半導體設備行業(yè)分析

半導體設備行業(yè)分析千億美金的半導體設備賽道，即將迎來上行周期半導體產(chǎn)業(yè)鏈概覽半導體產(chǎn)業(yè)鏈可按照主要生產(chǎn)過程進行劃分，整體可分為上游半導體支撐產(chǎn)業(yè)、中游晶圓制造產(chǎn)業(yè)、下游半導體應用產(chǎn)業(yè)：上游半導體材料、設備產(chǎn)業(yè)為中游晶圓制造產(chǎn)業(yè)提供必要的原材料與生產(chǎn)設備；中游半導體制造產(chǎn)業(yè)負責生產(chǎn)出半導體產(chǎn)品，WSTS將其分類為分立器件、集成電路、傳感器和光電子器件，其中集成電路是最主要的產(chǎn)品，其2022年銷售額達到4799.88億美元，占全球半導體總銷售額的82.74%。集成電路（IC，芯片）又可以進一步分為模擬芯片、邏輯芯片、存儲芯片和微處理器。半導體行業(yè)周期性明顯：技術和宏觀環(huán)境驅動10年長周期，資本開支驅動3-4年短周期半導體行業(yè)周期性十分明顯，基本呈現(xiàn)10年一個長周期，3-4年一個短周期：長周期上看，全球半導體市場呈現(xiàn)10年左右的周期性波動特征。在長跨度時間周期上，全球半導體年度銷售額歷史增速呈現(xiàn)出大約每10年一個“M”形的波動特征。資本開支驅動3-4年短周期：將資本支出同比增速曲線按照極大值點進行劃分，可以觀察到每個極大值時點的間隔長短不一，平均而言大約在3~4年左右。按此周期看，2024年全球半導體行業(yè)資本開支有望修復。半導體設備為行業(yè)基石，與行業(yè)資本開支情況密切相關，技術節(jié)點向前帶動設備投資量增加一般而言，晶圓廠的資本開支中，20%-30%用于廠房建設，70%-80%用于設備投資。根據(jù)中微公司，國際最先進的芯片生產(chǎn)線需求百億美元投資，其中約70%用于購買設備，涉及十大類設備，170多種細分設備，需要的設備數(shù)量總共超3000臺。根據(jù)SEMI，前道設備投資量占總設備投資量的約80%，前道的晶圓制造設備可以分為刻蝕、沉積、光刻、檢測、離子摻雜等品類，其中，刻蝕設備、薄膜沉積設備和光刻機是占比最高的三類設備，根據(jù)Gartner統(tǒng)計，全球刻蝕設備、薄膜沉積設備和光刻機分別占晶圓制造設備價值量的22%，22%和17%。相同產(chǎn)能下，集成電路設備投資量隨制程節(jié)點先進程度提升而大幅增長。摩爾定律提出晶體管數(shù)量每隔18至24個月翻倍，技術節(jié)點的進步也帶動了單位產(chǎn)能對應的設備資本開支，比如5nm節(jié)點下每萬片產(chǎn)能對應的設備投資大概是30億美元，超14nm節(jié)點下同產(chǎn)能設備投資量的兩倍，大概是28nm節(jié)點下同產(chǎn)能設備投資量的4倍。國際限制下，國產(chǎn)替代是必經(jīng)之路，國內(nèi)晶圓廠逆勢擴產(chǎn)，將拉動國內(nèi)半導體設備需求全球半導體設備銷售額從2012年的369.2億美元增長至2022年的1076.5億美元，10年CAGR達到11.29%，其中，中國大陸的半導體設備銷售額從2012年的24.9億美元增長至2022年的282.7億美元，10年CAGR為27.5%，遠超全球增速。2022年，全球半導體設備銷售額1076.5億美元，同比2021年的1026.4億美元增長5%，2022年中國大陸連續(xù)第三年成為全球最大的半導體設備市場，2022年中國大陸的設備投資同比放緩5%，為283億美元。中國臺灣地區(qū)是第二大設備支出地區(qū)，2022年增長8%，達到268億美元，實現(xiàn)連續(xù)四年增長。韓國的設備銷售額下降了14%，為215億美元。歐洲的年度半導體設備投資激增93%，北美增長了38%。世界其他地區(qū)和日本的銷售額分別同比增長34%和7%。我國的半導體設備進口依賴很嚴重：從2021年中國晶圓廠設備采購額看，國內(nèi)自給率僅為11%。國內(nèi)晶圓廠逆全球半導體資本開支下行趨勢而動，積極擴產(chǎn)，疊加國際限制因素，國產(chǎn)設備需求有望大幅增加。典型CMOS器件生產(chǎn)流程及所需設備如何？集成電路制造工藝總述完整的硅基cmos集成電路工藝流程包括數(shù)百至上千個工藝步驟，這類由單臺設備或者單個反應腔室即可完成的工藝步驟稱為單項工藝，如光刻、刻蝕、薄膜沉積等。在制造實踐中，為了技術和管理上的便利性，將可以集合成由特定功能工藝模塊的一組單項工藝稱為模塊工藝。更進一步，可以將這些工藝模塊集合歸類為前段工藝（FEOL）、中段工藝（MOL）和后段工藝（BEOL），這三段工藝屬于前道制造流程，完整的半導體制造流程還包括后道封測。前段工藝（FrontendofLine，F(xiàn)EOL）：形成芯片底層晶體管等有源MOS器件的過程，主要包括淺槽隔離、源漏極、柵極等。中段工藝（MiddleofLine，MOL）：中段工藝主要作用是連接前段器件與后段第一層金屬，主要壁壘在于對接觸孔鎢栓塞的刻蝕和沉積。制程發(fā)展到45nm/28nm以后，為了提高晶體管的性能，采用高介電常數(shù)柵介質及金屬柵極工藝，在晶體管源漏結構制備完成后增加替代柵工藝及局部互連工藝，這些工藝位于前段工藝和后段工藝之間，均為傳統(tǒng)工藝中沒有采用的工藝，因此成為中段工藝。后段工藝（BackendofLine，BEOL）：形成能將電信號傳輸?shù)礁鱾€器件的互連線，主要包括金屬間介質層沉積、金屬線條形成、引出焊盤（Pad，又稱襯墊）等工藝。通孔（Via）是相鄰兩層金屬互連線之間的連接通路，位于兩層金屬中間的介質層中，一般用銅等金屬填充。典型納米級COMS工藝器件的前道工藝流程1、襯底制備：器件是在襯底上制造的，這是COMS工藝流程的第一步。一般選擇P型裸片材料作為襯底。2、有源區(qū)（ActiveArea）工藝：通過刻蝕去掉非有源區(qū)的區(qū)域的硅襯底而保留器件的有源區(qū)。具體步驟：（1）清洗；（2）生長前置氧化層：利用爐管熱氧化生長一層SiO2薄膜，目的是緩解后續(xù)沉積Si3N4層對襯底的應力；（3）利用LPCVD沉積Si3N4層，這層是有源區(qū)（AA）刻蝕的硬掩模版和后續(xù)STI（ShallowTrenchIsolation，淺槽隔離）CMP的停止層、也是場區(qū)離子注入的阻擋層；（4）利用PECVD沉積SiON層，作為光刻的底部抗反射層；（5）AA光刻處理、測量AA光刻的關鍵尺寸、測量AA套刻、檢查顯影曝光后的圖形；（6）AA硬膜版刻蝕；（7）去膠；（8）AA干法刻蝕形成AA圖形和STI；（9）測量AA刻蝕關鍵尺寸；（10）檢查刻蝕后的圖形。3、STI隔離工藝：利用氧化硅填充溝槽，在器件有源區(qū)之間嵌入很厚的氧化物，從而形成器件之間的隔離，利用STI隔離工藝可以改善寄生場效應晶體管和閂鎖效應。具體步驟：（1）清洗；（2）STI熱氧化：利用爐管熱氧化生成二氧化硅薄膜，該層二氧化硅薄膜可以保護硅襯底；（3）利用HDPCVD沉積厚的SiO2層（HDPCVD臺階覆蓋率非常好，可以有效填充STI的空隙）；（4）RTA快速熱退火，修復HDPCVD對襯底硅的損傷；（5）AR（ActiveAreaReverse）光刻處理；（6）測量AR套刻、檢查顯影后曝光的圖形；（7）AR刻蝕：干法刻蝕去除大塊AA區(qū)域的氧化硅，刻蝕停留在Si3N4層；（8）去膠；STICMP；（9）清洗；（10）濕法刻蝕去除Si3N4層，刻蝕停在氧化硅上；（11）濕法刻蝕去除前置氧化層。4、雙阱工藝：目的是形成PN結隔離，使器件形成電性隔離，優(yōu)化晶體管的電學特性。具體步驟：（1）清洗；（2）爐管熱氧化生長犧牲層氧化硅，可以隔離光刻膠和硅襯底，消除Si3N4對有源區(qū)表面的影響；（3）NW光刻處理、測量NW套刻、檢查顯影后曝光的圖形；（4）NW離子注入；（5）去膠；（）PW光刻；測量NW套刻、檢查顯影后曝光的圖形；（7）PW離子注入；（8）去膠；（9）NW和PW阱離子注入退火，修復離子注入對硅襯底造成的損傷，同時降低雜質的擴散；（10）濕法刻蝕去除犧牲層氧化硅。5、柵氧化工藝：通過熱氧化形成高質量的柵氧化層具體步驟：（1）清洗；（2）爐管熱氧化生長厚的SiO2氧化層；（3）厚柵氧光刻處理；（4）測量厚柵氧光刻套刻、檢查顯影后曝光的圖形；（5）濕法刻蝕去除低壓器件區(qū)域氧化層；（6）去膠、清洗；（7）利用爐管熱氧化生長薄柵氧化層。在45nm以下的技術節(jié)點中，為了有效降低器件漏電流，高介電材料被引入替代二氧化硅材料，高k介質薄膜一般由ALD沉積。6、多晶硅柵工藝：指形成MOS器件的多晶硅柵極，柵極的作用是控制器件的關閉或者導通。具體步驟：（1）LPCVD沉積多晶硅（沉積的多晶硅是未經(jīng)摻雜的，它是通過后續(xù)的源漏離子注入進行摻雜，可以更容易控制器件的閾值電壓）；（2）PECVD沉積SiON作為光刻的底部抗反射層；（3）柵光刻處理；測量柵極光刻關鍵尺寸、光刻套刻、檢查顯影后曝光的圖形；（4）柵刻蝕：去除沒有光刻膠覆蓋的多晶硅形成器件的柵極，分兩步刻蝕：1、利用CF4和CHF3去除SiON；2、利用Cl2和HBr刻蝕多晶硅；（5）去膠；（6）去除SiON。45nm及以下的工藝節(jié)點中，為避免硅柵耗盡效應，使用金屬柵替代多晶硅，金屬柵的沉積要使用ALD。半導體突破是當前發(fā)展之重，前道設備是半導體生產(chǎn)之重22年全球薄膜沉積設備市場達到229億美元，制程升級/多層趨勢+新興工藝驅動市場增長薄膜沉積作用是在芯片納米級結構中逐層堆疊薄膜形成電路結構，薄膜包括半導體、介質、金屬/金屬化合物三大類，不同薄膜沉積時反應的原理不同，因此薄膜沉積設備的技術原理也不同，沉積過程需要物理（PVD）、化學（CVD）、原子層沉積（ALD）等設備相互補充。CVD覆蓋了前道制造過程中的大部分沉積工藝，因此市場規(guī)模最高。薄膜沉積工藝的不斷發(fā)展，形成了較為固定的工藝流程，同時也根據(jù)不同的需求演化出了PECVD、濺射PVD、ALD、LPCVD等不同的設備用于晶圓制造的不同工藝。其中，PECVD是薄膜設備中占比最高的設備類型。根據(jù)中微公司，2022年全球薄膜設備總市場已經(jīng)達到229億美元，其中，PECVD、濺射PVD、爐管CVD、ALD、LPCVD、單晶外延EPI、鍍銅ECD和MOCVD市場規(guī)模分別為65、48、31、30、22、16、10、5億美元。22年全球薄膜沉積設備市場約230億美元，干法刻蝕中CCP和ICP平分超95%的市場份額集成電路器件微觀結構的形成離不開精準的刻蝕，刻蝕是用化學或物理方法有選擇地在硅片表面去除不需要的材料的過程，是與光刻相聯(lián)系的圖形化處理的一種主要工藝，是半導體制造工藝的關鍵步驟。集成電路制造工藝中干法刻蝕是主流：刻蝕分為濕法刻蝕和干法刻蝕。早期普遍采用濕法刻蝕，但是其在線寬控制和刻蝕方向性上存在諸多局限，3μm之后的制程多使用干法刻蝕，濕法刻蝕僅用于某些特殊材料層的去除和殘留物的清洗。在干法刻蝕中，ICP和CCP占據(jù)近乎全部市場份額：傳統(tǒng)的硅和金屬的刻蝕偏向使用較低離子能量的刻蝕設備，如ICP刻蝕設備；而電介質刻蝕偏向使用較高離子能量的刻蝕設備，如CCP刻蝕設備，隨著工藝要求的專門化、精細化，刻蝕設備的多樣化以及新材料的應用，上述分類的方法已經(jīng)變得模糊。根據(jù)中微公司援引Gartner數(shù)據(jù)，2022年全球干法刻蝕設備市場規(guī)模大概為230億美元，其中，ICP和CCP分別占據(jù)47.90%和47.50%的市場份額。全球光刻機市場被ASML、Nikon和Canon壟斷，而ASML幾乎壟斷高端光刻機市場目前全球光刻機市場基本由ASML（荷蘭）、Nikon（日本）和Canon（日本）三家包攬，其中高端光刻機更是由ASML壟斷，ASML是全球唯一一家具備EUV設備生產(chǎn)能力的光刻機廠商。Canon主要提供低端光刻機產(chǎn)品。2022年三者的集成電路用光刻機出貨量達到551臺，較21年的478臺增加73臺，漲幅15%；從EUV、ArFi、ArF三個高端機型的出貨來看，2022年共出貨157臺，較2021年的152臺增長3.3%，其中ASML出貨149臺，較2021年增加4臺，占據(jù)95%市場份額；Nikon出貨8臺，占據(jù)剩余5%的市場份額。涂膠顯影是光刻環(huán)節(jié)的關鍵設備，東京電子壟斷近90%份額光刻工藝的核心環(huán)節(jié)是：涂膠、光刻、顯影。需要用到兩種工藝設備：軌道和光刻機，通常，涂膠機和顯影機集成在一起，俗稱軌道（Track），早期的集成電路工藝和較低端的半導體工藝中，此類設備往往單獨使用（OffLine），隨著集成電路制造工藝自動化程度的不斷提高，在200mm及以上的大型生產(chǎn)線上，此類設備通常將軌道（Track）與光刻機聯(lián)機作業(yè)（InLine）。摻雜改變半導體材料的物理性質，分為擴散（Diffusion）和離子注入（Implant）兩種形式摻雜工藝在半導體工藝中十分重要，因為它可以改變半導體的電導率、載流子類型和濃度、能帶結構等電學性質，從而實現(xiàn)不同的功能和性能，比如向硅材料中摻雜五價元素磷或者砷就可以得到n型半導體，摻雜三價元素硼就可以得到P型半導體。半導體的導電性能可控就是通過摻雜來實現(xiàn)的。熱處理包括氧化、擴散、退火由于離子注入采用高速轟擊的工作方式，不可避免地會在注入?yún)^(qū)域形成局部損傷和畸形團，這會對半導體結構的電特性參數(shù)造成不良影響。另外，在離子注入時，大多數(shù)注入的離子并不處于摻雜工藝所期望的置換位置（期望離子替代的晶格位置），需要在特定的溫度和氣氛環(huán)境下（真空或氮、氬等高淳氣體環(huán)境），對離子注入后的圓片進行適當時間的退火處理，激活被注入的離子，恢復遷移率等及其他材料參數(shù)，并部分或全部地消除圓片中的損傷。全球及國內(nèi)市場基本由AMAT和日本荏原壟斷，國產(chǎn)廠商中華海清科位于領先地位化學機械拋光（ChemicalMechanicalPolishing，CMP）又稱為化學機械平坦化,其是集成電路制造過程中的關鍵工藝。如果將芯片制造過程