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集微咨询:新国家政策和市场环境下,单晶炉的市场现状与机遇

来源:中国半导体行业协会

#单晶炉#

#集微咨询#

04-27 16:29

2020年对于全球半导体行业来说是充满机遇与风险的一年,疫情的蔓延极大影响了行业的布局;另外,线上办公、教学兴起的浪潮加剧了人们对于电子类产品的需求暴涨,从而引发的一系列缺货、涨价等现象横生。

一、全球半导体疫情后反弹,机遇与风险并存

根据WSTS(World Semiconductor Trade Statistics,世界半导体贸易统计公司)统计,2020年,由于疫情后8英寸产能紧缺带动全产业链涨价以及由于国际环境影响下,许多大厂大量备货,全球半导体行业销售额达到4330亿美元,较2019年同比增加4.8%。而根据目前5G,人工智能、新能源汽车等终端的快速发展趋势,各大代工厂和IDM厂商产能排布紧张,行业普遍涨价,导致2021年市场将会空前火爆,预计2021年全球半导体行业销售额同比增长8.4%,约为4694亿美元。

图1 2011年-2021年全球半导体市场规模及增长

资料来源:WSTS,集微咨询整理 2020.03

2020年半导体行业的另一大重要关键词非“并购”莫属。2020年半导体行业大型并购案接踵而至,涉及多家龙头企业,亚德诺、美信、英伟达、Arm、SK海力士、英特尔、AMD、赛灵思、美满、Inphi、环球晶圆、世创,这些在各自细分领域极具影响力的企业,如今共同搅动产业风云,让2020年的半导体产业变得跌宕起伏。

据的不完全统计,2020年宣布的半导体行业并购案数量并不算多,但是多起交易涉及金额庞大,仅下半年发生的6起并购案交易金额已超千亿美元(1195亿美元)。这6起并购案的收购方和被收购方均为半导体行业巨头,多次上演了“巨头对对碰”,包括亚德诺210亿美元收购美信、英伟达400亿美元收购Arm、SK海力士90亿美元收购英特尔NAND闪存业务、AMD 350亿美元收购赛灵思、美满100亿美元收购Inphi、环球晶圆45亿美元收购世创。目前而言,2020年已超越2015年成为半导体行业有史以来并购金额最大的一年,但是几大并购案仍在进行中,除了美满电子收购Inphi进展较快已经通过外,其余案子均还有一段较长审查周期。

二、中国半导体负重前行,迎来国产替代机遇

2020年对于中国半导体也是极为重要的一年。近年来全球半导体行业发展速度趋缓,唯独中国一枝独秀,多年来市场需求均保持快速增长。全球半导体过去经历了两次产业转移,一次是美国到日本,一次是日本到韩国、台湾地区。如今第三次产业转移已经到来,在欧洲、美国、日本、韩国等先进半导体国家将产能外泄的风口上,中国大陆迅速把握产业转移机遇,快速提升产能。在国内工业控制、汽车电子、大数据等应用领域发展以及存储器涨价等因素的影响下,2020年我国集成电路行业得到快速发展,集成电路市场规模达16602.47亿元,同比增加10%,规模及增速均继续领跑全球。预计2022年市场规模将逼近20000亿。

图2 2017-2020年中国集成电路市场规模及预测

资料来源:中国半导体行业协会,集微咨询整理 2020.03

受益于5G、AI、IoT产业驱动,全球、中国半导体销售明显好转,国内外主流晶圆厂资本支出及北美半导体设备制造商销售情况也均已出现不同程度复苏。随着景气度的明显回升,半导体设备将是未来半导体板块中最重要的投资主线之一。在行业持续复苏背景下,大基金二期将加大对半导体设备和材料领域的投资力度,给半导体设备和材料领域带来较大的发展助力。此外,提升企业成线能力可以帮助扩大设备产品布局。同时,产业资源和产业链的整合可以提高资源的有效利用率,帮助国产设备提供工艺认证条件并且打造良好的口碑和品牌,最终实现国产替代进口。

三、国家政策和资金倾斜,半导体专用设备快速发展

随着国际产能不断向我国大陆地区转移,英特尔(Intel)、三星(Samsung)等国际大厂陆续在我国大陆地区投资建厂,同时在集成电路产业投资基金的引导下,我国大陆集成电路生产线建设热情高涨,我国大陆地区对半导体设备的需求巨大。

同时,国家集成电路产业投资基金二期股份有限公司已于2019年10月22日注册成立,注册资本为2041.5亿元。大基金二期规划方向包括将对在刻蚀机、薄膜设备、测试设备和清洗设备等领域已布局的企业保持高强度的持续支持,推动龙头企业做大做强;对照《纲要》继续填补空白,加快开展光刻机、化学机械研磨等核心设备以及关键零部件的投资布局等,从3个方面重点支持国产设备与材料发展。

(1)二期基金将对在光刻机、刻蚀机、薄膜设备、测试设备和清洗设备等领域已布局的企业保持高强度的持续支持,培育中国大陆“应用材料”或“东电电子”的企业苗子; 

(2)加快开展光刻机、化学机械研磨设备等核心设备以及关键零部件的投资布局,填补国产工艺设备空白; 

(3)督促制造企业提高国产装备验证及采购比例,为更多国产设备、材料 提供工艺验证条件。

多个政策和法规的发布和落实,为集成电路及其专用设备制造行业提供了财政、税收、技术和人才等多方面的支持,为企业创造了良好经营环境,有力促进了本土集成电路及其专用设备行业的发展。

2020 年中国大陆集成电路设备销售额约为188.3亿美元,同比上升40%,随着未来几年中国集成电路生产线的加速建设以及制造业的快速增长,将为中国集成电路设备开拓出更为广阔的市场空间。

图3 2019年中国集成电路专用设备市场规模和增长率

资料来源:SEMI,集微咨询整理 2020.03

2020年,中国集成电路专用设备市场中,随着国内三星、SK海力士、中芯国际等原有晶圆生产线逐步扩产以及新建产线建设完成,设备购置需求略有下降,晶圆制造设备占比快速提升,已经达到了81%左右;封装设备及测试设备占比分别为6%及8%;其它前端设备占比为5%。

图4 2020年中国集成电路专用设备产品结构

资料来源:SEMI,集微咨询整理 2020.03

四、受半导体市场催动,长晶设备市场体量可观

半导体硅片行业处于产业链的上游,是半导体材料中最为大宗的品类,为半导体行业发 展提供基础支撑。硅材料因其具有单方向导电特性、热敏特性、光电特性、掺杂特性等 优良性能,可以生长为大尺寸高纯度晶体,且储量丰富、价格低廉,故成为全球应用最广泛、最重要的半导体基础材料。硅片是制造芯片的基本衬底材料,也是唯一贯穿各道芯片前道制程的半导体材料,目前全球半导体市场中,90%以上的芯片和传感器都是基于硅材料制造而成。得益于5G、新能源汽车、物联网等新型产业的驱动,预计未来全球半导体行业将继续保持增长,半导体硅片市场空间广阔。

(一)硅长晶设备市场分析

1、下游硅片市场分析

根据 Gartner 对终端应用市场 2017-2022 年的复合增速的预测,各领域均为正增长,除数据中心及军事太空外,复合增速均在4%以上。其中,受行业智能制造升级、5G、新能源车等的发展的推动,工业电子和汽车电子表现亮眼,复合增长率有望超过10%,将成为全球半导体行业增长最重要的驱动力。由于 5G、AI、机器人、大数据等新兴技术驱动科技革新、通信技术进步,全球数据量大幅提升,带动通信相关电子产品应用领域和数量同步增加,电子产品需求增长带来大量的硅片需求,使得全球硅片市场从 2017 年开始进入新一轮增长周期。

硅片是半导体制造最核心的材料,跟随下游行业增长。据 SEMI 统计,2019 年全球硅片市场规模为 112亿美元,预计2020年全球硅片市场规模预计将达到115亿美元,国内作为重要的终端消费市场,未来对半导体硅片仍有较强的需求,半导体硅片市场自2014年以来呈稳定上升趋势。

从市场规模上看,2020 年中国市场 8 英寸半导体硅片需求量为307万片/月,同比增长23%,12英寸半导体硅片需求量为312万片/月,同比增长 8%。受2020年8英寸晶圆产能紧缺影响,整个半导体产业链缺货严重,未来随着我国半导体硅片厂商研发及生产能力不断提升,预计8英寸及以上硅片的产能占比将有较大提升,带动我国硅片的市场需求实现持续增长。根据semi统计,我国2020年硅片市场规模将达到13.06亿美元,同比增长20%。

图5中国硅片市场规模

资料来源:SEMI,集微咨询整理 2020.03

从市场结构和应用方向上看,8 英寸和 12 英寸硅片已成为半导体硅片的主流产品,自 2014年起占据半导体硅片90%以上的市场份额,目前国内企业在8英寸和12英寸硅片供给率较低,12英寸产品几乎完全依赖进口。从制程范围划分,12英寸的硅片主要用于90nm以下制程的集成电路芯片,常用在逻辑芯片、存储芯片等高端领域,受云计算、5G、大数据等技术推动影响,未来需求有望快速增长。8英寸硅片通常用于90nm以上的半导体制程,使用在包括功率器件、MEMS、指纹识别等应用领域,主要驱动力在下游汽车电子、工业电子等应用上。

2、硅长晶设备市场分析

火热的硅片市场带动下,国内主要硅片企业近年来规划了多个大硅片建设项目,预计2020年-2022年中国大陆硅片厂总规划投资额约为1150亿元。根据设备购买清单统计,标准硅片产线的投资 60-70%将用于生产线上设备采购,因此预计2020年-2022年有望带动570-800亿元的硅片设备需求,新建的硅片厂2019年开始动工,预计从2020年-2021年开始进入设备需求高峰,并且由于产能紧缺,未来可能会有更多产线建立,长期看来硅长晶设备具有较大的增长空间。

根据 300mm 和 200mm 产线投资中硅片设备的采购情况看,长晶设备约占设备总投资的25%。根据国内建设项目的梳理,排除已进设备,预计2021年-2022年有望带来的设备空间约在 190 亿-270亿。目前,国内企业在拉晶环节突破较快,有望率先实现进口替代,对应2020年-2022年单晶炉设备投资总额在110亿元到 180 亿元之间。

(二)化合物半导体长晶设备

1、碳化硅市场

伴随着5G、IOT 物联网时代的来临,以砷化镓、氮化镓、碳化硅为代表的化合物半导体市场有望快速崛起。目前SiC 主要应用于新能源汽车及其配套充电桩等大功率场景,根据 IHS Markit 数据,2019年碳化硅功率器件市场规模约6.1亿美元,受新能源汽车等领域快速崛起的需求驱动,2025年碳化硅功率器件的市场规模将达到30亿美元,年均复合增速达到 30.4%,2019年全球SiC衬底市场规模为1.73亿美元,目前6寸SiC 裸片价格约 1250 美元/片, 4 寸 SiC裸片价格在 300 美元/片左右, 市场需求以 4 寸 SiC 晶片为主, 预计至 2027 年整体市场增长至 30 亿美元, CAGR达42.87%,且市场需求逐渐向6寸市场转移。

2、碳化硅长晶设备市场分析

从市场角度而言,SiC的下游核心应用场景如高压电力传输、 轨道交通、新能源汽车等国内市场需求量占比较大,国内 SiC市场未来几年将保持高景气度,目前国内企业加速扩产衬底片的产能以满足下游应用市场的增长,势必会对上游制造设备的需求大幅提升。因此在市场保持高景气度的情况下,国内加速扩产产能叠加设备国产化率提升的双重因素驱动下,我国SiC生产设备厂商或将迎来风口。

根据集微咨询整理统计,2019-2020年,国内碳化硅产线已披露的投资扩产金额达到 500 亿元,碳化硅产能快速增长,相关设备需求急剧上升,将在2022-2025年迎来设备需求高峰期。

由于国内 SiC 衬底市场的加速扩产,衬底及制造设备需求量较大,且目前生产设备中长晶炉及外延炉研发厂商较少,竞争格局较为明朗。根据产业链调研数据以及集微咨询的测算,碳化硅加工工艺为生长-切片-磨平-抛光-外延,其中长晶过程中设备成本约占设备投资的50%, 那么2021-2023 年长晶设备增量空间在 30~60 亿元左右,切磨抛设备空间合计 30-60 亿元,外延设备增量空间 35~40 亿元左右,合计碳化硅加工设备市场空间达 95~160 亿元。

目前全球半导体设备市场主要由国外厂商主导,行业高度垄断。据中国电子专用设备工业协会的统计数据,2020年国产半导体设备自给率17%,到国内集成电路设备的国内市场自给率仅5%,在全球市场仅占1-2%。在技术含量最高的集成电路前道设备市场上自给率更低,未来可发展空间大,随着下游企业密集上市或启动再融资计划,半导体硅片产业进入投资高峰期,设备需求有望迎来加速增长。

(三)蓝宝石长晶设备

1、蓝宝石需求市场分析

蓝宝石晶体材料是现代工业重要的基础材料,具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性,强度大、硬度大、耐腐蚀,可在接近2000摄氏度高温下工作,在紫外、可见光、红外、微波波段均有良好的透过率,被广泛应用于各类消费类电子产品、智能穿戴设备、高强度激光、航空航天及大规模集成电路SOI和SOS等领域。蓝宝石单晶最常用的用途就是作为红外光学材料、电子器件和高温超导薄膜的基片和衬底材料,尤其是近年来在LED领域大放异彩。LED具有寿命长、效率高,配套电路简单等优点,应用涉及到照明光源、通讯光源、装饰、景观等多个行业。目前,蓝宝石主要作为GaN基蓝色LED及激光二极管的衬底材料。但是,由于高亮度的LED要求晶体表面的光滑性,中国所使用的LED蓝宝石衬底大部分仍然需要从美国、日本等国家进口,使得高亮度的LED材料价格居高不下。

LED衬底材料是蓝宝石重要的应用。基于蓝宝石衬底的LED技术发展迅猛,占据了LED衬底市场90%以上的份额;同时,蓝宝石的产能70%以上用于外延片衬底,二者相关度高需求波动拉动LED景气行情,小间距为下一个爆发应用。从历史上看,LED背光和LED照明两次应用爆发,刺激了LED行业的迅速增长,而小间距有成为下一个应用爆款。从产业链看,需求爆发刺激LED封装厂,LED封装对上游需求旺盛从而推动LED芯片市场景气,并带动蓝宝石基板销量上升。

由于在透红外光和抗划伤等方面的突出优势,蓝宝石在消费电子产品上的应用具有非常广阔的市场空间。目前,蓝宝石已经大规模应用在智能手机的摄像头、HOME键以及智能穿戴设备的防护盖板上,需求量相对稳定。随着5G智能手机的全面换机潮来袭,以华为、小米为代表的部分蓝宝石智能手机将会给蓝宝石带来一个相对良好的增长空间。

受益于LED行业和消费电子行业巨大需求,蓝宝石材料需求量持续平稳增加,全球蓝宝石市场规模将继续扩大。2017年,全球蓝宝石行业市场规模达到33亿美元,2018年市场规模为46亿美元,2019年市场规模约为54亿美元,由于蓝宝石市场比较成熟,部分厂商早期已经有较多的备货,因此供需关系稳定,近期并无较大市场需求变化。

行业产能的普遍提升、蓝宝石材料制造成本以及销售价格的下降,未来蓝宝石材料在LED衬底、消费类电子产品领域将迎来进一步发展机会,配套装备也将逐步打开市场。首先,LED蓝宝石衬底仍然将占据主导地位,从产效比综合考量,LED蓝宝石衬底将逐步由2英寸向更大尺寸演进,典型生产商已经开始布局过渡以适应向大尺寸演进的趋势;同时,多个智能手机品牌不约而同的选用蓝宝石材料,使其在消费类电子产品上的应用进入甜蜜期。基于蓝宝石技术不断升级和应用市场的快速扩大,4英寸、6英寸衬底晶片由于在生产利用率上的先天优势,将更多的被国内主流芯片企业所采用,但由于库存原因,蓝宝石市场一直保持较为稳定的态势。

综上所述,硅长晶炉2021-2022年的市场增量约为110亿元到 180 亿元之间,重点布局的碳化硅长晶炉2021-2023年市场增量空间在 30~60 亿元左右,且具有较大的上升空间。

(四)竞争格局

目前国外厂商的长晶设备技术领先,也占据了大部分的市场份额。国际长晶设备厂商代表主要有德国PVA TePla AG及韩国S-tech等,领跑全球长晶设备行业。国内企业近几年进步较大,但是与国际巨头相比,规模和市场份额仍然偏小。国内厂商代表有晶升能源、晶盛机电、北方华创、连城数控等。基于半导体材料的发展,第三代半导体材料碳化硅为当前研究热点,各设备厂商也纷纷布局碳化硅长晶设备。当前能够生产碳化硅长晶设备的代表厂商主要为德国PVA TePla AG、晶盛机电、北方华创、晶升能源等公司。在下游应用领域中,国内厂商生产的长晶设备主要服务于晶体硅太阳能光伏产业,在此领域已具备一定的市场竞争力;在半导体集成电路长晶设备方面,部分厂商在6-8英寸单晶炉已实现国产替代,但12英寸单晶炉与国际水平仍存在差距,国内能够供应12英寸单晶炉的供应商目前数量很少。

(五)单晶炉主要生产厂商

1、南京晶升能源

晶升能源是一家专业从事半导体级硅单晶,化合物半导体单晶材料设备生产的公司。公司涉及的业务包括专用半导体材料生长设备的研发、制造、销售,并且提供包含热场的工艺包的设计、改造升级,还可为客户提供生产工艺数据采集分析系统。主营产品包括半导体级单晶炉(8英寸、12英寸)、半导体级硅材料高温生长炉、半导体化合物(砷化镓、碳化硅)长晶炉、蓝宝石长晶炉及其他定制设备。公司的产品目前已经通过硅产业集团,立昂微,神工半导体等客户验收,现已开始批量供货,是国内具备半导体级12英寸硅片量产的主要长晶设备商,生产的硅片已经通过下游半导体芯片客户认证使用。2018公司完成碳化硅设备的开发及样机测试,目前已在三安北电,山东天岳,东尼电子,中电化合物等多家国内知名企业批量使用,美国 LAM开发的硅材料高温定制生长炉也通过客户验收。公司半导体级单晶炉、硅材料高温生长炉、半导体化合物长晶炉已获得了国内外半导体产业的高端客户群的认可,并已建立了良好的品牌知名度。晶升能源凭借深厚的研发实力和较高的品牌影响力,多项产品入选江苏省科技成果转化项目、江苏省高端装备赶超工程项目。

2、德国PVA TePla AG

PVA TePla AG成立于1991年,是世界领先的高科技工艺设备供应商,主营业务包含真空和氮化系统、扫描声学显微镜、计量和等离子解决方案、晶体生长系统、真空处理服务和精密研究设备。PVA CGS是PVA TePla AG的子公司,成立以来一直是世界晶体生长系统的领先提供商。在Cz(Czochralski)、FZ(浮区)、高温气相沉积(HTCVD)、物理蒸气传输(PVT)和VGF(垂直梯度冻结)技术领域上拥有领先地位,致力于硅、碳化硅、锗、化合物半导体和氟化钙单晶生长系统的开发和设计,产品主要应用于半导体行业及光伏行业。

3、韩国S-TECH 

S-TECH成立于1990年,是世界领先的半导体及光伏单晶炉设备供应商。公司拥有世界一流的研发中心和生产部门,提供设备设计、生产、运输,安装和新产品开发的一站式解决方案服务。1993成立真空事业部,生产高真空设备。经过多年的研发投入,S-TECH于2008年成功商业化硅长晶设备,2015成功生产了韩国最长的铸锭,2016年进入中国半导体长晶设备市场。

4、晶盛机电

浙江晶盛机电股份有限公司成立于2006年12月,是国内领先的半导体材料装备和LED衬底材料制造的高新技术企业,国内大硅片制造的设备龙头企业。主营产品包括全自动单晶生长炉、多晶铸锭炉、区熔硅单晶炉、蓝宝石炉等晶体生长设备,开发并销售晶体加工、光伏电池和组件等装备。在半导体产业实现8-12英寸大硅片制造用晶体生长及加工装备的国产化,在半导体材料装备具有领先地位。公司的单晶炉和多晶炉被评为国家重点新产品,“全自动单晶硅生长炉”入选第三批制造业单项冠军产品,连续四年中国半导体设备十强企业排名前三,已获国家专利近400项。

5、北方华创

北方华创科技集团股份有限公司成立于2001年09月,是由北京七星华创电子股份有限公司和北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司战略重组而成,是目前国内集成电路高端工艺装备的先进企业。北方华创主营半导体装备、真空装备、新能源锂电装备及精密元器件业务,为半导体、新能源、新材料等领域提供解决方案。北方华创现有四大产业制造基地,营销服务体系覆盖欧、美、亚等全球主要国家和地区。北方华创秉承七星电子和北方微电子的多年高科技研发实力,实现资源整合和优势互补,致力于成为国际领先的高端电子工艺装备和精密电子元器件两大基础电子产品服务商。

6、连城数控

大连连城数控机器股份有限公司成立于2007年,专注于光伏与半导体产业的高端装备制造。业务涉及技术领域包括单晶硅材料生长、硅材料切磨加工、硅片自动清洗与刻蚀、工业微波加热技术、半导体薄膜生长(ALD、PECVD、LPCVD等)、氩气净化回收、软件开发、机器视觉与人工智能、机械自动化及智能工厂等。多年来,在光伏与半导体装备技术领域持续开拓创新。

连城晶体科技有限公司(LCT),是世界领先的光伏与半导体产业用直拉单晶炉的设计、研发、制造商。专注于硅、锗、砷化镓和锑化铟(InSb)等单晶材料生长设备的研发与制造。公司的历史可以追溯到1946年,当时来自纽约州罗切斯特的亨利·赫姆贝格尔设立了Hemberger机械公司从事于锯削设备研发。1952年公司更名为HAMCON设备机械公司,研发用于医疗行业领域的精密锯削设备,同时该设备也同样适用于半导体行业晶硅材料的切割。1971年Kayex品牌发布,1973年第一台以Kayex品牌命名的晶体生长炉问世,1998年合并至SPX集团,2013年连城数控将Kayex品牌及研发中心收购至旗下。公司拥有在行业内超过30年以上的设计、安装、调试等单晶炉系统相关工作经验的员工,在行业一直保持领先地位。

爱集微

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