自主装备助力打造中国“芯”

现代国企研究2018-06-25 14:48:24


大规模集成电路(IC)是二十世纪人类最重大的发明之一,也是人类社会大规模生产的最精密的产品之一。1947年贝尔实验室的肖克利等三位科学家发明了第一个晶体管,推开了半导体行业发展的大门。1957年第一块集成电路(IC)在德州仪器(TI)诞生,并在此后取得了长足的发展,目前先进制程的芯片上晶体管数量已可达到百亿级别。

下游需求始终是推动半导体产业进步的动力源泉。从20世纪70年代以来,伴随着电脑、手机和平板产品消费的持续增长,全球半导体行业实现了快速发展,全球半导体市场规模由最初的十亿美元规模增长至2017年的4087亿美元。未来几年随着汽车电子、云计算、大数据、AI等行业的兴起,预计半导体行业规模仍将持续增长。据世界半导体贸易统计组织(WSTS)预计,到2018年全球半导体行业销售规模将达到4110亿美元。

集成电路是半导体产业的核心,通常将半导体和集成电路等价。根据产品类型的差异,半导体元器件可分为集成电路、分立器件、光电子器件和微型传感器等。根据WSTS统计,2017年全球集成电路销售额高达3402亿美元,占半导体市场的83.33%,其中存储器、逻辑器件、微芯片和模拟器件分别占30%、25%、15%和13%。

 

半导体行业发展符合“摩尔定律”

 

自大规模产业化生产开始以来,在市场需求与技术进步的双重作用下,IC芯片技术发生了日新月异的变化。考究过去五十年间半导体产业的发展,基本符合“摩尔定律”:当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。近年来随着芯片制程逐步逼近物理极限,摩尔定律出现放缓的迹象,但新技术的不断推出仍使得这一规律大致有效。

制程工艺是指在生产集成电路过程中所采用的线路的宽度。线路越窄,则在相同尺寸的晶圆上可以容纳更多的电子元件,从而增加芯片的运算效率,并降低耗电量。芯片制造工艺从20世纪70年代开始不断精进,从10微米(um)提升到当前的10纳米(nm)。目前国际领先的IC厂商均已实现10nm工艺的量产,代工巨头台积电(TSMC)更是领先一步,即将实现7纳米量产。但随着物理极限的逼近,芯片制程提升的周期在拉长,同时成本也在指数级提升,经济性变差,这都为后来者的追赶创造了机会。

为了降低芯片成本,需要不断地提高生产的效率,一方面是提高产品的良率,另一方面是改进工艺,不断变大的晶圆尺寸就是发展趋势之一。芯片(chip)生产过程第一步是在圆形晶圆(Wafer)上制造出一个个集成电路,再切割成一个个长方形晶片(die),在切割的过程中必须切掉边缘部分不完整的电路。因此晶片越大,容纳的电路越多,废弃的比例越少,同时也降低了成本,但其要求的材料技术和生产技术也更高。

从20世纪70年代至今晶圆尺寸逐步由100mm(4英寸)发展至当前的主流路线300mm(12英寸)。根据IC Insight统计,2016年全球晶圆出货量为10738MSI(百万平方英寸),其中300mm晶圆占全球晶圆产能的63.6%,预计到2021年,全球将有123家12英寸晶圆厂,产能占比将达到71.2%。18英寸晶圆技术尚未成熟,且成本高昂,需求不足,目前尚未达到量产阶段。未来几年内300mm(12英寸)晶圆仍将是主流技术路线。

 

技术进步推升投资规模,Fabless模式应运而生

 

芯片制造可以分为芯片设计、晶圆制造、封装测试三个环节。

芯片设计是将系统、逻辑与性能的设计要求转化为具体的物理版图的过程,也是一个把产品从抽象的过程一步步具体化的过程。这一环节输出的是集成电路设计图纸。

晶圆制造的过程是设计成果转化成最终物理产品的过程。通过一定的工艺方式在硅片衬底上制造出电路所需要的晶体管、二极管、电阻器和电容器等元器件,并连接起来,形成具有特定计算能力的芯片(Die,裸片)。

封装是指把晶圆制造环节所生产的裸片放在一块起到承载作用的基板上,并把管脚引出来,然后固定包装成一个整体。芯片面积与封装面积比值可以用来衡量封装技术的先进性。

测试包括芯片设计中的设计验证、晶圆制造中的晶圆检测(Probe Test)和封装完成后的成品测试(Final Test)。一般将封装后的测试环节与封装环节合称为封装测试。

根据WSTS统计,2015年全球芯片设计、晶圆制造和封装测试的收入分别约占产业链整体销售收入的27%、51%和22%。

半导体行业发展是一个逐步专业化分工的过程。早期的集成电路企业以IDM(Integrated Device Manufacturing)模式为主,也称为垂直集成模式,即IC 制造商自行设计、并将自行生产加工、封装、测试后的成品芯片销售。目前这类企业典型包括三星(Samsung)、英特尔(Intel)等。半导体设备行业率先于20世纪60年代分离出来,成为独立的公司。此后EDA(电子设计自动化)软件企业也于20世纪70年代分离出来。

与半导体工艺技术的进步同步出现的是成本的飙升。1995 年以来,芯片制造工艺经历了从 0.5 微米到目前 28nm、16/14nm的发展过程,从65nm 开始,晶圆制造生产线投资呈几何级数的增长。以芯片制造过程中必须使用的光罩(MASK)为例,55nm的MASK费用约为400万元人民币,40nm的MASK费用约为700万元人民币,28nm的MASK费用约为1500万元人民币左右,16nm的MASK费用更高达4000万元人民币左右。晶圆厂的投资更是水涨船高,以月产3万片12英寸20nm制程的晶圆生产线为例,建造成本约为70亿美元。台积电披露其最新7nm工厂预计投资将达到5000亿新台币(约合170亿美元)。随着集成电路制程节点的缩小,制造技术难度成倍增加,能跟随工艺发展的制造厂商越来越少。

1987年台积电(TSMC)成立,开创性提出了Foundry模式,专注代工生产,为客户提供芯片生产和测试服务。与台积电Foundry模式对应,其客户可以专注于芯片设计开发,而不需要自建工厂生产,被称为Fabless(无工厂)模式。典型的Fabless公司包括ARM、AMD和高通等。国内绝大多数芯片企业都采用Fabless模式,从而避免投入巨量资金建设工厂。

由于Fabless模式充分体现了专业化分工的优势,因此被大部分集成电路设计企业采用。这一模式下芯片设计企业(Fabless)、晶圆制造代工企业(Foundry)、封装测试企业(Package & Testing House)分离成集成电路产业链中的独立一环,因此也被称为垂直分工模式。目前虽然全球半导体前20大厂商中大部分仍为IDM厂商,如三星(Samsung)、英特尔(Intel)等,但由于近年来半导体技术研发成本以及晶圆生产线投资成本呈指数级上扬,更多的IDM厂商开始采用轻晶圆制造(Fab-lite)模式,即将晶圆委托晶圆制造代工企业厂商制造,甚至直接变成独立的芯片设计企业,如超微(AMD)、恩智浦(NXP)和瑞萨(Renesas)等,垂直分工已成为半导体行业经营模式的发展方向。

在垂直分工模式下,IC设计企业(Fabless)只需要完成芯片开发与销售工作即可,晶圆制造代工企业(Foundry)与封装测试企业(Package & Testing House)通过外包的形式完成制造工作。Fabless模式大大降低了IC行业的进入门槛,目前国内IC设计公司大多数都采用了Fabless模式,典型有海思半导体(HiSilicon)、展讯(SpreadTrum)等。同时一批专业代工企业也逐步发展起来,如晶圆代工企业中芯国际(SMIC)、长电科技等。

 

中国市场已成为半导体行业发展的主战场

 

(一)世界半导体市场仍由欧美日韩巨头主导

根据WSTS统计数据,受存储器价格上涨影响,2017年全球半导体行业销售收入再次实现高速增长,销售额达到4087亿美元,其中集成电路行业实现销售收入3402亿美元。WSTS预计2018年半导体行业整体销售额可达到4373亿美元。

从供给端看,全球 IC 行业高度集中,美、欧、日、韩企业占据主导。根据Gartner统计,2017年世界前10大IC厂商销售额高达2453.02亿美元(未包括代工厂商),占全行业销售收入的58.44%。其中三星凭借612.15亿美元的销售收入登顶,英特尔以577.12亿美元收入居于次席,SK海力士以263.09亿美元收入位居第三。台积电以330亿美元收入占据晶圆代工市场56%左右的份额。根据拓墣产业研究院预计,2017年全球晶圆代工总产值约为573亿美元,整体增长7.1%。大陆企业中芯国际以30.99亿美元收入位居代工企业第四,华虹宏力以8.07亿美元收入位居第九。

从消费端看,大陆地区是全球最大半导体市场。2017年我国IC市场消费规模超过1.3万亿元人民币。近几年随着国内电子行业的崛起,智能手机、平板电脑、汽车电子、工业控制、仪器仪表以及智能家居等物联网市场快速发展,已在全球市场占据领先地位,同时对各类IC产品需求不断增长。2000年我国IC市场消费规模仅为945亿元人民币,到2017年已增长至13215.6亿元人民币。2017年中国IC市场消费规模占全球市场的61%,并保持10%以上的增速。

集成电路产品已成为我国最大宗进口商品。过去几年中,国内IC企业虽然实现了较快增长,但自给率仍然较低。2017年我国半导体行业产生的贸易逆差达1925亿美元。

(二)国内IC行业初具规模,但自给率仍然较低

近年国内IC产业高速发展,2010年国内IC行业销售额为1342亿元人民币,2017年实现销售额5427亿元,平均年复合增长率高达22.1%,远高于全球行业整体增速。我们预计未来几年行业增速仍将保持在20%以上。

根据Wind公布的集成电路产量数据来看,2016年和2017年我国集成电路产品产量分别以21.04%和19.46%的增速持续创造新高,2017年总产量已达1391.90亿块。

国内封测与设计环节发展较快,晶圆代工仍需努力。IC封装测试行业特性与晶圆代工类似,以成本优势和资本优势作为重要的竞争力,但相对而言对资本的需求低,成本优势更加显著,技术难度也更低,因此成为中国企业进军IC行业的突破口。2017年封测行业收入占全国IC行业总收入的39%。根据Yole Développement发布的《先进封装产业现状-2017版》报告,中国企业长电科技以7.8%的市场份额,超过日月光、安靠(Amkor)、台积电及三星等公司,位列全球先进封装行业第三。

基于贴近终端市场的优势,国内IC设计企业也迅速崛起。根据IC Insight 统计,2009年国内仅有海思半导体一家企业入围世界芯片设计五十强,到2016年这一数据已增长至11家。其中展讯与海思已进入全球前10强之列。

与设计和封装测试行业形成对比的是,国内企业在晶圆制造环节仍是短板。国内领先代工企业中芯国际(SMIC)与华虹虽然进入了全球代工企业前十,但与台积电相比在产能上还有相当大的差距,并且技术上也落后2-3个世代。晶圆制造是国内IC行业最为薄弱的一环,也是未来几年投资的重点方向。

(三)政策与市场双重推动,未来两年将迎国内建厂高潮

一是“政策+资金”,助力国内IC企业崛起。2020年基本建成技术先进、安全可靠的集成电路产业体系。近年来我国政府持续出台各种鼓励政策,从财政税收、基础建设等多方面支持其发展。2015年《中国制造2025——重点领域技术路线图》中提出:到2020年,集成电路产业与国际先进水平的差距逐步缩小,全行业销售收入年均增速超过20%,企业可持续发展能力大幅增强。移动智能终端、网络通信、云计算、物联网、大数据等重点领域集成电路设计技术达到国际领先水平,产业生态体系初步形成。16/14nm制造工艺实现规模量产,封装测试技术达到国际领先水平,关键装备和材料进入国际采购体系,基本建成技术先进、安全可靠的集成电路产业体系。

2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》正式实施,作为核心配套措施,由财政部牵头成立了“国家集成电路产业投资基金”(大基金),以公司形式投资并扶植国内IC行业重点公司,同时撬动更大规模的投资以解决IC行业投资规模大、周期长、风险大、社会资本不愿意进入的问题。截至2017年6月,国家集成电路产业投资基金一期投资规模已达1387亿元。另据《中国证券报》3月2日的报道,目前大基金二期正在募资,预计规模将在1500亿-2000亿元左右。

大基金一期投资重点在制造环节,投资了中芯国际、长江存储、三安光电等一批高端晶圆制造项目。二期重点在设计,聚焦新兴应用,围绕国家战略和新兴行业,比如智能汽车、智能电网、人工智能、物联网、5G等领域进行投资规划。

除财政部牵头的大基金之外,多地政府也针对IC行业成立了有针对性的产业基金。北京市于2013年12月成立了集成电路产业发展基金,募集总规模为300亿元;上海市于2016年1月成立的产业基金总规模为500亿元;陕西省于2016年8月成立的产业基金初期规模为60亿元,目标规模300亿元;南京市于2016年12月成立了总规模达到600亿元的产业基金。根据我们的统计,国内各地地方政府主导成立的集成电路产业发展基金总规模接近5000亿元。

在国内资金涌入IC行业的同时,基于接近终端消费市场和降低成本的考虑,各大国际IC厂商也开始在中国境内投资建设工厂,包括英特尔、三星、格罗方德、日月光等。

二是全球 IC 产业向中国转移的趋势明显。据国际半导体设备材料产业协会(SEMI)公布数据显示,2017-2020年,全球将新建62座晶圆厂投入营运,其中26座落户中国,占比高达42%。2017年中国境内有6座新建的晶圆厂投产,2018年将达到峰值,预计将有多达13座晶圆厂投产。

集成电路项目资本开支中,设备是占比最大的一类,高达60%-70%。国内晶圆制造项目投资高峰无疑也将带来新一轮设备采购的高峰,利好国内相关专用设备厂商。预计未来几年国内半导体专用设备年市场规模可达千亿规模。

 

内资厂商与国内设备企业共攀先进制程高峰

 

从物理制造流程来看,集成电路制造可以分为晶片制造、晶圆制造和封装测试三个环节。IC产业对设备的需要也都集中在这三个环节上。其中晶圆制造环节又称为前段(Front End),封装测试环节又被称为后段(Back End)。

晶圆制造设备是半导体设备的核心。根据SEMI统计,全球半导体设备销售额中晶圆处理设备占比80%,其中光刻设备、镀膜设备和刻蚀设备分别占20%、15%和15%,其他晶圆处理相关设备占30%。

晶圆制造是IC生产环节中技术难度最大,也是价值量最高的一环。晶圆制造的过程是将IC设计阶段所产生的电路设计成果转化到硅晶片上,并生产出能够实现设计功能的裸晶。制造环节主要的工艺包括薄膜、图形化、掺杂和热处理。随着集成电路技术的进步,目前使用的先进芯片大多具有几十层的结构,在生产的过程中需要反复多次进行薄膜、图形化、掺杂和热处理过程,因此也对相关设备产生了大量的需求。

薄膜工艺是在晶圆表面形成薄膜的加工工艺,这些薄膜可能是不同的材料,并使用多种工艺生长或沉积而成。通用的沉淀技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、蒸发和溅射、分子束、外延生长、分子束外延和原子层沉积(ALD)等。生长技术包括氧化工艺和氮化工艺等。

图形化工艺是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺,此后晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。主要工艺是光刻。图形化是四个基本工艺中最关键的一步,确定了器件的关键尺寸。

掺杂是将特定的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺过程,可在晶圆表层建立兜形区。掺杂的主要工艺方法包括热扩散和离子注入两种。

热处理是简单地将晶圆加热和冷却来达到特定结果的制程。热处理并不会在晶圆上增加或减少任何物质,但可以消除离子注入所产生的损伤、改善金属导线性能或者去除晶圆表面光刻胶中溶剂。

一代设备,一代器件。薄膜、图形化、掺杂和热处理等工艺环节都需要使用对应的设备,常用的包括:扩散炉、氧化炉、CVD炉、湿法刻蚀机、离子刻蚀机、光刻机、清洗机和抛光机等类设备。晶圆生产完成后,检验合格的产品会送往封装工厂进行封装。在封装测试环节会使用到划片机、键合机、测试机等设备。在提升芯片制程技术时,芯片制造厂商需要与设备产商协力研发新一代技术所需的专用设备,因此有了“一代设备,一代器件”的说法。

全球集成电路设备市场规模在800亿美元左右。根据ICInsight统计,2017年全球集成电路设备市场达到912亿美元,增长36%。另外IC Insight预测未来5年全球集成电路设备市场规模仍然巨大,将保持在800亿美元左右。

晶圆设备投资是集成电路设备投资中最主要的部分。根据SEMI发布的世界晶圆产线报告,2017年全球晶圆设备支出达到570亿美元,增长41%,预计2018年将继续增长11%至630亿美元。

中国和韩国(三星与SK海力士天量投资)在晶圆生产设备上的投资是造成全球支出高速增长的主要原因。我们认为随着国内半导体行业投资的走高,未来几年国内设备投资规模有望达到年均千亿,国内设备厂商也将迎来一轮历史性成长机会。

 

国内投资高峰带来设备厂商崛起的历史机遇

 

(一)集成电路专用设备市场外企为主,国产化突破可期

全球集成电路专用设备生产商以美、欧、日企业为主,主要包括美国应用材料公司(AppliedMaterials)、荷兰阿斯美尔(ASML)、美国泛林半导体(Lam Research)、日本东京电子(Tokyo Electron)、美国科磊(KLA-Tencor)等。根据Gartner统计的数据,2016年前十大设备厂商销售额合计达到294亿美元,合计市占率达到79%。其中应用材料公司以77.36亿美元的收入,占有了20.68%的市场份额。在细分领域上集中度甚至更高,通常行业前三市占率可达到90%以上。比如在光刻机领域ASML一家独大,市占率高达80%以上。

我国集成电路专用设备行业市场份额仍主要由国外知名企业所占据。外企企业凭借较强的技术、品牌优势,在高端市场占据领先地位,面对我国巨大的市场需求和相对较低的生产成本,纷纷通过在我国建立独资企业、合资建厂的方式占领大部分国内市场。

根据中国电子专业设备工业协会统计,2016 年中国大陆半导体设备的市场规模(泛半导体,包括集成电路、LED、光伏)为 72.88 亿美元,其中进口设备的市场规模为64.6亿美元,同比增长 31.8%,国产设备的市场规模为57亿元(折合8.28亿美元),国产设备占比为11.36%。国产设备中IC装备占比为50%,约为28.5亿元(折合4.14亿美元)。

在国家科技重大专项之“极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”(02专项)的大力支持和推动下,我国集成电路设备制造行业已实现从无到有、从低端装备到高端装备的突破,部分集成电路关键装备通过02专项验收并投入规模化生产中,包括90nm-65nm等离子体介质刻蚀机、45nm-32nm等离子体介质刻蚀机、65nm硅栅刻蚀机、封装光刻机等设备。总的来看,除光刻机这一核心产品外,国内厂商已能够接近或达到28nm制程要求,与国内领军企业目前的制程水平基本一致,能够满足国内厂商建厂需求。中微半导体7nm深硅刻蚀机已成功进入台积电7nm先进制程生产线,达到了国际一流水平。目前国内半导体厂商14nm工艺仍处于研发阶段,北方华创等国内领先设备企业有机会共同参与研发相关专用设备。

《中国制造2025》对于半导体设备国产化提出了明确要求:在2020年之前,90—32纳米工艺设备国产化率达到50%,实现90纳米光刻机国产化,封测关键设备国产化率达到50%。在2025年之前,20-14纳米工艺设备国产化率达到30%,实现浸没式光刻机国产化。到2030年,实现18英寸工艺设备、EUV光刻机、封测设备的国产化。国内具有足够技术储备的设备厂商将能够借助本轮投资高峰登上世界的舞台。

(二)内资企业投资高峰为国产设备创造成长机会

近两年中国晶圆厂房建设投入创下历史纪录。SEMI预计2017-2018年中国境内晶圆厂房土建投入分别为60亿和66亿美元,创下历史纪录。其中国内企业的投资额也首次超过了外国企业在华投资额。

晶圆厂建设高峰意味着后续更多的配套设备支出。2013-2017年,国内企业每年的晶圆设备投资额(国内市场投资部分)通常保持在15亿-25亿美元,而国外企业每年的投资额在25亿-50亿美元。SEMI预计2018年国外企业将在中国投资63亿晶圆设备,同时中国企业的投资额将达到58亿美元,将进一步缩小与在中国投资的国外企业的差距。

外资企业都已经形成了全球稳定的供应链关系,基于生产稳定性的考虑,核心部分采购一般不会考虑国内厂商,因此其投资对国内设备企业难以形成有力的拉动。国内半导体企业一方面技术水平相对落后,在提升制程的过程中需要设备厂商配合研发,同时在政策的引导下能够加大与国内设备厂商的合作力度,因此我们认为,国内企业在晶圆设备投资上的增加将为国内集成电路专用设备厂商创造快速发展的机遇。

以2018年国内企业投资额预测数据(58亿美元)作为目标市场,扣除其中技术门槛较高的光刻机部分(假设占比为25%),国产设备厂商可以进军的市场空间可达43.5亿美元。如假设内资采购部分国产化率达到35%,国产设备厂商的销售额可达到20亿美元左右,接近2016年国产半导体设备销售额的5倍。假设2019年国内投资额与2018年持平,但国产化率达到40%,则国产设备厂商的销售额可达到23亿美元。在上述假设条件下,2018-2019年国产设备销售额合计可达到43亿美元,约合270亿元人民币(假设汇率为6.3)。

晶圆厂所需设备包括光刻设备、镀膜设备、刻蚀设备和其他辅助设备四大类,在整体设备采购额中占比分别约为25%、18.5%、18.5%和38%。以2018年国内企业投资额预测数据(58亿美元)作为目标市场,则上述四类设备市场规模分别为14.5亿美元、10.73亿美元、10.73亿美元和22亿美元。