用国家安全条款限制中国企业海外并购,中国晶圆产品难以通过其下游晶圆代工厂的技术审核认证进入合格供应商行列,严重制约硅晶圆材料的业务发展。

核心光阻材料(光刻胶)技术壁垒最高,短时间内突破需要自主研发和海外并。 购并举。国内光阻材料的研发起步较晚,落后日本、美国等发达国家 20 年以上,本土以外公司光阻材料在国内市场份额占有率达到 85%以上。受光刻机设备进口限制和光刻胶核心原料技术限制影响,光阻材料短时间靠自主研发攻克很难。

从晶圆生产过程的全面分析,国产12 英寸晶圆替代自给的技术壁垒主要集中在材料纯度、拉晶工艺和平整化处理三个主要环节。

1)材料纯度方面,对于世界先进工艺制备的 EGS 的纯度需达到 99.999999999%以上,即 11N9 的硅纯度。目前,国内晶圆生产厂家批量生产的 8 英寸及以下中小晶圆产品的制备纯度也仅仅达到7N9 到 9N9 的范围。因此,即使国内完成12英寸晶圆生产线,其产品由于纯度不足依然很难通过下游世界范围内主流晶圆代工厂的审核认证,属于制约目前国内12 英寸晶圆生产技术突破的原料壁垒。

2)拉晶工艺壁垒方面,目前国内实现12寸晶圆量产的企业均引入国外设备及材料,此部分设备封锁已经于近年放开,究其开放原因是从2009 年世界范围内领先厂商已经完成从12英寸到18英寸(450mm)的再次升级,因此欧洲部分设备厂家综合考虑产业布局计划以合资入股等方式将 12 尺寸相关拉晶设备开放给中国制造厂商。

3)平整化处理壁垒方面,目前世界范围内对于 12 英寸晶圆表面平整度要求仅为 3μm,国内企业目前加速追赶,以 SEMI 提出指标为目标采购国外平整设备推进 12 英寸硅片的批量生产。在设备自主研发方面,在国家自然基金和“863”项目支持下,大连理工大学联合相关企业开发的磨削后硅片 TTV 为 4μm,表面粗糙度达到 Ra为1.4nm,亚表面损伤深度 0.25μm,落后于世界领先水平在 20 年以上。

半导体行业国家政策及产业基金支持:

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各省市半导体产业基金先后成立,规模超3000亿

国家大基金投资的企业:

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国家大基金投资的企业

半导体产业具有投资金额大、投资回报周期长的特点,在国家政策的持续支持下,国内企业通过整合现有资源不断突破技术壁垒,最终必将实现“中国制造 2025”目标中的核心材料自给率大幅提升。

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