2021年全球及中国半导体薄膜沉积设备行业市场现状分析,国产替代高景气「图」

一、半导体薄膜沉积设备分类

薄膜生长:采用物理或化学方法使物质附着于衬底材料表面的过程,常见生长物质包括金属、氧化物、氮化物等不同薄膜。根据工作原理不同,薄膜沉积生长设备可分为:物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和外延三大类。在半导体领域,薄膜主要分给绝缘薄膜、金属薄膜。大部分绝缘薄膜使用CVD,金属薄膜常用PVD(主要是溅射)。薄膜设备中,CVD使用越来越广泛。

薄膜设备分类

薄膜设备分类

资料来源:公开资料整理

二、薄膜沉积设备相关政策法规

为推动半导体产业发展,增强产业创新能力和国际竞争力,我国近年来推出了一系列鼓励和支持半导体产业发展的政策,为半导体产业的发展营造了良好的政策环境。主要的行业政策法规如下:

薄膜沉积设备相关政策法规

薄膜沉积设备相关政策法规

资料来源:公开资料整理

三、全球半导体薄膜沉积设备行业市场现状分析

薄膜沉积设备(包含CVD及其他沉积设备)在晶圆产线各类设备中的价值占比将稳定在20%以上,据统计,2020年全球半导体薄膜沉积设备市场规模达172亿美元,预计全球半导体薄膜沉积设备市场规模在2025年将从2020年的172亿美元扩大至340亿美元,复合年增速近18.6%。

2017-2025年全球半导体薄膜沉积设备市场规模走势

2017-2025年全球半导体薄膜沉积设备市场规模走势

资料来源:Maximize Market Research,华经产业研究院整理

在硅片衬底上沉积薄膜有多种技术,按工艺主要分为化学工艺和物理工艺。化学工艺包括化学气相沉积(CVD)和电化学沉积(ECD);其中CVD占据大部分薄膜沉积市场。物理工艺主要为物理气相沉积(PVD),其中溅射工艺制备的薄膜更加均匀、致密,对衬底附着性强,纯度更高,逐渐发展为主流,需求占比近19%。

2020年全球各类薄膜沉积设备市场结构(单位:%)

2020年全球各类薄膜沉积设备市场结构(单位:%)

资料来源:Gartner,华经产业研究院整理

相关报告:华经产业研究院发布的《2021-2026年中国半导体薄膜沉积设备行业市场运行态势与投资战略咨询报告

四、中国半导体薄膜沉积设备行业市场现状分析

1、半导体设备销售额

从我国半导体设备销售额来看,2019-2021年,我国大陆地区半导体设备销售额由135亿美元增长至296亿美元,年均复合增长率达48.40%,高于全球增速。

2012-2021年我国半导体设备销售额及增速

2012-2021年我国半导体设备销售额及增速

资料来源:SEMI,华经产业研究院整理

2021年我国半导体设备销售额大幅增长58.23%,大陆地区连续两年成为全球第一大半导体设备市场,占全球半导体设备市场的28.86%。

2020-2021年全球半导体设备销售额地区分布

2020-2021年全球半导体设备销售额地区分布

资料来源:SEMI,华经产业研究院整理

2020年国产半导体设备销售额约为213亿元,自给率约为16%。如仅考虑集成电路设备,国内自给率仅有5%左右,在全球市场仅占1-2%,技术含量最高的集成电路前道设备则自给率更低。半导体设备严重依赖进口不仅影响我国半导体产业的发展,更对我国信息产业安全造成重大隐患,进口替代空间巨大。

2013-2020年我国国产半导体设备销售额及增速

2013-2020年我国国产半导体设备销售额及增速

资料来源:公开资料整理

2、薄膜沉积设备需求现状

随着产线的逐渐升级,晶圆制造的复杂度和工序量都大大提升,在实现相同芯片制造产能的情况下,晶圆厂对薄膜沉积设备的需求量和性能也将相应增加。以中芯国际的不同制程逻辑芯片产线为例,从180nm8寸晶圆产线到90nm12寸晶圆产线,产线对CVD设备的需求量从月产能每万片9.9台增至42台,PVD设备的需求量从月产能每万片4.8台增至24台,需求量提升了4-5倍。

不同制程逻辑芯片产线薄膜沉积设备需求量

不同制程逻辑芯片产线薄膜沉积设备需求量

资料来源:拓荆科技招股说明书,华经产业研究院整理

五、半导体薄膜沉积设备行业竞争格局分析

1、全球半导体薄膜沉积设备竞争格局

全球市场格局方面,以应用材料、泛林半导体、东京电子等国际巨头形成的垄断格局已经较为明显。2020年以上三家在全球沉积设备的市场份额分别达到43%、19%和11%。

2020年全球沉积设备竞争格局(单位:%)

2020年全球沉积设备竞争格局(单位:%)

资料来源:Gartner,华经产业研究院整理

2、全球半导体薄膜沉积设备细分市场格局

2020年全球管式CVD设备市场空间14亿美元,在各类薄膜设备中占比约10%,已逐渐被应用更广的等离子体和原子层沉积技术超过。日本半导体设备厂商东京电子和同业国际电气(已被应用材料收购)在全球管式CVD设备市场中分别占据46%和51%的份额。

2020年全球管式CVD竞争格局(单位:%)

2020年全球管式CVD竞争格局(单位:%)

资料来源:Gartner,华经产业研究院整理

相比于APCVD,LPCVD具有更低的成本、更高的产量和更好的膜性能。2020年全球非管式LPCVD设备市场空间达10亿美元,泛林半导体、东京电子和应用材料分别占据40%、36%和19%的市场份额。

2020年全球LPCVD竞争格局(单位:%)

2020年全球LPCVD竞争格局(单位:%)

资料来源:Gartner,华经产业研究院整理

等离子体辅助CVD,主要包括PECVD和HDPCVD,工作原理是在真空腔中施加射频功率使气体分子分解为等离子体。2020年全球等离子体CVD设备市场空间达47亿美元,远超其他类别的沉积设备。应用材料、泛林半导体的此类设备市占率分别为49%和34%,设备种类更全,在薄膜材料和淀积指标上处在领先地位。

2020年全球等离子体CVD竞争格局(单位:%)

2020年全球等离子体CVD竞争格局(单位:%)

资料来源:Gartner,华经产业研究院整理

原子层沉积(ALD)最大优点是薄膜厚度均匀性,在高深宽比(>100:1)空隙和3D结构的顶部、侧面和底部可以获得相同的膜厚度,缺点是沉积速度慢,约1A/min。2020年全球ALD设备市场空间近18亿美元,在沉积设备市场的份额达到13%,仅次于等离子体CVD和PVD。应用材料、泛林半导体、东京电子等设备巨头均有布局。ASMI的占有率最高,达到46%。

2020年全球ALD竞争格局(单位:%)

2020年全球ALD竞争格局(单位:%)

资料来源:Gartner,华经产业研究院整理

2020年溅射PVD设备的市场空间达到近30亿美元,占比21%,应用仅次于等离子体CVD。应用材料在PVD设备市场具备绝对优势,市场占有率达到85%以上。

2020年全球溅射设备竞争格局(单位:%)

2020年全球溅射设备竞争格局(单位:%)

资料来源:Gartner,华经产业研究院整理

3、国内半导体薄膜沉积设备企业布局情况

目前国内布局沉积设备的厂商主要有沈阳拓荆、北方华创、中微公司与盛美上海,其中沈阳拓荆布局PECVD、SACVD以及ALD,产品已广泛应用于国内14nm以上晶圆制造产线;北方华创布局PVD、APCVD、APCVD以及用于功率等的PECVD、ALD,其中PVD设备独领风骚;中微公司2022年新的针对Mini LED市场的MOCVD将实现0-1放量,WLPCVD研发也取得突出进展;盛美上海前道大马士革ECD设备已实现批量订单;SiN LPCVD客户端进行量产认证,未来有望放量赋能。

国内厂商沉积设备布局情况

国内厂商沉积设备布局情况

资料来源:公开资料整理

4、重点企业经营现状

拓荆科技股份有限公司(简称“拓荆科技”)主要从事高端半导体专用设备的研发、生产、销售和技术服务,主要产品包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备、原子层沉积(ALD)设备、次常压化学气相沉积(SACVD)设备三个产品系列。拓荆科技是国内唯一一家产业化应用的集成电路PECVD设备、SACVD设备厂商,也是国内领先的集成电路ALD设备厂商。

拓荆科技的每台薄膜沉积设备由1个平台(TM)和多个反应腔(PM)组成,PM的数量通常为1-3个。拓荆科技PECVD设备的销量从2018年4台增加到2021年前三季度的23台;ALD设备在2018年实现了1台销量;SACVD设备在2020年、2021年前三季度分别实现了1台销量。

2018-2021年Q3拓荆科技主要产品销量情况

2018-2021年Q3拓荆科技主要产品销量情况

资料来源:公司招股说明书,华经产业研究院整理

拓荆科技销售PECVD设备为一台设备(包含1-3个腔),或者单独销售腔体,将单独销售腔的数量全部折算进设备进行处理分析,计算得到平均每台PECVD设备2018年、2019年、2020年、2021年1-9月平均每台设备配置3腔、2.74腔、2.68腔、2.70腔。

2018-2021年Q3拓荆科技PECVD设备主要型号销量

2018-2021年Q3拓荆科技PECVD设备主要型号销量

资料来源:公司招股说明书,华经产业研究院整理

拓荆科技PECVD设备的两大主力机型为PF-300T、PF-200T,其中PF-300T的销售平均单价(万元/PM+TM)由2018年的349.11万元增加到2020年的373.46万元,主要是因为PF-300T设备中包括了ADCII、LOkII、ADHM等新工艺,使得总体均价提升;PF-200T的销售平均单价(万元/PM+TM)由2018年的245.25万元增加到2020年的346.67万元,主要是因为PF-200T设备中包括了ACHM等新工艺,使得总体均价提升。

拓荆科技PECVD设备主要产品销售价格、销售成本、毛利率变化情况

拓荆科技PECVD设备主要产品销售价格、销售成本、毛利率变化情况

资料来源:公司招股说明书,华经产业研究院整理

六、半导体薄膜沉积设备发展机遇

1、下游应用高速发展,市场需求持续旺盛

纵观半导体行业的发展历史,虽然行业呈现明显的周期性波动,但整体增长趋势并未发生变化,而每一次技术变革是驱动行业持续增长的主要动力。半导体产品的旺盛需求和全行业产能紧缺推动了晶圆制造厂扩大资本开支,扩充产线产能,为半导体设备行业市场需求增长奠定基础。薄膜沉积设备作为集成电路晶圆制造的核心设备,将迎来行业快速发展阶段。

2、集成电路工艺进步,设备需求稳步增加

在摩尔定律的推动下,元器件集成度的大幅提高要求集成电路线宽不断缩小,影响集成电路制造工序愈为复杂。尤其当线宽向7纳米及以下制程发展,当前市场普遍使用的光刻机受波长的限制精度无法满足要求,需要采用多重曝光工艺,重复多次薄膜沉积和刻蚀工序以实现更小的线宽,使得薄膜沉积次数显著增加。除逻辑芯片外,存储器领域的NAND闪存以3DNAND为主,其制造工艺中,增加集成度的主要方法不再是缩小单层上线宽而是增大三维立体堆叠的层数,叠堆层数也从32/64层量产向128/196层发展,每层均需要经过薄膜沉积工艺步骤,催生出更多设备需求。

集成电路尺寸及线宽的缩小、产品结构的立体化及生产工艺的复杂化等因素都对半导体设备行业提出了更高的要求和更多的需求,并为以薄膜沉积设备为代表的核心装备的发展提供了广阔的市场空间。

3、国际竞争日趋激烈,国家政策大力支持

在国际竞争背景下,半导体产业的技术及生产水平,牵动众多对国民经济造成重大影响的行业。因此,全球主要经济体如美国、欧洲、日本、韩国均推出由政府支持的半导体产业发展计划,吸引国际厂商或扶持本土企业扩大在本国的半导体产线投资。国家之间面临激烈竞争,为各国半导体设备企业带来巨大的发展机会。

近年来,我国不断出台包含税收减免、人才培养、科研支持、投资鼓励、产业协同等方面在内的多项半导体行业支持政策,鼓励国内半导体行业内企业向更先进技术水平、更广泛市场领域、更底层核心技术等方面砥砺前行,完善和发展我国半导体产业水平。对于半导体设备行业,这既是前途广阔的市场机会,也是责无旁贷的历史使命。

华经产业研究院对中国半导体设备行业发展现状、市场供需情况等进行了详细分析,对行业上下游产业链、企业竞争格局等进行了深入剖析,最大限度地降低企业投资风险与经营成本,提高企业竞争力;并运用多种数据分析技术,对行业发展趋势进行预测,以便企业能及时抢占市场先机;更多详细内容,请关注华经产业研究院出版的《2022-2027年中国半导体设备行业发展监测及投资战略咨询报告》。

本文采编:CY343

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