半導體產(chǎn)業(yè)深度研究報告
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- 半導體產(chǎn)業(yè)鏈解析
- 產(chǎn)業(yè)格局不斷變化，中國或將成為產(chǎn)業(yè)重心
- 半導體設備市場(chǎng)再創(chuàng )新高，國產(chǎn)化替代空間廣闊
半導體產(chǎn)業(yè)鏈解析
半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。半導體產(chǎn)品按照功能區分可以分為集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器等四大類(lèi)。其中集成電路是半導體產(chǎn)業(yè)的核心，根據WSTS數據，2020年集成電路市場(chǎng)規模占到了半導體市場(chǎng)的82%。
半導體產(chǎn)業(yè)鏈可按照主要生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行劃分，整體可分為上游、中游、下游。以半導體中占比最高的集成電路產(chǎn)業(yè)為例：
- 上游包括半導體材料、生產(chǎn)設備、EDA、IP核。EDA，即電子設計自動(dòng)化，主要包括設計工具和設計軟件。IP核提供已經(jīng)完成邏輯設計或物理設計的芯片功能模塊，通過(guò)授權允許客戶(hù)將其集成在IC設計中。
- 中游包括設計、制造、封測三大環(huán)節。
- 下游主要為半導體應用，主要包括3C電子、醫療、通信、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全、汽車(chē)、新能源、工業(yè)等。
半導體產(chǎn)業(yè)運作的兩種模式：IDM和垂直分工模式
半導體產(chǎn)業(yè)運作主要有兩種模式，即IDM模式和垂直分工模式。如前文所述，半導體整個(gè)制造過(guò)程主要包括芯片設計、晶圓制造和封裝測試三大環(huán)節。IDM模式，即由一個(gè)廠(chǎng)商獨立完成芯片設計、制造和封裝三大環(huán)節，英特爾和三星是全球最具代表性的IDM企業(yè)。另一種模式為垂直分工模式，即Fabless（無(wú)晶圓制造的設計公司）+Foundry（晶圓代工廠(chǎng)）+OSAT（封裝測試企業(yè)）。
- Fabless是指專(zhuān)注于芯片設計業(yè)務(wù)，只負責芯片的電路設計與銷(xiāo)售，將生產(chǎn)、測試、封裝等環(huán)節外包的設計企業(yè)，代表企業(yè)有高通、英偉達、AMD等。
- Foundry即晶圓代工廠(chǎng)，指只負責制造、封測的一個(gè)或多個(gè)環(huán)節，不負責芯片設計，可以同時(shí)為多家設計公司提供服務(wù)的企業(yè)，代表企業(yè)有臺積電、中芯國際等。
- OSAT指專(zhuān)門(mén)從事半導體封裝和測試的企業(yè)。
在臺積電成立以前，半導體行業(yè)只有IDM一種模式。IDM模式的優(yōu)勢在于資源的內部整合優(yōu)勢，以及具有較高的利潤率。IDM模式貫穿整個(gè)半導體生產(chǎn)流程，不存在工藝流程對接問(wèn)題，新產(chǎn)品從開(kāi)發(fā)到面市的時(shí)間較短，且因為覆蓋前端的IC設計和末端的品牌營(yíng)銷(xiāo)環(huán)節，具有較高的利潤率水平。但其公司規模龐大、管理成本和運營(yíng)費用較高，同時(shí)半導體生產(chǎn)需要龐大的資本支出，使得行業(yè)內只有極大的幾家IDM企業(yè)能夠生存。
半導體制造業(yè)具有明顯的規模經(jīng)濟效應，擴大規?？梢燥@著(zhù)降低單位產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)競爭力，降低產(chǎn)品價(jià)格，垂直分工模式應運而生。
- 一方面，垂直分工模式使得Fabless投資規模較小，運行費用較低，因此涌現出了大量的優(yōu)質(zhì)的芯片設計企業(yè)。
- 另一方面，Foundry能夠最大化的利用產(chǎn)能，提高資本支出的收益率。但垂直分工模式可能會(huì )因芯片設計和生產(chǎn)無(wú)法順利協(xié)同，導致芯片從設計到面市的時(shí)間過(guò)長(cháng)，給芯片設計廠(chǎng)商造成損失。
硅片制造
半導體設備主要應用在半導體產(chǎn)業(yè)鏈中的晶圓制造和封裝測試環(huán)節。硅片制造是半導體制造的第一大環(huán)節，硅片制造主要通過(guò)硅料提純、拉晶、整型、切片、研磨、刻蝕、拋光、清洗等工藝將硅料制造成硅片，然后提供給晶圓加工廠(chǎng)。
半導體工業(yè)中有兩種常用方法生產(chǎn)單晶硅，即直拉單晶制造法（CZ法）和懸浮區熔法（FZ法）。CZ法是硅片制造常用的方法，它較FZ法有較多優(yōu)點(diǎn)，例如只有CZ法能夠做出直徑大于200mm的晶圓，并且它的價(jià)格較為便宜。CZ法的原理是將多晶硅硅料置于坩堝中，使用射頻或電阻加熱線(xiàn)圈加熱熔化，待溫度超過(guò)硅的熔點(diǎn)溫度后，將籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、轉肩等徑等步驟，完成一根單晶硅棒的拉制。單晶生長(cháng)爐是生產(chǎn)單晶硅的主要半導體設備。目前全球的單晶生長(cháng)爐主要由美國Kayex、德國PVATePla、日本Ferrotec等企業(yè)供應，國內的單晶生長(cháng)爐企業(yè)主要包括晶盛機電、南京晶能、連城數控等。
單晶硅棒完成后，還需要經(jīng)過(guò)一系列加工才能得到硅片成品，主要涉及的半導體設備有切片機、研磨機、濕法刻蝕機、清洗機、拋光機和量測機。目前上述硅片加工設備主要由日本、德國和美國廠(chǎng)商提供，國內僅有晶盛機電等少數廠(chǎng)家推出了部分硅片加工設備，市場(chǎng)占有率較低。
晶圓制造
晶圓制造是半導體制造過(guò)程中最重要也是最復雜的環(huán)節，整個(gè)晶圓制造過(guò)程包括數百道工藝流程，涉及數十種半導體設備。晶圓制造主要的工藝流程包括熱處理、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、化學(xué)機械研磨和清洗。
1.熱處理工藝：熱處理主要包括氧化、擴散和退火工藝。
- 氧化是一種添加工藝，是將硅片放入高溫爐中，加入氧氣與之反應，在晶圓表面形成二氧化硅。
- 擴散是通過(guò)分子熱運動(dòng)使物質(zhì)由高濃度區移向低濃度區，利用擴散工藝可以在硅襯底中摻雜特定的摻雜物，從而改變半導體的導電率，但與離子注入相比擴散摻雜不能獨立控制摻雜物濃度和結深，因此現在應用越來(lái)越少。
- 退火是一種加熱過(guò)程，通過(guò)加熱使晶圓產(chǎn)生特定的物理和化學(xué)變化，并在晶圓表面增加或移除少量物質(zhì)。
熱處理工藝使用的半導體設備為氧化擴散設備，其實(shí)質(zhì)為高溫爐。高溫爐分為直立式和水平式高溫爐，高溫爐主要包括五個(gè)基本組件：控制系統、工藝爐管、氣體輸送系統、氣體排放系統和裝載系統。高溫爐必須具有穩定性、均勻性、精確的溫度控制、低微粒污染、高生產(chǎn)率和可靠性。
氧化擴散設備主要由東京電子、科意半導體和應用材料供應，國內的氧化擴散設備生產(chǎn)商主要包括北方華創(chuàng )和屹唐半導體。從長(cháng)江存儲的招標情況來(lái)看，氧化擴散設備還是以國外廠(chǎng)商設備為主，國內廠(chǎng)商北方華創(chuàng )市占率逐年上升，截至今年10月，從設備數量來(lái)看，北方華創(chuàng )熱處理設備在長(cháng)江存儲的占比已經(jīng)超過(guò)了30%，屹唐半導體占比1%。
2.光刻工藝：光刻是將設計好的電路圖從光刻版或倍縮光刻版轉印到晶圓表面的光刻膠上，便于后續通過(guò)刻蝕和離子注入等工藝實(shí)現設計電路，是晶圓制造中最重要的技術(shù)。
光刻工藝包括三個(gè)核心流程：涂膠、對準和曝光以及光刻膠顯影。整個(gè)光刻過(guò)程需要經(jīng)過(guò)八道工序：晶圓清洗、表面預處理、光刻膠自旋涂敷、軟烘烤、對準、曝光、曝光后烘烤、顯影、堅膜烘烤和圖形檢測。
光刻工藝流程中最核心的半導體設備是光刻機，光刻機是半導體設備中技術(shù)壁壘最高的設備，其研發(fā)難度大，價(jià)值量占晶圓制造設備中的30%。目前全球的高端光刻機由荷蘭ASML公司壟斷，ASML是全球最大的光刻機生產(chǎn)商，是全球唯一能夠生產(chǎn)EUV光刻機的廠(chǎng)商，EUV光刻機是先進(jìn)制程工藝中的核心設備。中低端光刻機除ASML外，還有日本的Canon和Nikon可以供應。
目前國內具備光刻機生產(chǎn)能力的企業(yè)主要是上海微電子裝備有限公司。上海微電子裝備(集團)股份有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)SMEE)主要致力于半導體裝備、泛半導體裝備、高端智能裝備的開(kāi)發(fā)、設計、制造、銷(xiāo)售及技術(shù)服務(wù)。公司設備廣泛應用于集成電路前道、先進(jìn)封裝、FPD面板、MEMS、LED、PowerDevices等制造領(lǐng)域。
在集成電路領(lǐng)域，上海微電子產(chǎn)品主要包括光刻機和晶圓對準及缺陷檢測設備。公司的光刻機產(chǎn)品有SSX600和SSB500兩個(gè)系列，其中SSX600系列主要應用于IC前道光刻工藝，可滿(mǎn)足IC前道制造90nm、110nm、280nm關(guān)鍵層和非關(guān)鍵層的光刻工藝需求；SSB500系列光刻機主要應用于IC后道先進(jìn)封裝工藝。
除上海微電子生產(chǎn)光刻機整機以外，國內還有華卓精科和國科精密從事光刻機零部件的研發(fā)和生產(chǎn)。華卓精科以光刻機雙工件臺這一超精密機械領(lǐng)域的尖端產(chǎn)品為核心，并以該產(chǎn)品的超精密測控技術(shù)為基礎，開(kāi)發(fā)了晶圓級鍵合設備、激光退火設備等整機產(chǎn)品。
國科精密致力于極大規模集成電路光刻投影光學(xué)、顯微光學(xué)、多光譜融合成像探測、超精密光機制造與檢測等領(lǐng)域的高技術(shù)研究，同時(shí)開(kāi)展相應各類(lèi)高端光學(xué)儀器與裝備產(chǎn)品的研發(fā)工作，2016年公司研發(fā)的我國首套用于高端IC制造的NA0.75投影光刻機物鏡系統順利交付用戶(hù)。
光刻工序所使用的半導體設備除了核心設備光刻機外，還需要涂膠顯影設備。涂膠顯影設備是光刻工序中與光刻機配套使用的涂膠、烘烤及顯影設備，包括涂膠機、噴膠機和顯影機，在8英寸及以上晶圓的大型生產(chǎn)線(xiàn)上，此類(lèi)設備一般都與光刻設備聯(lián)機作業(yè)，組成配套的圓片處理與光刻生產(chǎn)線(xiàn)，與光刻機配合完成精細的光刻工藝流程。全球的涂膠顯影設備基本上被TEL壟斷，國內涂膠顯影設備廠(chǎng)有沈陽(yáng)芯源微和盛美股份。
3.刻蝕工藝:
刻蝕是通過(guò)移除晶圓表面材料，在晶圓上根據光刻圖案進(jìn)行微觀(guān)雕刻，將圖形轉移到晶圓表面的工藝?？涛g分為濕法刻蝕和干法刻蝕，濕法刻蝕是利用化學(xué)溶液溶解晶圓表面的材料，干法刻蝕使用氣態(tài)化學(xué)刻蝕劑與材料產(chǎn)生反應來(lái)刻蝕材料并形成可以從襯底上移除的揮發(fā)性副產(chǎn)品。
由于等離子體產(chǎn)生促進(jìn)化學(xué)反應的自由基能顯著(zhù)增加化學(xué)反應的速率并加強化學(xué)刻蝕，等離子體同時(shí)也會(huì )造成晶圓表面的離子轟擊，故干法刻蝕一般都是采用等離子刻蝕。集成電路芯片刻蝕工藝中包含多種材料的刻蝕，單晶硅刻蝕用于形成淺溝槽隔離，多晶硅刻蝕用于界定柵和局部連線(xiàn)，氧化物刻蝕界定接觸窗和金屬層間接觸窗孔，金屬刻蝕主要形成金屬連線(xiàn)。
目前等離子刻蝕是晶圓制造中使用的主要刻蝕方法，電容性等離子刻蝕和電感性等離子刻蝕是兩種常用的等離子刻蝕方法。
- 電容性等離子體刻蝕主要是以高能離子在較硬的介質(zhì)材料上，刻蝕高深寬比的深孔、深溝等微觀(guān)結構；
- 而電感性等離子體刻蝕主要是以較低的離子能量和極均勻的離子濃度刻蝕較軟的和較薄的材料。
原子層刻蝕是指通過(guò)一系列的自限制反應去除單個(gè)原子層，不會(huì )觸及和破壞底層以及周?chē)牧系南冗M(jìn)半導體生產(chǎn)工藝。原子層刻蝕可以實(shí)現精準的控制，具有優(yōu)秀的各向異性，是未來(lái)刻蝕工藝的發(fā)展方向。
刻蝕工藝使用的半導體設備為刻蝕機。全球刻蝕設備行業(yè)的主要企業(yè)即泛林半導體，東京電子和應用材料三家。從全球刻蝕設備市場(chǎng)份額來(lái)看，三家企業(yè)的合計市場(chǎng)份額就占到了全球刻蝕設備市場(chǎng)的90%以上。其中泛林半導體獨占52%的市場(chǎng)份額，東京電子與應用材料分別占據20%和19%的市場(chǎng)份額。
國內的刻蝕設備企業(yè)主要有中微公司、北方華創(chuàng )、屹唐半導體和中電科。其中，中微公司、北方華創(chuàng )和屹唐半導體均以生產(chǎn)干法刻蝕設備為主，中電科除了生產(chǎn)干法刻蝕設備以外還生產(chǎn)濕法刻蝕設備。除上述企業(yè)外，國內還有創(chuàng )世微納、芯源微和華林科納等企業(yè)生產(chǎn)刻蝕設備。
國內刻蝕設備生產(chǎn)商中，中微公司在CCP刻蝕領(lǐng)域具備明顯優(yōu)勢。在邏輯集成電路制造方面，公司的CCP刻蝕設備已經(jīng)進(jìn)入國際知名晶圓代工廠(chǎng)的先進(jìn)制程生產(chǎn)線(xiàn)，用于7/5納米器件的生產(chǎn)。在3DNAND芯片制造方面，公司的CCP刻蝕設備技術(shù)可應用于64層的量產(chǎn)，同時(shí)公司根據存儲器廠(chǎng)商的需求正在開(kāi)發(fā)96層及更先進(jìn)的刻蝕設備和工藝。
北方華創(chuàng )主要覆蓋ICP刻蝕設備，公司ICP刻蝕設備主要用于硅刻蝕和金屬材料的刻蝕，28nm制程以上刻蝕設備已經(jīng)實(shí)現產(chǎn)業(yè)化，在先進(jìn)制程方面，公司硅刻蝕設備已經(jīng)突破14nm技術(shù)，進(jìn)入上海集成電路研發(fā)中心，與客戶(hù)共同開(kāi)展研發(fā)工作。
4.離子注入工藝：離子注入是一種添加工藝，利用高能量帶電離子束注入的形式，將摻雜原子強行摻入半導體中，從而控制半導體的導電率。離子注入提供了比擴散過(guò)程更好的摻雜工藝控制，例如在擴散工藝中摻雜物的濃度和結深無(wú)法獨立控制，而在離子注入中可以通過(guò)離子束電流和注入時(shí)間控制摻雜物濃度，通過(guò)離子的能量控制摻雜物的結深，因此離子注入是目前半導體行業(yè)中的主要摻雜方法。
離子注入所使用的半導體設備為離子注入機，離子注入機是非常龐大的設備，包括了氣體系統、電機系統、真空系統、控制系統和最重要的射線(xiàn)系統。根據離子束電流和束流能量范圍，一般可以把離子注入機分為低能大束流離子注入機、高能離子注入機和中低束離子注入機。
離子注入機可以應用在集成電路和光伏領(lǐng)域。在集成電路領(lǐng)域，全球的離子注入機為應用材料所壟斷，其市場(chǎng)占有率達到了70%，其次為Axcelis，占據了近20%的市場(chǎng)份額。國內的離子注入機生產(chǎn)企業(yè)主要是凱世通和北京中科信，2020年12月凱世通宣布擬向芯成科技出售3款12英寸集成電路離子注入機，國產(chǎn)離子注入機邁出了關(guān)鍵一步。
5.薄膜沉積工藝：薄膜沉積是一種添加工藝，是指利用化學(xué)方法或物理方法在晶圓表面沉積一層電介質(zhì)薄膜或金屬薄膜，根據沉積方法可以分為化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積。
CVD是利用氣態(tài)化學(xué)源材料在晶圓表面產(chǎn)生化學(xué)反應過(guò)程，在表面沉積一種固態(tài)物作為薄膜層。CVD廣泛應用在晶圓制造的沉積工藝中，包括外延硅沉積、多晶硅沉積、電介質(zhì)薄膜沉積和金屬薄膜沉積。常用的化學(xué)氣相沉積工藝包括常壓化學(xué)氣相沉積、低壓化學(xué)氣相沉積和離子增強型化學(xué)氣相沉積。
APCVD主要應用在二氧化硅和氮化硅的沉積，LPCVD主要應用于多晶硅、二氧化硅及氮化硅的沉積。PECVD通過(guò)等離子產(chǎn)生的自由基來(lái)增加化學(xué)反應速度，可以利用相對較低的溫度達到較高的沉積速率，廣泛應用于氧化硅、氮化硅、低k、ESL和其他電介質(zhì)薄膜沉積。
CVD工藝使用的半導體設備是化學(xué)氣相沉積設備，全球的化學(xué)氣相沉積設備市場(chǎng)主要由應用材料、泛林半導體和東京電子所壟斷，CR3為70%。從CVD設備種類(lèi)來(lái)看，PECVD、APCVD和LPCVD三類(lèi)CVD設備合計市場(chǎng)份額約占總市場(chǎng)份額的70%，仍舊是CVD設備市場(chǎng)的主流。
集成電路領(lǐng)域的國產(chǎn)CVD設備生產(chǎn)商主要有北方華創(chuàng )和沈陽(yáng)拓荊。北方華創(chuàng )主要生產(chǎn)APCVD設備和LPCVD設備，沈陽(yáng)拓荊則以PECVD為主，根據中國國際招標網(wǎng)數據，沈陽(yáng)拓荊已有3臺PECVD設備進(jìn)入長(cháng)江存儲。
原子層沉積是一種可以將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層的鍍在基底表面的方法。原子層沉積與普通的化學(xué)沉積有相似之處。但在原子層沉積過(guò)程中，新一層原子膜的化學(xué)反應是直接與之前一層相關(guān)聯(lián)的，這種方式使每次反應只沉積一層原子。ALD工藝可以更加精確控制薄膜的尺寸，對于DRAM，3DNAND和邏輯FinFET制造中越來(lái)越重要，可能成為未來(lái)薄膜沉積的核心工藝。
目前ALD設備尚未在集成電路行業(yè)中大規模使用，應用材料、泛林半導體和東京電子都已經(jīng)推出了ALD設備，國內設備生產(chǎn)商在A(yíng)LD設備方面也有布局。北方華創(chuàng )推出的ALD設備可以滿(mǎn)足28-14nmFinFET和3DNAND原子層沉積工藝要求，目前正處于驗證階段。
沈陽(yáng)拓荊在已通過(guò)生產(chǎn)驗證的PECVD平臺上自主研發(fā)了原子層沉積設備，可應用于超大規模集成電路，OLED及先進(jìn)封裝領(lǐng)域。
物理氣相沉積是另一種重要的薄膜沉積工藝，PVD是通過(guò)加熱或濺射過(guò)程將固態(tài)材料氣態(tài)化，然后使蒸汽在襯底表面凝結形成固態(tài)薄膜，常用的PVD工藝有蒸發(fā)工藝和濺鍍工藝。
PVD工藝使用的半導體設備為PVD設備，全球PVD設備市場(chǎng)基本上為應用材料所壟斷，其市場(chǎng)份額高達85%，其次為Evatec和Ulvac，市場(chǎng)份額分別為6%和5%。
國內在集成電路領(lǐng)域的PVD生產(chǎn)商主要為北方華創(chuàng )。北方華創(chuàng )突破了濺射源設計技術(shù)、等離子產(chǎn)生與控制技術(shù)、顆?？刂萍夹g(shù)、腔室設計與仿真模擬技術(shù)、軟件控制技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現了國產(chǎn)集成電路領(lǐng)域高端薄膜制備設備零的突破，設備覆蓋了90-14nm多個(gè)制程。根據公司官網(wǎng)消息，公司PVD設備被國內先進(jìn)集成電路芯片制造企業(yè)指定為28nm制程Baseline機臺，并成功進(jìn)入國際供應鏈體系。
6.化學(xué)機械研磨工藝：化學(xué)機械研磨是一種移除工藝技術(shù)，該工藝結合化學(xué)反應和機械研磨去除沉積的薄膜，使得晶圓表面更加平坦和光滑。CMP技術(shù)有多種優(yōu)勢，例如CMP允許高解析度的光刻技術(shù)，可以減小過(guò)度曝光和顯影的需求，允許更均勻的薄膜沉積從而減小刻蝕的時(shí)間。
CMP工藝使用的半導體設備是化學(xué)機械研磨機。常見(jiàn)的CMP系統包括研磨襯墊、可以握住晶圓并使其表面向下接觸研磨襯墊的自旋晶圓載具，以及一個(gè)研磨漿輸配器裝置。
全球CMP設備市場(chǎng)主要由應用材料和荏原機械壟斷，其中應用材料占據了全球70%的市場(chǎng)份額，荏原機械的市占率為25%。國內CMP設備的主要研發(fā)生產(chǎn)單位有華海清科和北京爍科精微電子裝備有限公司，其中華海清科是目前國內唯一實(shí)現12英寸系列CMP設備量產(chǎn)銷(xiāo)售的半導體設備供應商，打破了國際廠(chǎng)商的壟斷，填補國內空白并實(shí)現進(jìn)口替代。
7.清洗：清洗是貫穿晶圓制造的重要工藝環(huán)節，用于去除晶圓制造中各工藝步驟中可能存在的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)影響芯片良率和芯片產(chǎn)品性能。目前，隨著(zhù)芯片制造工藝先進(jìn)程度的持續提升，對晶圓表面污染物的控制要求不斷提高，每一步光刻、刻蝕、沉積等重復性工序后，都需要一步清洗工序。清洗不僅應用于晶圓制造，在硅片制造和封裝測試過(guò)程中也必不可少。
在全球清洗設備市場(chǎng)，日本DNS公司占據40%以上的市場(chǎng)份額，此外，TEL、LAM等也在行業(yè)占據了較高的市場(chǎng)份額，市場(chǎng)集中度較高。國內的清洗設備領(lǐng)域主要有盛美半導體、北方華創(chuàng )、芯源微、至純科技。其中：
- 盛美半導體主要產(chǎn)品為集成電路領(lǐng)域的單片清洗設備；北方華創(chuàng )收購美國半導體設備生產(chǎn)商之后主要產(chǎn)品為單片及槽式清洗設備；
- 芯源微產(chǎn)品主要應用于集成電路制造領(lǐng)域的單片式刷洗領(lǐng)域；
- 至純科技具備生產(chǎn)8-12英寸高階單晶圓濕法清洗設備和槽式濕法清洗設備的相關(guān)技術(shù)。
測試與封裝
1.測試：半導體測試貫穿了半導體整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，芯片設計、晶圓制造以及最后的芯片封裝環(huán)節都需要進(jìn)行相應的測試，以保證產(chǎn)品的良率。
芯片設計環(huán)節的測試主要是設計商使用測試機、探針臺和分選機對晶圓樣品和芯片封裝樣品的功能和性能進(jìn)行測試。晶圓制造環(huán)節的測試包括晶圓幾何尺寸與表面形貌的檢測、成分結構分析以及電性測試。封裝測試環(huán)節主要是通過(guò)分選機和測試機對芯片的電性參數及性能等進(jìn)行測試，以保證出廠(chǎng)后的芯片在性能和壽命方面達到設計標準。
測試環(huán)節主要使用的半導體設備是測試機、分選機和探針臺。測試機是檢測芯片功能和性能的專(zhuān)用設備，測試機對芯片施加輸入信號，采集被檢測芯片的輸出信號與預期值進(jìn)行比較，判斷芯片在不同工作條件下功能和性能的有效性。
全球測試機市場(chǎng)被愛(ài)德萬(wàn)、泰瑞達和科休壟斷，三者市場(chǎng)占有率分別為50%，40%和8%。國內測試機生產(chǎn)商主要有華峰測控和長(cháng)川科技。華峰測控和長(cháng)川科技專(zhuān)注于模擬測試機和數字模擬混合測試機，其中華峰測控在國內模擬測試機市占率接近60%。我國測試機市場(chǎng)中占市場(chǎng)主要份額的為存儲測試機和SOC測試機，市場(chǎng)份額分別為43.8%和23.5%。
探針臺和分選機是將芯片的引腳與測試機的功能模塊連接起來(lái)并實(shí)現批量自動(dòng)化測試的專(zhuān)用設備。探針臺用于晶圓加工之后、封裝工藝之前的CP測試環(huán)節，負責晶圓的輸送與定位，使晶圓上的晶粒依次與探針接觸并逐個(gè)測試。分選機負責將輸入的芯片按照系統設計的取放方式運輸到測試模塊完成電路壓測，在此步驟內分選機依據測試結果對電路進(jìn)行取舍和分類(lèi)。
半導體探針臺設備行業(yè)集中度較高，目前主要由東京精密、東京電子兩家壟斷，兩個(gè)公司共計占據全球約70%的市場(chǎng)份額。臺灣惠特、臺灣旺矽等也占有較大的市場(chǎng)份額，特別是在LED探針臺領(lǐng)域具有優(yōu)勢。國內最大的探針臺生產(chǎn)企業(yè)是深圳矽電，長(cháng)川科技、中電科45所也具備探針臺生產(chǎn)能力。
分選機按照系統結構可以分為三大類(lèi)別，即重力式分選機、轉塔式分選機、平移拾取和放置式分選機。全球分選機市場(chǎng)由愛(ài)德萬(wàn)、科休、愛(ài)普生三家企業(yè)所壟斷，國內的分選機生產(chǎn)商主要有長(cháng)川科技。
2.封裝：封裝是將芯片在基板上布局、固定及連接，并用可塑性絕緣介質(zhì)灌封形成電子產(chǎn)品的過(guò)程，目的是保護芯片免受損傷，保證芯片的散熱性能，以及實(shí)現電能和電信號的傳輸，確保系統正常工作。封裝設備主要有切割減薄設備、引線(xiàn)機、鍵合機、分選測試機等。
目前封裝設備主要由國外企業(yè)壟斷，全球封裝設備主要由ASMPacific、K&S、Shinkawa、Besi等國外企業(yè)壟斷，國內具備封裝設備制造能力的企業(yè)主要有中電科45所、艾科瑞斯和大連佳峰。
產(chǎn)業(yè)格局不斷變化，中國或將成為產(chǎn)業(yè)重心
行業(yè)進(jìn)入新一輪上升周期
半導體行業(yè)每一次進(jìn)入上升周期都是由下游需求驅動(dòng)?；仡櫚雽w行業(yè)的發(fā)展歷史可以看出，每當下游出現技術(shù)升級或產(chǎn)品迭代時(shí)，市場(chǎng)對于半導體的需求將進(jìn)入上升周期。
- 在80到90年代，家用電器的普及以及計算機在商業(yè)領(lǐng)域的滲透推動(dòng)了行業(yè)的成長(cháng)；
- 90年代到本世紀初，家用電腦及筆記本電腦的普及帶來(lái)了行業(yè)成長(cháng)的新動(dòng)力；
- 2013年到2018年，智能手機和平板電腦等消費電子推動(dòng)了行業(yè)新一輪繁榮，但2019年消費電子的驅動(dòng)已經(jīng)出現乏力，半導體行業(yè)出現了短暫的回落。
新的技術(shù)和產(chǎn)品將帶來(lái)行業(yè)驅動(dòng)力，半導體行業(yè)或將進(jìn)入上升周期。5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能以及汽車(chē)電子等新技術(shù)和新產(chǎn)品的應用，將帶來(lái)龐大的半導體市場(chǎng)需求，行業(yè)將進(jìn)入新一輪的上升周期。
根據WSTS預測，2020年全球半導體銷(xiāo)售額將達4330億美元，同比增長(cháng)5.9%，2021年半導體銷(xiāo)售額將達4690億美元，同比增長(cháng)8.3%。我們預測2022和2023年半導體市場(chǎng)將繼續增長(cháng)，2023年全球市場(chǎng)規模將達到5010億美元。
全球產(chǎn)業(yè)轉移，中國市場(chǎng)高速成長(cháng)
半導體經(jīng)歷過(guò)兩次大的產(chǎn)業(yè)轉移。半導體產(chǎn)業(yè)于20世紀60年代發(fā)源于美國，美國作為半導體發(fā)源地，在產(chǎn)品和技術(shù)方面一直保持著(zhù)全球領(lǐng)先水平。
- 第一次轉移發(fā)生于20世紀80年代，美國將技術(shù)和利潤較低的封測剝離，轉移到日本地區，日本借助美國的技術(shù)支持，逐步完善半導體產(chǎn)業(yè)，并在PC和家電等領(lǐng)域趕超，造就了日本東芝和日本日立等知名企業(yè)。
- 第二次是20世紀90年代，隨著(zhù)PC產(chǎn)業(yè)升級，DRAM技術(shù)不斷提升，而日本由于經(jīng)濟危機無(wú)法支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展，韓國借此機會(huì )對DRAM技術(shù)和產(chǎn)能不斷投入，確立了其在PC半導體領(lǐng)域的地位。臺灣把握住了美日半導體從IDM模式轉向垂直分工模式的機會(huì )，大力發(fā)展了以臺積電為代表的晶圓代工產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)業(yè)鏈占據了重要的位置。
半導體產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)行第三次產(chǎn)業(yè)轉移。中國是全球最大的半導體消費市場(chǎng)，同時(shí)也是全球最大的半導體進(jìn)口國，龐大的市場(chǎng)需求為半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了前提。
2010年以來(lái)，中國一方面憑借低勞動(dòng)力成本的優(yōu)勢，一方面不斷引進(jìn)半導體產(chǎn)業(yè)先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)加大半導體產(chǎn)業(yè)人才培養，逐步承接了半導體低端封測和晶圓制造業(yè)務(wù)，完成了半導體產(chǎn)業(yè)的原始積累。隨著(zhù)全球電子化進(jìn)程的開(kāi)展，下游產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，不斷推動(dòng)中國半導體產(chǎn)業(yè)持續興旺。
2019年我國半導體銷(xiāo)售額約占全球市場(chǎng)的35%。在過(guò)去十年的半導體景氣周期中，以手機為主的消費電子成為半導體行業(yè)發(fā)展的主要驅動(dòng)因素，中國在經(jīng)濟高速發(fā)展和巨大的人口基數作用下，成為全球第一大消費電子市場(chǎng)。
據全球半導體貿易統計組織數據，2014~2019年中國占全球半導體消費市場(chǎng)的份額逐年提升中國，2019年半導體銷(xiāo)售額達到1441億美元，占全球市場(chǎng)份額的35%。隨著(zhù)5G、汽車(chē)電子等下游應用在中國迅速興起，中國將有望成為全球半導體市場(chǎng)的重心。
中國半導體市場(chǎng)仍舊存在供需錯配。雖然中國已經(jīng)成為全球最大的半導體消費國，但中國的半導體生產(chǎn)能力還遠遠不能匹配中國市場(chǎng)的巨大需求，晶圓產(chǎn)能仍舊有待提升。當前半導體產(chǎn)業(yè)仍舊由外資主導，無(wú)論是半導體設計還是半導體制造，中國企業(yè)的市占率仍舊很低。從晶圓制造產(chǎn)能來(lái)看，全球TOP5晶圓制造商均為外資企業(yè)，占據了全球超過(guò)50%的產(chǎn)能份額。
中國大陸封測產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備一定實(shí)力。中國憑借低廉的勞動(dòng)力，首先承接了對勞動(dòng)力需求較大技術(shù)要求較低的半導體封測業(yè)務(wù)。目前，中國大陸封測環(huán)節在全球已經(jīng)具備一定的競爭力，根據拓墣產(chǎn)業(yè)研究院數據，2020年第三季度全球前十大封測企業(yè)中，中國大陸企業(yè)長(cháng)電科技、通富微電和華天科技分別位列3、6、7名。2020年我國芯片設計行業(yè)銷(xiāo)售額首次突破500億美元。2020年雖然行業(yè)受到了新冠疫情的影響，但我國芯片設計行業(yè)仍舊保持了較快的增長(cháng)態(tài)勢，2020年全行業(yè)設計企業(yè)數量為2218家，同比增長(cháng)24.6%。從銷(xiāo)售收入來(lái)看，全行業(yè)銷(xiāo)售預計為3819.4億元，同比增長(cháng)23.8%，按照美元與人民幣1:6.8的兌換率，全年銷(xiāo)售約為561.7億美元，首次超過(guò)500億美元。
我國晶圓代工發(fā)展迅速，中芯國際和華宏半導體已進(jìn)入全球前十。我國封測行業(yè)逐漸進(jìn)入成熟階段，晶圓代工正在快速崛起，涌現出了中芯國際和華宏半導體等具備發(fā)展潛力的晶圓代工企業(yè)。
根據拓墣產(chǎn)業(yè)研究院最新預測，2020第四季度全球晶圓代工營(yíng)收排行中，中芯國際和華宏半導體分別位列第5名和第9名。同時(shí)，我國正在尋求IC制造方面的突破，中國大陸正迎來(lái)投資建廠(chǎng)熱潮，這將為半導體設備帶來(lái)廣闊的市場(chǎng)空間。
半導體設備對于行業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。當前我國半導體設備依舊高度依賴(lài)于海外企業(yè)，并且在核心技術(shù)和零部件上受到一定的限制。半導體設備涉及數學(xué)、物理、化學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等多個(gè)基礎學(xué)科，技術(shù)壁壘高，研發(fā)難度大周期長(cháng)，是整個(gè)產(chǎn)業(yè)中最關(guān)鍵的環(huán)節之一。
半導體設備直接關(guān)系芯片設計能否落成實(shí)物，產(chǎn)品可靠性和良率能否達到設計標準，國內行業(yè)是否能夠參與全球競爭。因此要實(shí)現我國半導體產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控，半導體設備至關(guān)重要。
半導體設備市場(chǎng)再創(chuàng )新高，國產(chǎn)化替代空間廣闊全球半導體設備市場(chǎng)或超710億美元
根據SEMI最新預測，2021年全球半導體設備需求將超過(guò)710億美元。半導體設備位于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，其市場(chǎng)規模隨著(zhù)下游半導體的技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需求而波動(dòng)。
2013-2018年，在智能手機和消費電子快速發(fā)展的推動(dòng)下，半導體設備進(jìn)入了一個(gè)持續上升的行業(yè)周期，市場(chǎng)規模從317.9億美元增長(cháng)到了645.3億美元，5年GACR為15%。而2019年全球半導體設備支出為597.5億美元，同比下降7.4%，增長(cháng)勢頭稍有回落。
根據SEMI預測，2020年全球半導體設備市場(chǎng)規模達創(chuàng )紀錄的689億美元，同比增長(cháng)16%，2021年將達719億美元，同比增長(cháng)4.4%，2022年仍舊保持增長(cháng)態(tài)勢，市場(chǎng)將達761億美元，同比增長(cháng)5.8%。
前端和后端半導體設備都將持續增長(cháng)。根據SEMI數據，晶圓制造設備預計2020年將增長(cháng)15％達到594億美元，2021年和2022年分別增長(cháng)4％和6％。代工和邏輯業(yè)務(wù)約占晶圓制造設備銷(xiāo)售總額的一半，由于先進(jìn)制程的投資，今年的支出將增長(cháng)15%左右，達到300億美元。
- 存儲方面，NAND制造設備支出今年將增長(cháng)30％，超過(guò)140億美元，而DRAM有望在2021年和2022年引領(lǐng)增長(cháng)。
- 封裝設備方面，2020年市場(chǎng)規模將增長(cháng)20％，達到35億美元，在先進(jìn)封裝應用的推動(dòng)下，到2021年和2022年分別增長(cháng)8％和5％。
半導體測試設備銷(xiāo)售額2020年預計增長(cháng)20％，達到60億美元，隨著(zhù)對5G和高性能計算應用的需求的提升，半導體測試設備在2021年和2022年將持續保持增長(cháng)態(tài)勢。
分地區來(lái)看，2020年中國大陸已成為全球最大的半導體設備市場(chǎng)。中國大陸是近年來(lái)半導體設備市場(chǎng)唯一保持持續增長(cháng)的地區，市場(chǎng)規模在全球的占比逐年提升。2016-2019年，中國大陸的半導體設備市場(chǎng)規模從64.6億美元增長(cháng)到了134.5億美元，3年CACR達28%，在全球市場(chǎng)中的占比由15.7%提升至22.5%。
隨著(zhù)中國大陸在IC和儲存領(lǐng)域的強勁支出，SEMI預計2020年中國大陸半導體設備市場(chǎng)規模將達181億美元，同比增長(cháng)34.6%，成為全球最大的半導體設備市場(chǎng)。我們認為在國家政策和資金支持下，2021和2022年中國大陸的半導體設備支出將持續保持高位，市場(chǎng)規模將保持在180億美元。參考資料來(lái)自：德邦證券、馭勢資本研究所來(lái)源：半導體在線(xiàn)
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