半导体前道检测设备行业专题报告.docx
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半导体前道检测设备行业专题报告
半导体前道检测设备行业专题报告
1.新兴领域需求旺盛,半导体行业进入上行周期
半导体产品按照制造技术分类可以分为集成电路和分立器件,根据WSTS统计,集成电路占半导体总产值80%以上。
集成电路从功能、结构角度主要分为数字集成电路、模拟集成电路与数/模混合集成电路三类。
其中:
数字集成电路主要与数字信号的产生、放大和处理有关,数字信号即在时间和幅度上离散变化的信号;模拟集成电路主要与模拟信号的产生、放大和处理有关,模拟信号即幅度随时间连续变化的信号,包括一切的感知,譬如图像、声音、触感、温度、湿度等;数/模混合集成电路是指输入模拟或数字信号,输出为数字或模拟信号的集成电路。
从全球半导体市场产品占比上来看,占比最大的为存储器和逻辑电路,2018年合计占比57.49%。
其次是微处理器,占比为14%,模拟电路占比为12%。
集成电路产业链主要包括核心产业链、支撑产业链以及需求产业链。
核心产业链包括集成电路设计、制造和封装测试,支撑产业链包括集成电路材料、设备、EDA、IP核等,需求产业链包括通讯产品领域、消费电子领域、计算机芯片领域、汽车/工业领域等。
通常在晶圆制造环节使用的设备被称为前道工艺设备,在封测环节使用的被称为后道工艺设备。
集成电路晶圆代工主要指以晶圆为原材料,借助载有电路信息的光掩模,运用光刻和刻蚀等工艺流程,将电路布图集成于晶圆上。
晶圆经过光刻和刻蚀等工艺流程的多次循环,逐层集成,并经离子注入、退火、扩散、化学气相沉积、物理气相沉积、化学机械研磨等流程,最终在晶圆上实现特定的集成电路结构。
1.15G手机、自动驾驶和数据中心等新兴领域将是主要驱动力
半导体行业是一个周期性较强的行业,主要由下游产品更新迭代来带动。
在历史上,半导体行业的快速增长都预示着电子产品的时代革新。
在2000年,出现互联网流行带动台式电脑的需求。
在2003年,消费电子新品涌现,出现便携式2G手机。
2009年,由苹果带动的智能手机市场爆发。
2016年,各大通讯公司的平板电脑开始热销。
在未来,半导体行业下一轮的高速增长驱动因子将是:
5G手机、自动驾驶和数据中心等。
半导体行业起源于西方,在美国启蒙并快速发展。
第一次产业转移由美国向日本转移。
第二次由日本向韩国、台湾转移。
随着中国大陆下游电子产品需求的爆发式增长和一系列政策的大力扶持,半导体产业中心正在由韩国、台湾向中国大陆转移。
根据WSTS发布的2020年春季预测,2020年全球半导体行业销售量将达到4260亿美元,同比增长百分之3.3,其中存储器将增长15%,逻辑IC将增长2.9%。
WSTS预测在2020年,半导体销量在美州和亚太地区将有所增长。
WSTS预测在2021年,全球半导体行业将增长6.2%,其中存储器将增长超过10%,全球所有地区都将赢来正增长。
新冠疫情对众多传统行业带来了一定的冲击,但对于偏年轻化的互联网来说,各个领域的需求都有明显的增加。
根据Forbes及Fastly统计,新冠疫情给流媒体、互联网使用、社交媒体、教育科技分别带了30%、70%、40%、35%的流量增长。
由于下游需求的带动,半导体行业表现出了较高的弹性,需求并没有出现持续性下降。
VLSIResearch表明在全球需求下降的大背景下,汽车和工业电子需求并没有下降,晶圆代工厂与IDM厂商在持续投资来应对未来5G、云计算与数据中心的增长,还有电脑和相关远程办公电子设备增长。
1.2中国大陆半导体增速明显高于世界水平,但自给率依然较低中国大陆在半导体有着广泛的下游应用产品,覆盖通信及智能手机、电脑、工业、医疗、消费电子、新能源汽车、物联网、5G等。
中国大陆集成电路销量大体趋势与世界保持一致,但增速明显高于世界平均水平。
中国大陆是集成电路需求大国,长期以来靠进口满足国内需求,贸易逆差大。
中国电子专用设备工业协会统计表明,2019年中国大陆半导体晶圆制造设备进口约和650亿元,而2019年国产半导体晶圆制造设备销售约60亿元,国产设备在集成电路生产设备中占有率低,特别是高端集成电路生产线占有率不足10%。
半导体在大陆的快速增长主要驱动力除了广阔的下游应用产品之外还有一系列产业政策和政策性资本投入的刺激。
国家自2000年起陆续出台了一系列法律法规和政策,从知识产权、税收、投融资、研究开发、进出口、人才等方面给与本土半导体企业优惠政策。
2014年国家成立集成电路产业投资基金一期,募集资金近1400亿元,投资范围覆盖IC设计、制造、封测、设备材料等各个环节,投资比重分别约为20%、63%、10%、7%。
国家集成电路产业投资资金二期已于2019年10月注册成立,注册资本为2,041.5亿元,将给大陆集成电路发展带来新一轮资本注入的热潮。
2.中国大陆晶圆厂资本开支加速扩张,国产设备进口替代势在必行
中国大陆半导体设备需求自2012年以来增速明显,在2019年全球半导体需求低迷的大环境下,国内半导体设备需求实现逆势增长,增幅约2.59%。
根据SEMI数据统计,2019年全球半导体制造设备销售额达598亿美元,比2018年的645亿美元的历史高点下降了7%。
中国台湾地区是去年半导体设备的最大市场,销售额增长了68%,达到171.2亿美元。
中国大陆以134.5亿美元的销售额保持其第二大设备市场的地位。
其次是韩国,为99.7亿美元,销售额同比下降44%。
根据万得数据统计,2009-2018年,半导体制造设备总体需求增速明显,2018年全球半导体制造设备体量达502亿美元,占比超过80%,测试设备为54亿美元,封装设备为40亿美元。
根据VLSIResearch数据整理,在全球半导体制造设备占比中,占比最高的是刻蚀设备和薄膜沉积设备分别为30%和25%,其次是光刻设备占比约为23%,前道检测设备约为13%。
2.1半导体先进制程发展驱动设备支出加速增长
随着半导体芯片技术结点的不断缩小,生产相同单位量的晶圆的设备投入呈加速上升趋势。
根据中芯国际招股书披露,5纳米投资成本是14纳米的两倍以上,28纳米的四倍以上,其募集资金的约81%将用来购置生产设备及安装,设备购置是晶圆厂建厂最主要费用支出。
SEMI在美国加州时间2020年7月21日发布了《半导体制造设备年中总预测-OEM视角》,预测到2020年,原始设备制造商的半导体制造设备全球销售额预计将增长6%至632亿美元,而2019年为596亿美元,2021年将实现两位数的增长,创下700亿美元的纪录,预计多个半导体细分领域的增长将推动这一增长。
晶圆厂设备领域包括晶圆加工、工厂设施和掩模/掩模版设备,预计到2020年将增长5%,随后因存储器支出的复苏以及对前沿和中国市场的投资,到2021年将增长13%。
到2020年和2021年,晶圆代工和逻辑支出将占晶圆制造设备总销售额的一半左右,并将在2020年和2021年以个位数的速度增长。
2020年DRAM和NAND支出都将超过2019年的水平,2021预计分别增长20%以上。
预计到2020年,由于先进封装产能增长需求,封装设备市场将增长10%达到32亿美元,到2021年将增长8%达到34亿美元。
半导体测试设备市场预计将增长13%,2020年将达到57亿美元,并在5G需求的支撑下在2021年继续保持增长势头。
预计中国大陆、中国台湾和韩国将在2020年的支出中居首位。
中国大陆在晶圆代工和存储领域的强劲支出有望使中国大陆在2020年和2021年的半导体设备总支出中跃居首位。
2.2本土晶圆厂数量快速增长,国产半导体设备发展进入景气周期
伴随着半导体产业的资本注入热潮,本土晶圆厂在建或规划的数量逐渐增加,对半导体设备的需求将进一步提升。
根据芯思想研究院的统计,截止2019年底我国12英寸晶圆制造厂装机产能约90万片,较2018年增长50%;8英寸晶圆制造厂装机产能约100万片,较2018年增长10%;6英寸晶圆制造厂装机产能约230万片,较2018年增长15%;5英寸晶圆制造厂装机产能约80万片,较2018年下降11%;4英寸晶圆制造厂装机产能约260万片,较2018年增长30%;3英寸晶圆制造厂装机产能约40万片,较2018年下降20%。
根据中国电子专用设备工业协会的统计数据,2019年国产半导体设备销售额预计为162亿元,同比增长约30%,2016-2019年中国半导体设备制造商销售收入年均增长41.3%,实现总利润年均增长23.5%,出口交货年均增长27.8%。
2019年中国14家集成电脑晶圆生产设备制造完成集成电脑晶圆生产设备销售收入54亿元,占2019年中国集成电路生产设备销售收入的75.6%,中国电子专用设备工业协会预测2020年中国主要半导体设备制造商销售收入将达200亿左右,同比增长20%左右。
国产半导体设备销售按主要类别可分为集成电路、LED、光伏、面板等。
根据中国电子专用设备工业协会统计数据,2019年国产集成电路晶圆生产设备产业得到快速发展,其中集成电路设备同比增长约为56%,太阳能电池设备同比增长约为40%。
3.半导体检测重要性不断提升,前道检测领域KLA龙头优势明显
3.1半导体检测重要性不断提升
半导体检测是保证产品良率和成本管理的重要环节,随着半导体制造工艺要求的提升,检测环节在半导体制造过程中的地位不断提升。
根据摩尔定律预测:
每隔18-24个月,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件数目会增加一倍,性能也将提升一倍。
现代芯片的超复杂化与精细化将对半导体检测设备有更高的要求。
半导体检测适用于3个阶段:
设计验证测试、过程控制检测、硅片拣选测试和最终封装测试。
过程控制检测被称为前道检测,包括缺陷检测和量测,主要运用光学、电子束量等科学,是一种物理性、功能性的测试,运用于晶圆加工制造过程。
晶圆检测和成品测试被称为后道检测,主要通过测试机和分选机或探针台配合使用,分析测试数据,确定具体失效原因,并改进设计及生产、封测工艺,以提高良率及产品质量。
过程控制检测被称为前道检测,包括缺陷检测和量测。
缺陷检测设备包括晶圆检测仪、缺陷观察系统和数据分析及管理工具。
缺陷检测设备在提升产品良率的应用上非常广泛主要包括:
晶片验证、光罩验证以及生产线监控。
晶圆检测仪可以在晶圆的前表面、后表面和边缘发现多余颗粒、电气问题和图案缺陷,工程师可以依此来监测和发现关键性偏差。
缺陷审查系统可以捕获缺陷的高分辨率图像,帮助芯片制造商提高产品良率。
量测系统主要用于验证设计可制造性、新工艺特性和大批量制造工艺监控。
通过精确测量图案尺寸、薄膜厚度、层与层的对齐、图案放置位置、表面形态和光电特性,量测系统使芯片制造商能严格控制其工艺,提高器件的性能和良率。
根据VLSIResearch数据统计,在全球半导体设备企业排名中,半导体前道检测龙头科磊半导体(KLA,美国)位列半导体设备行业第5名,占全球半导体设备市场份额约为6%。
在2019年全球半导体市场降温的大环境下,根据VLSIReasearch统计,ALD、过程控制、EUV和SoC检测领域实现逆势增长,半导体前道检测设备龙头科磊半导体实现10%正增长。
根据Gartner统计数据,现阶段半导体前道检测设备市场,科磊半导体实力遥遥领先,市占率约52%,科磊半导体2019年仅研发支出费用就超过了市场占有率排名第二的应用材料2019年相关业务的营业收入。
3.2科磊半导体(KLA)-全球半导体前道检测先驱
科磊半导体于1977年在美国加利福尼亚州成立,由KLA公司和TencorInstruments公司合并而成。
科磊半导体目前是全球第5大半导体设备公司,是从事半导体及相关纳米电子产业设计、制造制程控制和良率管理解决方案的领导者。
产品应用范围主要包括晶片制造、晶圆制造、光掩模制造、化合物半导体制造、互补式金属氧化物半导体(CMOS)和图像感应器制造、太阳能制造、LED制造、资料存储媒体/读写头制造、微电子器械系统制造及通用/实验室应用等。
公司主要客户有台积电、三星电子等全球先进制程半导体制造领导者。
科磊半导体自1998年起,通过一系列外延并购整合行业内资源,获取先进技术,提高市场占有率。
科磊半导体公告披露,在最近的一次并购中,2019年3月科磊半导体以34亿美元收购以色列良率控制方案领先企业Orbotech,使其业务拓宽到印刷电路板(PCBs)、半导体特色工艺(SDs)、和平板显示器检测(FPDs)市场。
科磊半导体2017前后公布的产品收入结构口径有所区别,2017年后公布的半导体过程控制业务包括晶圆检测、图案化和全球服务和支持。
自2015起,公司半导体过程控制营收持续增长,2019年公司并购Orbotech使公司在印刷电路板、显示、组件检测和半导体特色工艺上创造了新的营收点。
营业收入、净利润持续增长:
2015-2020年,科磊半导体营业收入、净利润增长较快,复合增长率分别为15.59%和27.15%,2020年营业收入约为58.06亿美元,同比增长27.09%,2020年净利润约为12.16亿美元,同比增长6.59%,2019到2020上半年在全球半导体行业降温的大环境下,公司年迎来近年来逆势增长高峰,主因为Orbotech并表和晶圆代工厂及逻辑芯片客户需求增加。
中国大陆为公司全球第二大市场:
科磊半导体经过40多年的发展,其业务范围已经覆盖了全球各个地区,中国大陆在其2019年的营业收入中占比为25%,是全球仅此于台湾的第二大地区。
盈利能力稳定,研发投入稳定增长:
科磊半导体作为全球半导体前道检测设备龙头,公司在产业链中语权较强,2015-2020年,公司毛利率维持在60%左右。
2020年公司毛利率为57.81%,较2019年下降了1.27%,主因为被收购公司Orbotech无形资产摊销,服务、生产价格上升所影响。
占比最大的半导体过程控制系统产品毛利率较稳定,维持在64%左右。
公司销售、行政及一般费用率近年来呈现先降后升趋势,2019年期间费用率上升主要受Orbotech并购所致。
净利率近年来有所波动,但仍持在20%左右的高水平。
公司持续加大研发投入,研发费用占营业收入比例稳定在为15%左右。
4.国产前道检测设备迎头追赶
根据VLSIResearch数据统计,半导体制造设备支出占半导体设备总支出的80%左右,前道半导体检测设备约占半导体制造设备的13%,此前SEMI预测2020年及2021年中国半导体设备总支出分别为173及166亿美元,由此可以粗略估算出2020年和2021年国内前道检测设备市场约分别为18.0亿美元和17.3亿美元。
在半导体前道检测设备工艺上,国内半导体设备厂商于国外龙头差距较大,因该领域多处运用到尖端光学、电子束等技术,国内厂商短期在核心技术上突破难度较大。
但国内厂商科研成果已经逐渐显现,在特定领域已有少批量设备进入国内外领先存储和逻辑厂。
国内重点布局企业有睿励科学仪器(上海)、中科飞测、上海精测和赛腾股份。
上海睿励的薄膜测量设备成功进入三星和长江存储生产线;中科飞测的晶圆表面颗粒检测机成功打入中芯国际生产线,智能视觉检测系统成功进入长江存储生产线,椭偏膜厚量测仪进入士兰微生产线;上海精测的膜厚测量设备已经成功小批量生产并进入长江存储生产线;赛腾股份控股子公司Optima的晶圆缺陷检测设备持续获得上海新昇半导体订单。
4.1睿励科学仪器(上海)-国产半导体前道光学检测设备领跑者
睿励科学仪器(上海)是于2005年创建的合资公司,致力于研发、生产和销售具有自主知识产权的集成电路生产制造工艺装备产业中的工艺检测设备。
公司的产品填补了国家重大产业链中的重要空白。
目前拥有的主要产品包括光学检测设备、硅片厚度及翘曲测量设备及宏观缺陷检测设备等。
睿励科学仪器(上海)自主研发的12英寸光学测量设备TFX3000系列产品,已应用在28纳米芯片生产线并在进行14纳米工艺验证,在3D存储芯片上达到64层的检测能力。
产品目前已成功进入世界领先芯片客户3D闪存芯片生产线,并取得7台次重复订单,是目前进入该国际领先芯片生产企业唯一的国产集成电路设备产品。
睿励科学仪器(上海)产品还进入国内多家领先芯片生产企业生产线,其产品和技术能力已获得业界的认可。
此外,睿励科学仪器(上海)应用于LED蓝宝石衬底图形检测的自动光学检测设备,也已成功进入众多客户国内LED外延芯片生产线。
2019年8月22日,国内半导体设备介质刻蚀龙头中微公司发布公告,对睿励科学仪器(上海)投资1,375万元,投资完成后中微公司持股睿励科学仪器(上海)10.41%。
睿励科学仪器(上海)2018年营业收入约为0.27亿元,2019年上半年营收约为0.08亿元。
4.2中科飞测-中科院深入合作企业,已进入国内领先逻辑和存储厂
深圳中科飞测科技有限公司是以海外留学归国的研发和管理团队为核心、与中科院微电子研究所深入合作、自主研发和生产工业智能检测装备的高新企业,检测技术在行业处于国际前沿地位,检测设备在高端市场实现设备的国产化。
公司最具代表的产品和服务有:
三维形貌量测系统CYPRESS系列,表面缺陷检测系统SPRUCE系列,智能视觉缺陷检测系统BIRCH系列,3C电子行业精密加工玻璃手机外壳检测系统TOTARA系列。
公司于2017年获得国家科技部重点研发计划“重大科学仪器设备开发”重点专项立项。
中科飞测与中芯国际、长江存储、长电科技、华天科技、通富微电、士兰微等,都有深入的合作关系。
公司研发成果初显,少批量产品已经成功进入国内领先逻辑和存储厂。
据新浪财经报道,在集成电路领域,中科飞测已经全面覆盖了先进封装光学检测市场需求,几款半导体前道产品实现了国产设备零的突破,并从2016年开始陆续进入中芯国际、长江存储等国内大厂;根据5月20日中科飞测主页报道,公司椭偏膜厚量测仪作为首批设备,正式搬入厦门士兰集科微电子有限公司。
在工业3C和泛半导体领域,公司工业3D检测设备进入了蓝思、比亚迪、华为等厂商;柔性OLED检测设备也进入了面板厂。
4.3上海精测-聚焦椭圆偏振技术,膜厚量测产品已进入领先存储厂生产线
上海精测为上市公司武汉精测电子集团股份有限公司的控股子公司,主要聚焦半导体前道检测设备领域,以椭圆偏振技术为核心开发了适用于半导体工业应用的膜厚量测以及光学关键尺寸量测系统。
上海精测膜厚产品已取得国内一线客户的批量重复订单,电子显微镜的相关设备预计在2020年推向市场,其余储备的产品目前正处于研发、认证以及扩展的过程中。
上海精测成功引入国家集成电路产业投资基金股份有限公司、上海半导体装备材料产业投资基金合伙企业(有限合伙)等专业投资机构,有利于公司整合行业内资源。
2020年上半年精测电子在整个半导体板块实现销售收入501.17万元。
精测电子主要从事半导体、显示、新能源检测系统的研发、生产与销售。
公司是目前国内平面显示信号测试领域的龙头企业,产品已在京东方、三星、LG、夏普、松下、中电熊猫、富士康、友达光电等知名企业批量应用,并大量用于苹果公司的IPhone和IPad系列产品显示测试。
公司及母公司积极参与行业内相关公司并购:
2020年6月上海精测半导体技术有限公司以自有资金4920万元购买参股公司武汉颐光科技有限公司剩余82%的股权。
武汉颐光是国内专业从事高端椭偏仪以及光学纳米测量设备研发、制造与销售的高新技术企业,由多位具有二十多年偏振光学测量经验的专家联合创办,与华中科技大学紧密合作,是椭偏光学仪器领域的优秀技术团队。
母公司精测电子积极布局半导体设备领域,精测电子与IT&TCO.,LTD合资设立的武汉精鸿电子技术有限公司主要聚焦自动检测设备(ATE)领域(主要产品是存储芯片测试设备),目前已在国内一线客户实现批量重复订单。
2019年,精测电子通过增资的方式已取得WINTEST株式会社60.53%的股份(主要产品是驱动芯片测试设备),目前WINTEST已实现批量的订单,另外WINTEST在武汉的全资子公司伟恩测试技术(武汉)有限公司已设立完成,主要聚焦驱动芯片测试设备领域,通过对WINTEST半导体检测领域相关技术的引进、消化和吸收,使公司已具备相关产品的研发及生产能力,目前已取得批量的订单。
4.4赛腾股份-并购Optima,强势切入国内半导体前道缺陷检测设备领域
赛腾股份主要从事智能制造装备的研发、设计、生产、销售及技术服务,为客户实现智能化生产提供系统解决方案,产品和服务涉及消费电子、汽车(新能源汽车)、半导体及锂电池等业务领域。
赛腾股份通过外延并购进入高端半导体前道检测领域,在2019年以约合16,395万元收购日本Optima株式会社67.53%股权,并在2020年6月对Optima株式会社增资120,000万日元,增资完成后,公司共持有Optima株式会社73.75%股权。
Optima株式会社成立于2015年2月,主要经营半导体前道检测设备的开发、制造、销售以及服务业务,前身为成熟晶圆检测设备商Raytex。
Optima在国内客户主要包括上海新昇半导体、西安奕斯伟、中环领先半导体等,其产品覆盖晶圆边缘、前表面、后表面的缺陷检测。
根据赛腾股份披露,Optima株式会社2018年、2019年8-12月和2020年上半年营业收入分别约为1.79亿元、8,582.31万元和9,046.06万元,2020年上半年营业收入、盈利能力明显提升。
5.风险提示
贸易战持续影响;政策变动风险;行业景气度不及预期;行业竞争加剧;晶圆厂资本开支不及预期;订单不及预期。
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