2022年半导体设备行业研究报告.docx

2022年半导体设备行业研究报告1.半导体设备行业介绍1.1半导体生产过程中有哪些工艺步骤，需要用到哪些设备？集成电路系采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及它们之间的连接导线全部制作在一小块半导体晶片如硅片或介质基片上，然后焊接封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的电子器件。半导体设备在芯片制造中发挥着重要作用。半导体设备是半导体制造的基石，是半导体行业的基础和核心。半导体工艺流程主要包括硅片制造、IC设计、芯片制造和芯片封测，从产业链来看，半导体设备在硅片制造以及芯片制造的前道/后道工艺中均发挥着重要作用。半导体生产过程中有哪些工艺步骤，需要用到哪些设备？前道晶圆制造工艺复杂，分别为氧化/扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化，清洗和检测是贯穿半导体制造的重要环节，简化来看，按照工艺次序可分为：氧化：在硅片表面形成二氧化硅层，由于二氧化硅硬度高且致密，可以保护晶圆表面不被划伤并且阻挡污染物。涂胶：通过涂胶机在晶圆表面均匀涂覆光刻胶。光刻：通过光刻曝光将设计好的电路图从掩膜版转移到晶圆表面。显影：在显影机中利用显影剂去除被曝光的光刻胶，在光刻胶膜上显示出电路图形。刻蚀：在刻蚀机中通过离子撞击去除多余的氧化层或其他薄膜层，将电路图形从光刻胶膜永久转移到晶圆表面。离子注入：将掺杂剂材料射入晶圆表面（也可通过热扩散工艺实现）。该步骤的主要目的是形成PN结，PN结是晶体管工作的基本结构。（即利用PN结的导通和截止分别代表1和0）去胶：光刻胶仅作为转移电路图形的中介，最终并不在电路中发挥实际作用，因此需要通过去胶机去除。薄膜沉积：前述操按照预定的电路图在相应位置形成了核心器件PN结，但这些结构是分立的，需要添加导电层实现互连（相当于电路中的导线），薄膜沉积操作可将金属层等结构添加在晶圆表面。薄膜沉积也可以在晶圆表面添加绝缘介质或其他半导体，沉积好的薄膜将作为电路的功能材料层（类比3D打印）。CMP（化学机械抛光）：该过程可去除之前晶圆表面形成的多余材料，并实现晶圆表面平坦化。直观理解即集成电路的制造过程好比建多层的楼房，每搭建一层楼层都需要让楼层足够平坦齐整，才能在其上方继续搭建另一层楼，否则楼面就会高低不平，影响整体性能和可靠性。1.2半导体设备行业的壁垒在哪里，为什么难以突破？技术壁垒：从技术角度看，我们认为半导体设备技术壁垒可分为三个层次：1）半导体设备是由成千上万的零部件组成的复杂系统，将成千上万的零部件有机组合在一起实现精细至nm级别的操作是第一个难点。2）保障设备在nm级别的操作基础上的超高良率是半导体设备制造过程中的第二个难点。制造一块芯片通常需要上百台设备紧密配合，历经400-500道工序，若单工序良率仅能做到99%，则历经500道工序最终良率不足1%；提升至小数点后两位的水平才能使良率达到95%以上。3）保障设备在实现以上两个要求的基础上长时间稳定的运行是半导体设备制造过程中的第三个难点。与上述同理，一条芯片产线上百台设备，每一台设备稳定运行时间的微小降低将在整个体系内被巨额放大。若发生设备宕机造成该批假设1000片晶圆的报废，在28nm及以下的制程级别对应的损失超过300万美元，近2000万人民币。客户验证壁垒：正是由于设备本身和产线构成的复杂性，单设备的良率、稳定性会在整个体系内产生累积效应的影响，同时可能带来巨额的潜在损失，因此晶圆制造厂商对于上游设备的验证、验收有严苛的标准和流程。同时，对于晶圆制造厂而言，配合上游设备验证需要付出大量的人力（合作研发、调试）、物力（拿出其他设备配合验证的机会成本损失、验证过程中的物料损失），以及采用新设备供应商面临的巨大潜在风险（批量晶圆报废的风险、向客户延迟交货的风险），很少有晶圆厂愿意承担以上的损失和风险去验证新供应商的设备。1.3为什么说现在是国内半导体设备行业的黄金时期？我们认为半导体设备公司成功需要四大要素：契机、人才、资金、时间。目前国内环境四大要素均具备，因此处于发展的黄金时期：1）契机：下游制造厂商正常情况下不愿意冒风险和承担额外成本去验证新供应商的设备，中美贸易摩擦和设备禁令带来的供应链安全问题给国内制造厂商足够的理由接受国产设备。另一方面，近两年半导体行业高景气带动下游积极扩产。2）人才：目前国内既有科研院所、头部企业等培养出来内地人才，也有众多海外设备大厂从业背景的海归人才积极创业。3）资金：科创板支持科技类企业融资。4）时间：部分半导体设备厂商切入前道领域时间较短，处于样机和小批量订单阶段，未来有望加速放量。1.4如何看待本土设备厂商的竞争优势和未来前景？成本和价格并非本土标签以外的唯一竞争力，快速响应的定制化服务为重要优势。基于本土优势，一方面可以提供低成本、定制化、及时的服务（海外设备厂商往往委托国内团队做