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半導體設備現狀分析,國產水準究竟如何?

日前, 一則有關中美兩國將限制半導體設備的流言在行業內流傳, 在現在兩國貿易戰角力的敏感時刻, 任何的風吹草動, 都刺激了雙方的神經。

但拋開這個流言的真假不說, 這樣的內容, 勾起了筆者對國內外半導體設備現狀瞭解的興趣。

從品類上看, 半導體設備可分為晶圓處理設備、封裝設備、測試設備和其他設備, 其他設備包括矽片製造設備、潔靜設備、光罩等。 這些設備分別對應積體電路製造、封裝、測試和矽片製造等工序, 分別用在積體電路生產工藝的不同工序裡。

資料顯示, 在整個半導體設備市場中, 晶圓製造設備大約占整體的80%, 封裝及組裝設備大約占 7%, 測試設備大約占 9%, 其他設備大約占 4%。 而在晶圓製造設備中, 光刻機, 刻蝕機, 薄膜沉積設備為核心設備, 分別占晶圓製造環節設備成本的30%, 25%, 25%。

半導體設備處於該產業鏈的上游, 雖然市場總量與下游的IC設計、製造、封測比相對較小,

但其處於產業鏈上游, 技術高度密集、尖端這一特點, 決定半導體設備在整個行業中起著舉足輕重的作用, 為下游的設計、製造、封測源源不斷地提供著“糧食”, 沒有它, 下游的這些兄弟都會餓死。

全球市場格局

SEMI(國際半導體產業協會)的資料顯示, 2017年全球半導體設備市場規模達566.2億美元, 較2016 年大幅增長 37.3%, 創歷史新高, 增速為近 7 年來的最高水準。 目前, 全球半導體設備市場主要被美國、歐洲(以荷蘭為最)和日本的廠商所掌控, 市場佔有率極高。 而中國相關企業的技術能力和市占率則相當有限。

據Gartner統計, 全球規模以上晶圓製造設備商共計58家, 其中日本的企業最多, 達到 21 家, 占36%, 其次是歐洲13家、北美10家、韓國7家,

而中國大陸僅4家, 分別是上海盛美、上海中微、Mattson(亦莊國投收購)和北方華創, 占比不到7%。

從半導體設備需求端來看, 近幾年銷售額前三大地區分別是韓國、中國臺灣和大陸。 從半導體設備銷售額情況看, 從2014 年開始, 北美半導體設備投資逐年減少, 日本基本維持穩定, 整個半導體製造的產能轉移到了韓國、中國臺灣和大陸三地。 另外, 從這三個地區市場份額占比來看, 中國大陸買家買下了全球 15%的半導體設備, 市場份額提升了近一倍, 且一直處於穩步上升的狀態。

從供給側來看, 半導體設備是一個高度壟斷的市場。 根據各細分設備市場佔有率統計資料, 在光刻機、PVD、刻蝕機、氧化/擴散設備上, 前三家設備商的總市占率都達 90%以上, 而且行業龍頭都能佔據一半左右的市場, 所以, 要想在半導體裝備市場中分一杯羹, 就必須在細分領域能夠做到全球前三。

美國處於領先地位

來自SEMI的最新資料顯示, 北美半導體設備製造商3月出貨金額為24.2億美元, 比2月微增0.4%, 年增16.7%, 創17年來新高。

這主要得益於近兩年記憶體及晶圓代工投資持續帶動。

美國半導體設備的發展起源於二戰後期, 由於軍用電腦的帶動, 造就了最初的半導體產業, 在之後的二三十年中, 美國半導體產業穩步發展, 奠定了其半導體設備行業的堅實基礎。

來自北美的設備商主要包括:應用材料, 泰瑞達、Axcelis Technologies, KLA-Tencor, Lam Research, Kulicke & Soffa、Nanometrics, Rave, Rudolph Technologies, Ultratech, Ushio等。

雖然在所有半導體設備廠商和市場中, 美國跟隨在日本和歐洲之後, 處於第三的位置。 但就晶圓處理設備而言, 其實力非常強勁, 在全球晶圓處理設備供應商前5名中, 美國就佔據了3席, 分別是排名第一的應用材料(AMAT), 市占率19%左右;第二的Lam Research, 市占率13%左右;以及排名第5的KLA-Tencor, 市占率6%左右。

具體而言, 晶圓處理設備中, 幾個主要工序的設備也都基本處於行業龍頭的高度壟斷之中。 其中,在PVD領域,應用材料公司佔據了近 85%的市場份額,CVD占30%;刻蝕設備方面,Lam Research最多,市占率達53%,而KLA-Tencor在半導體光學檢測領域,全球市占居冠。在各個領域中,前三大巨頭的市場份額相加均超過70%,整個市場呈現強者恒強、高度壟斷的狀態。

應用材料可以說是全球最大的半導體設備公司了,產品橫跨CVD、 PVD、刻蝕、CMP、RTP等除光刻機外的幾乎所有半導體設備。應用材料2017財年營收為145.3億美元,其中,半導體設備收入95.2億美元。

半導體設備行業技術壁壘非常高,隨著制程越來越先進,對半導體設備的性能和穩定性提出了越來越高的要求,需要投入大量的研發資金。應用材料公司一直保持著在研發上的高投入,其30%的員工為專業研發人員,擁有近12000 項專利,平均每天申請4個以上的新專利。正是這種持續的高研發投入,促成了應用材料的內部創新,構成了較高的技術壁壘,使其自1992年以來一直保持著世界最大半導體設備公司的地位。

中國市場現狀

據Semi預測,2018年中國的設備銷售增長率將創新高,為49.3%,達到113億美元,中國大陸將緊隨韓國,成為世界第二大半導體設備需求市場。

2017~2020年,中國大陸將有26座新晶圓廠投產,成為全球新建晶圓廠最積極的地區,整個投資計畫占全球新建晶圓廠高達 42%,成為全球新建投資最大的地區。目前,中國12英寸晶圓廠共有22座,其中在建11座,規劃中1座;8英寸晶圓廠18座,其中在建5座。

在這樣大興土木的行業背景下,對半導體設備的需求和投資必然巨大。粗略計算,已經公佈的半導體產線投資金額將超過1000億美元。按照行業規律,在總投資中80%用於設備投資,從而可計算出設備投資額為800 億美元。

在晶圓廠設備構成中,光刻機占比最大,占39%,其次是沉積設備,占比為 24%,刻蝕設備第三,占比為14%,材料製備占比8%,表面處理設備和安裝設備分別占比2%,其他設備占比11%。

據此,可以計算出,2017-2019年國內積體電路光刻設備市場空間為312億美元,沉積設備市場空間為192億美元,刻蝕設備市場空間為112億美元,材料製備設備市場空間為64億美元。

自給率低

因此,未來幾年,我國對半導體設備的需求量巨大。然而,供給側如何呢?中國半導體設備企業雖然在近年內呈現出了高增長態勢,但是畢竟發展時間有限,與美、日等國家比起來還是存在明顯差距。

2008 年之前我國半導體設備基本全靠進口,因此國家設立了國家科技重大專項——極大型積體電路製造裝備及成套工藝科技專案(簡稱 02專項)研發國產化設備。但是,由於設備製造對技術和資金需求要求比較高,只有北方華創、中微半導體、上海微電子等少數重點企業能夠承擔 02專項研發工作,整個行業集中度相對較高。

雖然在02專項的支援下,我國半導體設備實現了從無到有,但相比國內龐大的市場規模而言,自給率不足15%。

即使在發展水準相對較高的 IC 封裝測試領域,我國與先進國際水準相比仍然存在較大差距。尤其是單晶爐、氧化爐、 CVD 設備、磁控濺射鍍膜設備、 CMP 設備、光刻機、塗布/顯影設備、 ICP 等離子體刻蝕系統、探針台等設備市場幾乎被國外企業所佔據。

下面看一下我國的主要廠商及其產品都有哪些,國內排名前6的半導體設備廠商為:中電科,主要產品為離子注入機、CMP、鍵合機、封裝設備;晶盛機電,產品有多晶鑄錠爐、單晶爐等晶體生長設備;捷佳偉創,主要生產制絨設備、擴散設備和清洗設備;北方華創,產品有刻蝕機、鍍膜設備、 CVD設備、 氧化擴散設備、清洗機、輔助設備;中微半導體,主要生產MOCVD、刻蝕和封裝設備;上海微電子,主要生產光刻機,且已經能夠提供90nm工藝設備。

以上只列出了排名靠前的幾家企業,其實,我國本土半導體設備企業不算少,但總體不強,銷售額占比在國內市場還不足15%,在國際市場幾乎為 0。究其原因,還是技術上的落後。

目前,國產半導體設備處於局部有所突破,但整體較為落後的狀態。尤其與國際半導體設備巨頭應用材料、 ASML、LAM Research、KLA-Tencor等相比,國產半導體設備公司的實力仍然偏弱,絕大部分企業無法達到國際上已經實現量產的10nm工藝,部分企業突破到28nm或14nm工藝,但在使用的穩定性上與國際巨頭差距較大,較難大批量進入量產線,也較難進入國際代工巨頭的生產線。

研發支出差距大

半導體設備是一個高度專業化、高壁壘的市場, 高壁壘在於研發的難度和強度都十分巨大,從研發支出指標看來,其比例基本處於15%左右,遠遠高出其他裝備類製造企業。從研發支出絕對值來看,全球龍頭應用材料(AMAT)每年的研發支出超過15億美元,其他巨頭,如泛林集團(LAM)每年的研發支出也超過10 億美元。

相對而言,國內半導體龍頭北方華創的年研發支出僅8432萬美元,差距明顯。

本土設備需要發展空間和機會

對國內晶圓代工廠來說,採用國外的設備是最省時間和精力的。因此,優先採購的,還是國外先進設備公司的成熟產品。

由於半導體設備研發週期長、投入大。國產設備公司雖然目前在工藝制程上的研發已經有所突破,但是與穩定量產之間還有一定的距離,其中非常關鍵的是要有試錯的機會。試錯的週期通常長達一年甚至數年。

但是,現在中國大陸大力發展積體電路製造,首要任務是實現製造工藝的更新,而不是要求提升國產化率,所以沒有太多的時間給國產設備公司提供試錯的機會。量產中,製造設備一旦出問題,那整條產線上的晶圓都有可能報廢,而且需要停工檢查維修,對晶圓廠來說,代價非常大。所以,目前國產設備處於產品研發出來,但得不到大批量使用的境地,缺少試錯機會。

取得的成績

目前,在封測領域,特別是在測試、清洗、CMP、晶圓檢測、切割等方面,國產設備在市場佔有率上取得了突破。目前,國內測試設備競爭較為激烈,國際廠商,如泰瑞達、愛德萬、科利登;國內廠商,如華峰,長川等形成了競爭格局。華峰和長川科技已經在技術上取得了一定的突破,利用成本優勢,從分立元件測試、模擬測試、分選機等低端測試領域開始,和國際廠商展開競爭,並取得了一定的市場份額。

結語

從現階段看,中國要全力發展半導體產業,還是得靠國外輸出這些關鍵設備,才能如期順利量產。在現在愈演愈烈的貿易戰階段,特朗普的任何決定,都會讓中國如芒在背。

近年來,為了提升自身實力和話語權,中國企業或基金對國外半導體領域的公司展開了一系列收購,但多以失敗告終,即使收購成功,也多為金額較小的案例。特別是在中美貿易戰影響下,美國計畫限制中國投資其高科技領域,未來中國企業收購國外半導體行業公司難度很大。

在這樣的背景下,對國內半導體設備公司而言,通過收購國外公司,來發展自己的路已經走不通,因此,國內半導體設備公司將無法通過並購實現快速壯大。

唯有自主創新之路可行!當然,鑒於半導體設備行業的特點,通過自主創新來發展壯大,將是一個較為漫長的過程,因此,國產半導體設備公司的崛起,尚需時日。

其中,在PVD領域,應用材料公司佔據了近 85%的市場份額,CVD占30%;刻蝕設備方面,Lam Research最多,市占率達53%,而KLA-Tencor在半導體光學檢測領域,全球市占居冠。在各個領域中,前三大巨頭的市場份額相加均超過70%,整個市場呈現強者恒強、高度壟斷的狀態。

應用材料可以說是全球最大的半導體設備公司了,產品橫跨CVD、 PVD、刻蝕、CMP、RTP等除光刻機外的幾乎所有半導體設備。應用材料2017財年營收為145.3億美元,其中,半導體設備收入95.2億美元。

半導體設備行業技術壁壘非常高,隨著制程越來越先進,對半導體設備的性能和穩定性提出了越來越高的要求,需要投入大量的研發資金。應用材料公司一直保持著在研發上的高投入,其30%的員工為專業研發人員,擁有近12000 項專利,平均每天申請4個以上的新專利。正是這種持續的高研發投入,促成了應用材料的內部創新,構成了較高的技術壁壘,使其自1992年以來一直保持著世界最大半導體設備公司的地位。

中國市場現狀

據Semi預測,2018年中國的設備銷售增長率將創新高,為49.3%,達到113億美元,中國大陸將緊隨韓國,成為世界第二大半導體設備需求市場。

2017~2020年,中國大陸將有26座新晶圓廠投產,成為全球新建晶圓廠最積極的地區,整個投資計畫占全球新建晶圓廠高達 42%,成為全球新建投資最大的地區。目前,中國12英寸晶圓廠共有22座,其中在建11座,規劃中1座;8英寸晶圓廠18座,其中在建5座。

在這樣大興土木的行業背景下,對半導體設備的需求和投資必然巨大。粗略計算,已經公佈的半導體產線投資金額將超過1000億美元。按照行業規律,在總投資中80%用於設備投資,從而可計算出設備投資額為800 億美元。

在晶圓廠設備構成中,光刻機占比最大,占39%,其次是沉積設備,占比為 24%,刻蝕設備第三,占比為14%,材料製備占比8%,表面處理設備和安裝設備分別占比2%,其他設備占比11%。

據此,可以計算出,2017-2019年國內積體電路光刻設備市場空間為312億美元,沉積設備市場空間為192億美元,刻蝕設備市場空間為112億美元,材料製備設備市場空間為64億美元。

自給率低

因此,未來幾年,我國對半導體設備的需求量巨大。然而,供給側如何呢?中國半導體設備企業雖然在近年內呈現出了高增長態勢,但是畢竟發展時間有限,與美、日等國家比起來還是存在明顯差距。

2008 年之前我國半導體設備基本全靠進口,因此國家設立了國家科技重大專項——極大型積體電路製造裝備及成套工藝科技專案(簡稱 02專項)研發國產化設備。但是,由於設備製造對技術和資金需求要求比較高,只有北方華創、中微半導體、上海微電子等少數重點企業能夠承擔 02專項研發工作,整個行業集中度相對較高。

雖然在02專項的支援下,我國半導體設備實現了從無到有,但相比國內龐大的市場規模而言,自給率不足15%。

即使在發展水準相對較高的 IC 封裝測試領域,我國與先進國際水準相比仍然存在較大差距。尤其是單晶爐、氧化爐、 CVD 設備、磁控濺射鍍膜設備、 CMP 設備、光刻機、塗布/顯影設備、 ICP 等離子體刻蝕系統、探針台等設備市場幾乎被國外企業所佔據。

下面看一下我國的主要廠商及其產品都有哪些,國內排名前6的半導體設備廠商為:中電科,主要產品為離子注入機、CMP、鍵合機、封裝設備;晶盛機電,產品有多晶鑄錠爐、單晶爐等晶體生長設備;捷佳偉創,主要生產制絨設備、擴散設備和清洗設備;北方華創,產品有刻蝕機、鍍膜設備、 CVD設備、 氧化擴散設備、清洗機、輔助設備;中微半導體,主要生產MOCVD、刻蝕和封裝設備;上海微電子,主要生產光刻機,且已經能夠提供90nm工藝設備。

以上只列出了排名靠前的幾家企業,其實,我國本土半導體設備企業不算少,但總體不強,銷售額占比在國內市場還不足15%,在國際市場幾乎為 0。究其原因,還是技術上的落後。

目前,國產半導體設備處於局部有所突破,但整體較為落後的狀態。尤其與國際半導體設備巨頭應用材料、 ASML、LAM Research、KLA-Tencor等相比,國產半導體設備公司的實力仍然偏弱,絕大部分企業無法達到國際上已經實現量產的10nm工藝,部分企業突破到28nm或14nm工藝,但在使用的穩定性上與國際巨頭差距較大,較難大批量進入量產線,也較難進入國際代工巨頭的生產線。

研發支出差距大

半導體設備是一個高度專業化、高壁壘的市場, 高壁壘在於研發的難度和強度都十分巨大,從研發支出指標看來,其比例基本處於15%左右,遠遠高出其他裝備類製造企業。從研發支出絕對值來看,全球龍頭應用材料(AMAT)每年的研發支出超過15億美元,其他巨頭,如泛林集團(LAM)每年的研發支出也超過10 億美元。

相對而言,國內半導體龍頭北方華創的年研發支出僅8432萬美元,差距明顯。

本土設備需要發展空間和機會

對國內晶圓代工廠來說,採用國外的設備是最省時間和精力的。因此,優先採購的,還是國外先進設備公司的成熟產品。

由於半導體設備研發週期長、投入大。國產設備公司雖然目前在工藝制程上的研發已經有所突破,但是與穩定量產之間還有一定的距離,其中非常關鍵的是要有試錯的機會。試錯的週期通常長達一年甚至數年。

但是,現在中國大陸大力發展積體電路製造,首要任務是實現製造工藝的更新,而不是要求提升國產化率,所以沒有太多的時間給國產設備公司提供試錯的機會。量產中,製造設備一旦出問題,那整條產線上的晶圓都有可能報廢,而且需要停工檢查維修,對晶圓廠來說,代價非常大。所以,目前國產設備處於產品研發出來,但得不到大批量使用的境地,缺少試錯機會。

取得的成績

目前,在封測領域,特別是在測試、清洗、CMP、晶圓檢測、切割等方面,國產設備在市場佔有率上取得了突破。目前,國內測試設備競爭較為激烈,國際廠商,如泰瑞達、愛德萬、科利登;國內廠商,如華峰,長川等形成了競爭格局。華峰和長川科技已經在技術上取得了一定的突破,利用成本優勢,從分立元件測試、模擬測試、分選機等低端測試領域開始,和國際廠商展開競爭,並取得了一定的市場份額。

結語

從現階段看,中國要全力發展半導體產業,還是得靠國外輸出這些關鍵設備,才能如期順利量產。在現在愈演愈烈的貿易戰階段,特朗普的任何決定,都會讓中國如芒在背。

近年來,為了提升自身實力和話語權,中國企業或基金對國外半導體領域的公司展開了一系列收購,但多以失敗告終,即使收購成功,也多為金額較小的案例。特別是在中美貿易戰影響下,美國計畫限制中國投資其高科技領域,未來中國企業收購國外半導體行業公司難度很大。

在這樣的背景下,對國內半導體設備公司而言,通過收購國外公司,來發展自己的路已經走不通,因此,國內半導體設備公司將無法通過並購實現快速壯大。

唯有自主創新之路可行!當然,鑒於半導體設備行業的特點,通過自主創新來發展壯大,將是一個較為漫長的過程,因此,國產半導體設備公司的崛起,尚需時日。

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