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从设备和材料两个环节,分析我国芯片供应链的发展水平
http://www.ele001.com 2020-09-14 16:50:58 君临
电工电气网】讯
  28nm技术,这是当下成熟制程与先进制程的分界点。完全掌握了28nm技术,就意味着市场上绝大部分的芯片需求,目前的芯片种类里,除了对功耗要求比较高的CPU,GPU,AI芯片外,其余的工业级芯片其实都是用的28nm以上的技术。比如电视、空调、汽车、高铁、火箭、卫星、工业机器人、电梯、医疗设备、智能手环、无人机等等,这些驱动芯片的工艺,都是28nm以上的技术。
 
  目前不仅中芯国际已经掌握了28nm的量产能力,华虹半导体也在2018年实现了28nm芯片的量产,就量产运营能力而言,我国是有足够储备的。
 
  从设备和材料两个环节,跟大家分析一下我国芯片供应链的发展水平。
 
  一、PART ONE设备端
 
  1)硅片设备
 
  制作硅片,是芯片生产的第一道环节,硅单晶炉是制作硅片的主要装置。
 
  晶盛机电是该领域龙头,承担过2项国家科技重大专项,硅单晶炉技术领先,国内高端市场占有率第一。
 
  2019年公司实现营收31.09亿元,其中单晶炉实现营收21.73亿元,占比近70%,毛利8.29亿元,占比74.93%。中环股份、沪硅产业、有研硅股等硅片企业都是其客户。
 
  今年上半年,公司完成了8英寸硬轴直拉硅单晶炉、6英寸碳化硅单晶炉外延设备的开发。其中碳化硅单晶炉已经交付客户使用,外延设备、抛光设备完成技术验证,12英寸半导体单晶炉已经在国内知名客户中产业化应用。
 
  此外,公司增加了半导体抛光液、阀门、磁流体部件、16-32英寸坩埚等新产品的研发和市场开拓力度,产业链配套优势逐步显现。晶盛机电早年从光伏设备行业起步,逐步进入半导体设备领域,如今又从单一的硅单晶炉设备,向切片、抛光、外延设备等拓展,甚至研发出了第三代碳化硅半导体设备。
 
  2)热处理设备
 
  热处理设备包括卧式炉、立式炉和快速升温炉(RTP)等,主要是对硅片进行氧化、扩散、退火等工艺处理。
 
  北方华创是该领域龙头,在热处理设备的各个细分领域均有成熟的产品线。
 
  今年上半年,公司在长江存储获得3台硅刻蚀、3台PVD、2台炉管及5台退火设备订单,其中硅刻蚀设备市占率达27%。同时在华虹系获得3台硅刻蚀、1台PVD及2台退火设备订单;在积塔半导体获得2台刻蚀、4台氧化设备及1台退火设备订单。
 
  北方华创不仅是热处理设备的龙头,还是光伏、锂电、半导体的硅刻蚀、薄膜沉积、清洗设备,甚至第三代碳化硅半导体设备的龙头之一。今年上半年,公司的碳化硅(SiC)长晶炉、刻蚀机、PVD、PECVD等第三代半导体设备开始批量供应市场;
 
  12寸硅刻蚀机、金属PVD、立式氧化/退火炉、湿法清洗机等多款高端半导体设备也相继进入量产阶段,研发成果有种下饺子的感觉。
 
  3)光刻设备
 
  光刻是晶圆生产的核心环节,包括光刻机和涂胶显影机。
 
  我国的光刻机技术比较落后,最先进的上海微电子也只能量产90nm的沉浸式光刻机。
 
  据报道,上海微电子将在2021年完成首台28nm国产光刻机的交付。为了加快我国光刻机技术的进步,各方群策群力。
 
  据悉,张江高科参与了上海微电子的A轮融资,投资成本为2.23亿元。业内预测,考虑在不同市值和不同IPO摊薄比例的情景下,张江高科有望获得26.6亿元到54.9亿元之间的税后投资收益(所得税率按25%)。
 
  对我国光刻机技术形成瓶颈制约的,主要是光学精密元器件的落后。该领域的龙头是茂莱光学,目前已获科创板IPO受理,主要产品包括精密光学器件、高端光学镜头和先进光学系统三大类业务,覆盖深紫外DUV、可见光到远红外全谱段。
 
  茂莱光学是上海微电子的核心供应商之一,2017-2019年,茂莱光学实现营业收入分别为1.52亿元、1.84亿元及2.22亿元,复合增长率达20.82%。根据招股书,2019年公司实现了大视场大数值孔径显微物镜系列产品、高精度快速半导体制造工艺缺陷检测光学系统的量产。
 
  同时,也在不断突破紫外光学的加工和镀膜、大口径高精度透镜加工等各类技术,推进大口径干涉系统、光刻机光学系统、车载激光雷达等高端镜头和系统的国产化研发。
 
  除了在半导体业务的开拓,公司在AR/VR、自动驾驶等领域,也成功进入了微软、脸谱、谷歌旗下自动驾驶平台的供应链体系。
 
  在涂胶显影机领域,芯源微是行业龙头。
 
  在国内的涂胶显影设备市场上,日本东京电子垄断了90%的份额,芯源微的市占率为5%左右,是我国唯一能突破28nm技术的公司。光刻机是主要瓶颈,茂莱光学的深紫外DUV光学技术正在研发中。
 
  4)刻蚀设备
 
  刻蚀是硅片进行光刻之后最重要的流程,包括硅刻蚀、金属刻蚀和介质刻蚀设备等。
 
  目前,我国的刻蚀设备是比较先进的,中微公司的第二代电介质刻蚀设备已广泛应用于28到7nm后段制程以及10nm前段制程,北方华创的硅刻蚀机也在14nm工艺上取得了重大进展。
 
  中微公司是该领域的龙头,2020年上半年公司实现营业收入9.78亿元,同比增22.14%,实现归母净利润1.19亿元,同比增291.98%。
 
  其中,刻蚀设备营收约6.13亿元,同比增长约72.53%,在整体营收中占比超过一半。
 
  公司是国内半导体设备研发投入强度最大的公司之一,最新定增融资约100亿元,用于研发7nm以下制程的CCP刻蚀设备、介质刻蚀设备、高端MEMS等离子体刻蚀设备、先进3nm技术的多晶硅刻蚀、3D NAND多层台阶刻蚀、ALE原子层刻蚀设备、CVD设备等。
 
  5)离子注入设备
 
  硅片刻蚀后,需要将一些特殊的杂质离子注入到硅衬底去,这就是离子注入机。
 
  离子注入机是半导体晶圆制造设备中,难度和单价仅次于光刻机的关键设备,此前由美国AMAT和Axcelis两大公司垄断约70%份额。
 
  我国该领域的龙头是万业企业旗下的凯世通,背后大股东是上海浦东科技投资公司,我国顶级的科技创投势力之一。
 
  凯世通2009年成立,早期主要从事光伏行业的离子注入设备研发,出货量排名世界第一。近两年,公司开始切入半导体领域,全力推进“高能离子注入机关键技术研究及样机验证”的研发工作。
 
  2019年,凯世通的晶圆离子注入机已获得国内12英寸晶圆厂和主流存储器芯片厂的产线验证,产品在束流强度指标上表现优秀。另外,中国电子科技集团旗下的电科装备也已经研制出了大束流28nm高能离子注入机,并在中芯国际12英寸生产线现场进行使用。
 
  6)薄膜沉积设备
 
  薄膜沉积工艺,分为物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和外延三大类。
 
  北方华创的PVD设备已经用于28nm生产线中,14nm工艺设备也已实现重大进展。沈阳拓荆的PECVD设备已在中芯国际40-28nm产线使用,ALD设备也在14nm工艺产线通过验证。
 
  7)抛光设备
 
  晶圆制造的后期,需要对硅片表面进行平坦化处理,这就用到了抛光机。
 
  该领域的龙头是华海清科,目前处于科创板上市辅导中。
 
  华海清科成立于2013年,实际控制人为清华大学,核心团队成员来自清华大学摩擦学国家重点实验室。
 
  根据中国国际招标网的信息,今年上半年,华海清科在华虹半导体(无锡)项目获得3台CMP,累计获得5台CMP订单,在该产线的CMP市占率是38%。此外,华海清科还中标上海新昇1台CMP设备,在长江存储的CMP设备份额为14.9%。
 
  华海清科还参与了国家02专项项目——“28-14nm抛光设备及工艺、配套材料产业化”项目,是我国在抛光设备领域的领军企业。
 
  8)清洗设备
 
  几乎所有工艺流程都需要清洗环节,这就用到了清洗设备。
 
  盛美半导体是该领域的龙头,目前科创板上市申请已获受理,并已在2017年美国纳斯达克上市。
 
  在国内的国产清洗设备市场中,盛美占据80%左右的市场份额,其余20%则由北方华创、芯源微和至纯科技三家公司瓜分。
 
  除了盛美,北方华创的清洗设备也能满足28nm技术节点的需求。
 
  作为行业龙头,盛美半导体在2009年就研发出了第一款兆声波清洗技术SAPS,并进入到SK海力士的无锡生产线。此后,陆续研发出了TEBO、Tahoe等全球领先的半导体清洗技术,技术节点正向5nm、3nm等先进制程工艺不断突破。
 
  9)检测设备
 
  测试设备包括工艺检测设备、硅片测试设备和晶圆中测设备等,晶圆中测设备又包括探针卡、探针台和测试机等,种类繁多。
 
  该领域的龙头是赛腾股份,公司通过收购日本Optima进入半导体检测设备领域,客户包括了三星、SK海力士、台积电等顶级大厂。
 
  目前世界芯片检测设备由美国科磊、应用材料、日本日立三家公司垄断,合计市占率高达75%。我国的国产化率在5%以下,赛腾股份瞅准机会,2019年9月以1.6亿元收购了日本Optima株式会社67.53%股份。
 
  Optima的规模虽然不大,2018年实现收入1.79亿元、净利润3070.55万元。
 
  但由于发展时间较早,在晶圆边缘检测、晶圆正面/背面检测、宏观检测、针孔检测等晶圆缺陷检测设备上有成熟的产品线,技术储备对国内来说是稀缺的。通过母公司的穿针引线,目前其设备正陆续进入到国内的半导体产线中。截至2020年上半年,Optima的主要国内客户包括上海新昇、中环半导体、西安奕斯伟硅片等。
 
  二、PART TWO材料端
 
  1)硅片
 
  硅片是制作芯片的基底,也是占半导体材料市场比重最大的环节。
 
  在国际市场上,日本的信越化学、住友胜高、德国的世创、台湾的环球晶圆为全球四大龙头,市场合计占比80%以上。我国的龙头是沪硅产业、中环股份,虽然规模尚小,但12英寸大硅片已完全能满足28nm技术需求。
 
  其中以沪硅产业规模最大,目前已完成了上海新晟、新傲科技、Okmetic三大子公司布局,产品覆盖中芯国际、台积电等知名企业,预计2021-2022年12英寸大硅片产能可达60万片月。
 
  在新产品的研发方面,目前公司已开展“20-14nm”的国家02专项研发进度,正在认证或研发过程中的产品规格超过30种,包括应用于14nm逻辑芯片、19nm DRAM芯片及128层3D NAND产品等。
 
  2)电子特种气体
 
  半导体生产中几乎每个环节都要用到电子特气,因此被称为半导体制造的“血液”和“粮食”。
 
  电子特气的纯度直接决定了产品的性能、集成度和成品率,这是仅次于硅片的第二大晶圆制造材料。
 
  国际市场上,美国空气化工、普莱克斯、德国林德、法国液化空气、日本大阳日酸等五大公司控制着全球90%以上的市场份额,形成寡头垄断的局面。
 
  在国内市场,虽然国产化率还不高,但国产替代速度是比较快的,本土具有竞争力的企业包括华特气体、南大光电、昊华科技、雅克科技、金宏气体等。
 
  目前,华特气体的部分产品已批量供应7nm、14nm等晶圆产线,部分氟碳类产品已被台积电7nm以下工艺使用。
 
  公司研发出的20种进口替代产品已实现规模化生产,其中Ar/F/Ne混合气、Kr/Ne混合气、Ar/Ne混合气、Kr/F/Ne混合气4种光刻气产品2017年在国内市场占有率位居第一,高达60%。
 
  华特气体也通过了全球最大光刻机供应商ASML公司的产品认证,并为中芯国际、华虹宏力等一线企业供货。相对来说,南大光电的产品以磷烷、砷烷等混合气体为主,市场集中在LED、面板等行业,半导体特种气体仍处于开拓阶段。
 
  昊华科技的产品以含氟电子气体(三氟化氮、六氟化硫)为主,市场集中在电力、军工、光伏领域,半导体特种气体仍处于开拓阶段。雅克科技通过收购成都科美特切入氟碳类气体行业,市场集中在电力行业,并小规模为台积电、美国intel、美国TI等企业供货。
 
  3)光刻胶
 
  光刻胶是配套光刻机使用的特殊材料,市场规模不大,却是摩尔定律得以不断推进的关键材料之一。
 
  国际市场上,光刻胶由日本的TOK、JSR、富士胶片、信越化学、住友化学,美国的陶氏化学等六大公司垄断。
 
  国内的光刻胶企业包括北京科华、上海新阳、晶瑞股份、南大光电、苏州瑞红、恒坤股份等,目前技术进步很快,处于你追我赶的阶段。
 
  本土龙头是北京科华,这是国内目前唯一能匹配荷兰ASML光刻机产线供货的光刻胶公司,彤程新材通过受让北京科华33.70%的股权为其第一大股东。
 
  科华的光刻胶产品涵盖KrF、I-line、G-line、紫外宽谱等各细分领域,客户包括中芯国际、华润上华、杭州士兰、吉林华微电子、三安光电、华灿光电、德豪光电等。
 
  另外,上海新阳也在IC制造用ArF干法、KrF厚膜胶、I线等高端光刻胶领域取得重大突破,在建的19000吨/年ArF(干法)光刻胶项目预计2022年达产。过1-2年将可实现28nm产线的落地。
 
  4)CMP抛光材料
 
  抛光液和抛光垫是配合抛光设备使用的,是CMP抛光工艺的关键材料。
 
  国际市场上,抛光垫由美国陶氏化学(约80%份额)、美国卡博特、日本东丽等三家公司垄断,抛光液由美国的卡博特(约36%份额)、陶氏杜邦、VSM、日本日立、富士美等五家公司垄断。
 
  都是被美国、日本两国的少数几个企业把持,主要是由于市场规模不大,技术门槛高,并且晶圆厂为了生产质量的稳定,不愿意轻易更换供应商。
 
  结果就是行业格局的高度集中,新进入者难以找到发展的机会。抛光液领域的龙头是安集科技,产品已在14nm技术的芯片产线实现规模化应用,10-7nm技术节点正在研发中,中芯国际、长江存储、台积电、三安光电均为公司客户。
 
  公司目前拥有抛光液总产能13314.34吨/年,在建产能16100吨/年,在抛光液中使用的CeO2磨料的专利数量位居全球第一。
 
  公司2020年上半年营业收入为1.92亿元,同比增长48.56%,发展迅猛。
 
  抛光垫领域的龙头是鼎龙股份,2020年上半年抛光垫营收0.21亿元,同比增加2145.96%,开始进入早期放量阶段。
 
  公司上半年在国内多个晶圆厂长江存储、武汉新芯、中芯国际、合肥长鑫等取得重大进展,抛光垫产品已获得大客户的量产验证。
 
  就技术而言,2020年上半年推出了DH3110/DH3310等应用于先进制程的产品,匹配于28nm技术节点的抛光垫产品已经成熟,研发进度已推进到14nm阶段。
 
  5)高纯湿电子化学品
 
  超净高纯试剂是指主体成分纯度高于99.99%的化学试剂,主要用于芯片的清洗、蚀刻等制造领域。
 
  这个领域的集中度相对较低,欧美、日韩、台湾、中国大陆都有企业能够生产,我国的主要厂家包括上海新阳、晶瑞股份、江化微、浙江凯圣和江阴润玛等。其中,龙头是上海新阳,其超纯电镀硫酸铜电镀液已成功进入中芯国际、海力士的28nm工艺制造过程。
 
  晶瑞股份也是重要的供应商,超纯双氧水、超纯氨水及在建的高纯硫酸等主导产品已达到G5等级,其它高纯化学品均普遍在G3、G4等级。
 
  6)靶材
 
  在晶圆制造和测试封装两个环节需要使用靶材,目前芯片工艺中,45-28nm主要使用纯铜铝和铜锰合金靶材。
 
  当芯片制程在20nm以下,尤其是小于7nm时,钴靶材在填满能力、抗阻力和可靠度三方面优势明显。
 
  国际市场上,日本的日矿金属、东曹和美国的霍尼韦尔、普莱克斯四家企业占据80%的份额。国内企业主要有阿石创、隆华科技、有研新材和江丰电子等。
 
  其中,阿石创、隆华科技产品主要用于面板、触控,江丰电子产品在半导体、太阳能光伏和面板领域均有覆盖,有研新材主要生产半导体靶材。
 
  龙头是江丰电子,目前已可量产用于90-7nm半导体芯片的钽、铜、钛、铝靶材,其中钽靶材在台积电7nm芯片中已量产,5nm技术节点产品也已进入验证阶段。
 
  有研新材的靶材营收规模不及江丰电子,但也能生产8-12英寸的铝、钛、铜、钴、钽半导体用靶材,客户覆盖中芯国际、台积电、联电等芯片企业。
 
  三、总结
 
  我国的半导体产业正处于高速发展阶段,每个细分领域都有龙头企业在卡位研发,技术的进步日新月异。
 
  许多环节,虽然媒体上都表示技术难度很大,大部分市场被跨国巨头垄断,国产化率很低。
 
  但实际上,就今年的业界推进情况来看,几乎所有环节(除了光刻机),都已经有28nm技术的国产设备和材料处于生产线验证阶段。目前的瓶颈,主要就在光刻机。
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