2022年半导体零部件行业深度报告.docx
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1、2022年半导体零部件行业深度报告1 种类繁杂,半导体零部件成国产化新战场1.1 半导体设备是高集成的复杂系统半导体设备结构复杂,体积庞大,集成度高,由种类繁多的零部件组成。而伴 随半导体制造工艺的发展,对半导体设备提出了越来越苛刻的规格要求。半导体零 部件因此在材料、结构、工艺、品质、精度、可靠性、稳定性等各方面面临更高的 标准,有别于传统机械组件。以等离子体设备为例,围绕反应腔周围,分布着负责气体调配和供应的 Gas Box 和 MFC 模块,负责制造等离子体的射频电源模块,负责制造反应腔真空环境 的真空模块(包含多种泵、阀等),以及多种监测压力、真空度等反应条件的仪器 仪表等,共同构建了
2、高集成度的晶圆制造设备。半导体零部件的种类划分有多种标准,若按照结构组成,可大致分为:机械类、 电气类、机电一体类、气/液/真空系统类、仪器仪表类、光学类等; 若按设备腔体内部流程和所实现的功能来区分,零部件可分为电源和射频控 制类、气体输送类、真空控制类、温度控制类、传送装置类等; 按照半导体零部件材料体系来分又可以分为金属件、石英件、硅/碳化硅件、 陶瓷件、石墨件、塑料件等; 按半导体零部件服务对象来分,又可以分为精密机加件和通用外购件。值得注 意的是这两种类别亦代表了两种零部件生产模式,精密机加件通常由各个半导体 设备公司的工程师自行设计,然后委外加工,如工艺腔室、传输腔室等,相对容易;
3、 而通用外购件则是一些经过长时间验证,得到众多设备厂和制造厂广泛认可的通 用零部件,更加具有标准化,会被不同的设备公司使用,也会被作为产线上的备件 耗材来使用,例如硅结构件、0 型密封圈(ORing)、阀门、规(Gauge)、泵、气 体喷淋头(shower head)等,由于这类部件具备较强的通用性和一致性,并且需要 得到设备、制造产线上的认证,因此壁垒相对较高。1.1.1 光刻设备光刻机作为一种光学设备,其主要构成包括光学相关模块和运动相关模块,该 两部分亦在光刻机 BOM 成本中占据较大比重,包括和光学相关的光源系统、透镜 系统、浸没系统等,以及和精密运动相关的晶圆工作台、晶圆传输系统、圆
4、模板工 作台、掩膜版传输系统,以及维持内部工作环境的环境电气支持系统等。作为价值 量最高的晶圆制造设备,光刻机零部件具有全球供应链特征。光学部分的核心部件为光源和透镜系统。光刻机所采用的光源主要为波长 248nm 的 KrF 光源、波长 193nm 的 ArF(干式/浸没式)光源和波长 13.5nm 的 EUV 光源,业内主要供应商为美国 Cymer,并由光刻机巨头 ASML 于 2012 年以 25 亿美元收购。透镜系统则是光源之外的另一重要环节,主要用于 DUV 的光学 系统中,在 EUV 时代将由一系列高精度的反射镜系统取代,光刻机透镜组的业内 主要供应商为德国光学仪器龙头蔡司。精密的运
5、动系统亦为光刻机核心组件。当图案在晶圆上光刻成像时,需要将掩 模版沿着一个狭窄的光缝平滑移动,每次只曝光图案的一小部分;同时,晶圆向相 反的方向平稳移动,以捕捉整个图案,二者的运动必须完全同步,因此运动控制的 精度至关重要。而在晶圆平台,由 ASML 主导了双工件台的设计,及同时移动两 个晶圆平台,当一个晶圆平台在给晶圆进行曝光时,另一个平台可对下一片晶圆进 行量测校正,其速度和精度直接决定了光刻机的生产效率和良率。 当前业内三大光刻机龙头厂商 ASML、Nikon、Canon 的工件台系统均由其自主设计,通过自产/代工形式自主供应而不对外销售。国内厂商华卓精科在此领 域亦投入了较大研发,进行
6、了产品验证工作。1.1.2 干法设备等离子体设备包括 PECVD、干法刻蚀、干法去胶等,在晶圆制造前道环节占 据主导地位和主要价值量。据 Gartner 数据,2021 年全球半导体设备市场,等 离子体薄膜设备和干法刻蚀/去胶设备合计占设备市场总规模的 31%,等离子体 设备共有的等离子源、真空系统、气体系统、反应腔模组等组件因此有广泛应用, 以下我们将分类讨论。而设备后段的传输平腔(TM,transfer module),其作用是连接 EFEM 和反 应腔(PM),并承担晶圆传输的作用。在等离子体薄膜/刻蚀设备中,传输腔一般 为真空环境(VTM,vaccum transfer module)
7、。传输腔的主要组成包括腔体、 中央的真空机械手、传输腔与反应腔连接处的门阀,以及各种真空密封件。包含反应腔在内的工艺模块(PM,process module)则有着更为复杂的结 构和功能。等离子体薄膜/刻蚀设备的工艺模块包括产生射频电压的射频发生器、外部供气模块(Gas box、Gasline、MFC 等)、创造真空环境的泵、阀、密封件、 真空仪表等,以及反应腔。而反应腔内部又有承载晶圆的静电卡盘(E-chuck)、 电极、气体喷淋头等零部件。1.1.3 热处理设备热处理设备,主要包括各类立式炉、卧式炉,主要用于氧化、退火等工艺,亦 在晶圆制造过程中有广泛使用。炉管设备的主要零部件包括石英管、
8、气体供应模块、 温控模块,以及各类泵、阀、密封件等。1.1.4 各类零部件价值量占比经过上述讨论,不难看出机械类和电气类零部件为大多数半导体设备的主要 组成部分,并广泛应用于各种设备类型。气/液/真空系统则依照设备的功能性不同 而搭载。仪器仪表类亦有较强的通用性,但在设备 BOM 成本中占比相对低。而光 学类零部件较为特殊,仅在光刻和量测类设备种有使用,但在这两类特定设备种有 较高的价值量占比。通过比较国内三家代表性设备供应商,我们发现等干法设备(如拓荆科技的 PECVD、屹唐股份的干法去胶和干法刻蚀设备)往往电气类和机电一体类零部件 占比更高,二者的招股书最新报告期内电气类+机电一体类零部件
9、占比分别达到 39%和 43%;而湿法设备(如华海清科的主业 CMP 设备)等没有真空反应腔, 没有气体反应的设备,往往 BOM 成本中机械零部件的占比往往较高,华海清科 2021 年采购额中,机械零部件占比达 67%。1.2 设备零部件百亿美元市场空间作为半导体设备的主要成本构成,半导体设备零部件亦有百亿美元级别的市 场空间。 近年来,全球半导体设备市场规模逐步扩张。据 WSTS 统计,2010 年到 2020 年,全球半导体产品市场规模从 2,983 亿美元迅速提升至 4,404 亿美元,预计到 2030 年,全球半导体市场规模有望达到万亿美元。半导体设备的市场景气度与半 导体市场规模高度
10、相关。根据 SEMI 统计,全球半导体设备销售规模从 2010 年 395 亿美元增长到 2021 年的 1026 亿美元,其中中国大陆市场 296 亿美元。SEMI 预计到 2022 年将进一步增长 15%至 1,175 亿美元。设备市场的快速增长带动设备零部件需求。据我们统计,国内半导体设备上市 公司年度营业成本中,材料采购成本占比约在 85-95%,而毛利率约在 38-45% 左右(即成本率 55-62%),可推算材料采购成本约为公司当年营收的 50%左右。 据此我们推算,2021 年全球半导体设备市场 1025 亿美元对应 500 亿美元 左右的零部件采购额,中国大陆市场 296 亿美
11、元设备市场对应零部件市场约 150 亿美元。1.3 国产化突破的五重难点半导体设备零部件的种类繁多,其中机械类属于应用最广的品类,我国在其主 要产品技术方面已实现突破和。其他种类的产品也在不断实现技术突破, 但产品稳定性与一致性仍与国际先进水平存在差距,并且在高端先进制程应用中 的国产化率更低、突破难度更高,国产化进程仍面临诸多难点。(1)对原料的性能要求高我国机械加工产业成熟,但材料产业基础较为薄弱,具体指标尚待精进。如精 密陶瓷件对原料关键指标的要求较高,需要高纯度、高精密度、非常均匀且稳定的 组织结构,国内材料厂尚处于研发环节。(2)后工序处理难度大公司半导体设备精密零部件产品具备高精密
12、、高洁净、高耐腐蚀、耐击穿电压 等性能,因此在加工件中,形状加工仅是基础,仅满足形状精度要求,后端的表面 处理与清洗工艺中有更多的技术积累。例如对于反应腔而言,需要同时具备耐腐蚀、 耐击穿、高洁净度,并能实现高密封性和高真空度。而要实现这样严苛的性能指标,表面处理技术至关重要。以干法制程和湿法制 程为例,湿制程通常处于强酸、强碱环境中,往往需要对零部件表面进行阳极氧化 和化学镀膜。而干法制程通常处于腐蚀性气氛和高温环境,对表面处理要求更高, 常用的是电解抛光和等离子喷涂工艺,以提升零部件表面的耐腐蚀性。(3)复杂电气类产品的开发研制难度高半导体设备是复杂的机电一体化系统,其中涉及到大量的电气组
13、件使用,相较 金属加工件,电气类组件的结构更复杂,国内相关厂商仍处于起步阶段。 例如泵产品,虽然沈阳科仪已成为国内晶圆线干泵的主要供应商之一,但半导 体级的高真空度冷凝泵(cryopump)和涡轮泵(turbopump)国产化率仍旧较低。又如射频电源(RF generator)这类控制工艺制程的核心模块,直接关系到反 应腔内等离子体的浓度与均匀度,对其输出功率的稳定性、电压质量、频率质量等 指标要求极高。国内产品与 AE、MKS 等国际先进产品尚有差距,少量应用于国内 半导体设备厂商。(4)认证体系复杂,周期长半导体设备行业内有较为严格的认证体系和供应商资质认证体系,若要进入 国内外设备厂商的
14、供应链,需要经过长期且严苛的客户认证,获得认证后也要持续 进行不定期的资质复审,才能与下游客户建立长期稳定的合作关系。(5)市场碎片化例如 Gauge、MFC、O-ring 等零部件,不仅对精度和材料的要求高,而且半 导体级产品的市场规模很小,各品类下的厂商体量都较小。通常用于食品、医药等 领域的产品不满足半导体级规格,半导体级产品存在较多技术壁垒、软实力要求高, 有许多 Know-How。2 全球市场:分散和垄断并存2.1 细分市场高度分散,美日厂商主导尽管前文中,我们将半导体设备的种类大致的分为机械类、电气类、机电一体 类等大类,但由于半导体设备精密度高、结构复杂,需要的零部件种类及数量极
15、其 庞大,在每一个大类中也有较多的细分品类,市场高度碎片化。据芯谋研究数据, 2020 年中国晶圆厂商采购的 8-12 寸晶圆设备零部件产品结构占比较大的分别为 石英件、射频发生器、泵、阀门、吸盘、反应腔喷淋头等,分别占比 11%、10%、 10%、9%、9%、8%。由于细分品类的高度碎片化,并且不同零部件之间存在着一定的差异性和技 术壁垒,因此半导体零部件市场并未出现一个垄断型的大型供应商,各赛道的龙头 供应商大多是专长于单一或少数品类。例如 ZEISS 专长光学部件,Edwards、日 本荏原的真空泵,AE 布局射频发生器,VAT 的阀门零部件等。主要龙头厂商收入 体量大多在几亿美元到十几
16、亿美元的体量,相较数百亿美元的总市场规模,各自在 总体市场中份额都不高。据 VLSI Research 数据,近 10 年里,半导体零部件市 场前十大供应商的市场份额总和稳定在 50%左右。 从地域分布上看,除了光刻机零部件市场以 ASML 和其全球供应链供应商组 成以外,其他通用型零部件市场主要由美国、日本供应商主导。国内暂无规模相当 的零部件厂商出现。2.2 核心零部件垄断程度高尽管半导体零部件行业整体 CR10 在 50%左右,但在单一细分品类集中度往 往高达 80-90%,呈现出行业整体碎片化+局部高垄断的格局。2.2.1 机械手机械手即工业机器人,通常指应用在工业生产过程中,模仿人类
17、手臂设计具有 串联多关节结构的机器人。机械手能模仿人手臂的某些动作功能,按固定程序抓取、 搬运物件或操作工具的自动操作装置。半导体机械手主要适应于集成电路、芯片制 造等半导体前段工序,用来搬送晶圆。机械手是 EFEM(设备前端模块)和 TM(真 空传输)的核心组件,用于在抛光、刻蚀、扩散、沉积、装配、包装和测试等的半 导体加工步骤中,对半导体晶片进行传输与定位。按工作环境的不同,硅片搬运机器人可以分为真空机器人和大气机器人。真空 机器人大多用在集束型设备中,在真空度为 10-5pa 环境下通过轨迹规划完成对硅 片的传输和定位。大气机器人常用在洁净大气环境中,目前应用最为广泛,占有接 近 60%
18、的市场份额。 全球半导体机械手市场销售额稳步增长,规模逐步扩大。2021 年市场销售额 为 836.4 百万美元,QYresearch 预计 2027 年市场销售额将高达 1347.6 百万美 元,年复合增长率为 8.3%。生产层面看,全球半导体机械手市场主要由美国和日本厂商主导。日本是最大 的半导体机械手生产地区,占有大约60%的市场份额,美国占有20%的市场份额。中国占有市场份额不大,目前本土企业由新松机器人主导。 全球第一梯队厂商主要有 3 家,分别是 Brooks Automation、RORZE Corporation 和 DAIHEN Corporation,共占有大约 55%的市
19、场份额。第二梯队 厂商主要是几家日本厂商 Hirata Corporation、Yaskawa、JEL Corporation、 Nidec 和 Robostar,2020 年占有大约 27%的市场份额。2.2.2 真空泵真空泵是用来产生、改善和维持真空环境的装置,是真空系统的核心。半导体 制造中,尤其是核心的干法工艺,广泛涉及到真空反应环境,而真空系统直接关系 到芯片的性能和良率。半导体真空泵的需求不断增长,真空设备市场持续扩张。根据 Edwards,一 个月产 4 万片的晶圆厂,大约需要上千台真空泵及尾气处理系统,和 500 台涡轮 分子泵。据华经产业研究院预测,2022 年全球半导体用干
20、式真空泵市场将达 196.4 亿元,同比增长 9.3%。从竞争格局上看,全球真空泵市场较为集中,主要由 Atlas、Pfeiffer、Ebara 等少数几家公司占据。Atlas 近年来不断扩张,收购了 Quincy、Edwards、Leybold 等公司,成为全球真空领域龙头,2021 年真空业务营业收入为 196 亿元(含非半 导体真空泵)。Pfeiffer 产品除真空泵外,还包括测量与分析设备、安装工具等, 半导体及新兴技术领域营收为 27.52 亿元。2.2.3 静电吸盘静电吸盘是一种适用于真空环境或等离子体环境的超洁净晶圆片承载体,它 利用静电吸附原理将晶圆片加以固定并进行控温。静电吸
21、盘广泛应用于 PVD、 PECVD、刻蚀、离子注入等高端半导体制造设备。 静电吸盘的基本原理是异种电荷之间相互吸引,即晶圆片与电极之间通过不 同种电荷之间的库仑力相互吸引,使晶圆片稳定在电极上。因此静电吸盘的主要结 构包括陶瓷外壳、电极、用于控制温度的气体通道等。静电吸盘产生的吸附作用源自在整个吸附面上均匀产生的电流的力量,因此 不会对工件施加物理压力。而机械吸盘通过机械固定工件,可能导致工件破损、弯 曲;真空吸盘通过真空泵创造真空状态来固定工件,容易在工件上留下吸附压痕, 在如今的半导体制造工艺中已经基本由静电吸盘取代。全球静电吸盘市场具有高度垄断性,由日本和美国企业主导,包括美国企业 Ap
22、plied Materials、LAM 等设备原厂的自主生产,以及日本企业 Shinko、TOTO、 NTK 等第三方供应商,市场集中度较高。中国主要厂商包括广东海拓创新和北京 华卓精科公司。2021 年,中国静电吸盘市场规模达到 21.12 亿元,Global Info Research 预计 2028 年将达到 34.81 亿元,2022-2028 年复合增长率为 7.29%。2.2.4 射频电源电源按输出类型可分为直流电源和交流电源。前者可分为线性稳压电源和开 关型稳压电源。后者可分为低频交流电源和高频交流电源。射频电源属于高频交流 电源,工作频率在 300KHz-300GHz 之间,由
23、放大器、直流电源、检测器和控制 器四大模块构成。射频(RF Radio Frequency)是一种高频交流变化电磁波的简称。在电子学 理论中,电流流过导体,导体周围会形成磁场,而交变电流通过导体会形成电磁场, 称为电磁波。在电磁波频率高于 100KHz 时,电磁波可以在空气中传播,并经大气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力,这种具有远距离传输能力的高频电 磁波被称为射频。射频电源是等离子体发生器的配套电源,主要用于在低压或常压 气氛中产生等离子体,在集成电路制造工艺中被广泛应用于射频溅射、PECVD、 等离子体刻蚀及其他工艺领域。全球射频电源市场格局集中度高,呈现寡头竞争的发展趋势,两大供
24、应商 MKS Instrument 和 Advanced Energy 均来自美国。如前文所述,射频电源占零部件 市场总体的 10%左右,即对应 2021 年约 50 亿美元的全球市场。而 AE 在 2021 年实现半导体业务收入 7 亿美元,MKS 实现半导体业务收入 18 亿美元(不全为 射频电源),占据较高市场份额。3 海外龙头观察:细分领域领先者各有所长如前所述,半导体零部件市场具有高度碎片化的特征,因此全球市场并未出现 像设备领域的 AMAT 一样的垄断型巨头。龙头公司均是在自身所处赛道深耕,扩 大产品线。而观察海外龙头的发展路径,我们发现他们大多是通过持续的投资并购 来扩充自身业务
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