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半导体设备及耗材行业研究框架

2020-10-09 09:50:11

基本研究思路:半导体行业从工艺流程上讲解,依次为设计、制造、封装,检测贯穿于以上三个环节,设计环节主要是“智力劳动”及少量检测设备,制造及封装环节涉及到大量的专业设备及各类耗材。从企业的核心竞争力上讲,设计公司的核心竞争力是应用场景,分析中的首要任务是明确该设计公司所设计芯片的应用场景定位,以及该场景的未来潜力(5G、新能车)。制造/封装/检测公司生产各类的设备和耗材,研究过程应首先明确各类设备和耗材的工作原理及技术参数,并与国内外竞争者对比,在对比中发掘公司的优势和不足,业绩则很大程度上取决于技术水平。

半导体设备耗材


基本研究思路:半导体行业从工艺流程上讲解,依次为设计、制造、封装,检测贯穿于以上三个环节,设计环节主要是“智力劳动”及少量检测设备,制造及封装环节涉及到大量的专业设备及各类耗材。从企业的核心竞争力上讲,设计公司的核心竞争力是应用场景,分析中的首要任务是明确该设计公司所设计芯片的应用场景定位,以及该场景的未来潜力(5G、新能车)。制造/封装/检测公司生产各类的设备和耗材,研究过程应首先明确各类设备和耗材的工作原理及技术参数,并与国内外竞争者对比,在对比中发掘公司的优势和不足,业绩则很大程度上取决于技术水平。

半导体设备行业下游客户是晶圆代工厂,需求源于晶圆代工厂的固定资产投资,具有明显的周期性。经分析全球主要半导体设备商及全球主要晶圆代工厂表明,目前全球设备行业处于扩张期。主要表现为:(1)全球5大半导体设备供应商销售额从2019年Q3开始触底反弹;(2)台积电、联电等晶圆代工厂资本开支从2019年持续增加。


(二)半导体设备细分行业市场规模

半导体制造涉及刻蚀机、光刻、薄膜沉积(物理沉积、化学沉积)、过程控制、表面处理、涂胶去胶、热处理、离子注入、抛光等环节。其中,光刻、刻蚀、薄膜沉积、过程控制占据了70%以上的市场规模,这也给我们指出了未来投资的主要方向。

从集中度上看,全球前5大半导体设备供应商阿斯麦(ASML)、拉姆研究(LRCX)、科磊半导体(KLAC)、美国应用材料(AMAT)、东京电子(TEL)占据了全球半球半导体市场69%的份额。在刻蚀、光刻、涂胶去胶、薄膜沉积4大领域CR5均超过70%,说明以上环节技术含量较高,若国内企业在以上环节有所突破,应重点关注。

(三)中国半导体设备总规模及细分市场规模

2020~2022年国内的晶圆厂商总投资金额约1500、1400、1200亿元,其中内资晶圆厂商投资金额约1000、1200、1100亿元。2020~2022年国内的晶圆厂商投资额将是历史上最高的三年,且未来还有新增项目的可能。可见,未来中国国内的晶圆厂商投资处于上升期,且国有投资占比越来越高,这对国产半导体设备是非常明显的利好。

半导体行业固定资产投资中,20%—30%将用于厂房建设,70%—80%将用于设备投资。厂房建设中包括设计、土建实施、洁净室分工,设备投资涉及硅片制造、晶圆加工、封装测试。考虑厂房投资之后,前5大投资占比分别为:薄膜沉积设备、光刻设备、刻蚀设备、检测设备、洁净室设备。


将2020年—2022年中国半导体行业固定资产投资分解到各细分设备行业,可得未来3年每个细分行业的市场规模。


根据半导体制造工艺流程,中国大陆企业基本都有布局,但整体水平距国际头部厂商差距较大。具体领域中,清洗、抛光、封装环节因技术难度较低,所以国产替代的进程率先从该部分发起,而光刻机、刻蚀机、过程控制等技术难度较大的领域,国内水平与国际先进水平项目相差2代—3代甚至空白,未来研究要重点跟踪重点企业在关键技术上的突破,相信这些企业在股价表现上有不俗的表现。

占据赛道最多的公司:北方华创。北方华创占据半导体设备中的4个关键赛道,在刻蚀设备、PVD/CVD设备、氧化/扩散设备、清洗设备等多个关键领域取得技术突破,打破了国外巨头垄断,在半导体设备领域获得广泛应用,成为国内主流半导体设备供应商。

国内蚀刻设备技术水平最高的公司:中微公司。“中微公司”占据了薄膜沉积和刻蚀两个关键赛道,尤其是其CCP、ICP和“硅刻蚀”设备技术比肩国际龙头,已被广泛应用于国际一线客户65纳米到5纳米工艺,18年下半年氮化镓基LED MOCVD设备全球的市场占有率超过6成。但需要注意的是,评价刻蚀设备水平高低有两个关键指标,一个是蚀刻的“最小宽度”,另一个是蚀刻的“深度”即“选择比”。中微电子刻蚀机虽然已经达到了5nm,但是在选择比方面较国际先进水平依然差距较大。

上市公司布局光刻设备的企业:“芯微源”。“芯微源”的产品包括光刻工序涂胶显影设备(涂胶/显影机、喷胶机)和单片式湿法设备(清洗机、去胶机、湿法刻蚀机)两大板块,是国内集成电路工艺设备企业中定位于涂胶显影设备的厂商。

A股检测三巨头:精测电子、华峰检测、长川科技。精测电子主要布局了前道的测量设备和后道检测设备,并在中标长江存储。华峰检测布局在前道、后道测试机领域,后道测试份额国内。长川科技主要布局在后道测试机,同时也是国内少数在探针台布局的上市公司。

离子注入细分领域的种子选手:万业企业。目前公司离子注入机主要用于光伏行业,但国内仅有万业企业旗下的“凯世通”和北京中科信电子装备有限公司具备离子注入机的研发和制造能力,后续应重点关注。



两大晶圆制造企业:沪硅产业和中环股份。沪硅产业是中国大陆率先实现300mm半导体硅片规模化销售的企业。而中环股份的300mm也已经对外销售。

至纯科技:公司为下游企业提供整体解决方案的业务,属于特定行业的系统集成业务,是制造业企业新建厂房和生产线的固定资产投资的重要组成部分。公司也生产清洗设备。但是纵观公司主要业务科技含量低于行业平均水平。

(二)半导体设备细分赛道技术研究

1、涂胶显影行业

(1)设备分类

涂胶显影设备包括涂胶机、喷胶机和显影机。涂胶/显影机作为光刻机曝光前光刻胶涂覆和曝光后图形的显影,主要通过机械手使晶圆在各系统之间传输和处理,从而完成晶圆的光刻胶涂覆、固化、显影、坚膜等工艺过程。喷胶机是一种能覆盖不规则表面晶圆的光刻胶涂覆设备,可以有效、均匀的涂覆带有沟槽的晶片表面。去胶机用于曝光后清除光刻胶。


光刻公司涂胶显影设备行业通用评价标准主要是:①产能、②平均故障间隔时间、③胶膜涂敷均匀性、④显影精细度、⑤热板温度均匀性、⑥工艺实用性等。国内企业在前道的技术差距比后道的技术差距大。在前道领域,国内的产品系列没有国外产品系列完整(PI、Barc、SOC、SOD、I-line、KrF、KrFi、ArF、ArFi)。

 

(二)薄膜沉积设备

半导体制造中的薄膜沉积是指任何在硅片衬底上沉积一层膜的工艺,这层膜可以是导体、绝缘物质或者半导体材料。薄膜沉积有化学和物理工艺之分,具体而言可分为化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、其他沉积(3%)三大类。

1、化学气相沉积分类


光刻公司涂胶显影设备行业通用评价标准主要是:①产能、②平均故障间隔时间、③胶膜涂敷均匀性、④显影精细度、⑤热板温度均匀性、⑥工艺实用性等。国内企业在前道的技术差距比后道的技术差距大。在前道领域,国内的产品系列没有国外产品系列完整(PI、Barc、SOC、SOD、I-line、KrF、KrFi、ArF、ArFi)。

 

(二)薄膜沉积设备

半导体制造中的薄膜沉积是指任何在硅片衬底上沉积一层膜的工艺,这层膜可以是导体、绝缘物质或者半导体材料。薄膜沉积有化学和物理工艺之分,具体而言可分为化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、其他沉积(3%)三大类。

1、化学气相沉积分类


3)逻辑芯片——大马士革技术解决先进制程中铜互连问题

在铜作为金属互连材料之前,一般是通过对铝进行一般的干法刻蚀完成互连,然而铜是一种稳定金属,在与刻蚀气体反应时不会产生挥发性的副产品,因此不能像铝那样使用干法刻蚀工艺直接刻蚀铜,以形成金属互连线图形。目前业界采用的解决方案是由IBM在1997年研发成功的大马士革工艺。

大马士革工艺具体步骤:各向异性刻蚀来刻蚀层间电介质层→沉积一层薄的阻挡金属膜,电镀Cu层(填满整个氧化硅凹槽)→机械抛光去除多余的Cu→沉积一层刻蚀停止层和电介质层→各向异性刻蚀来刻蚀层间电介质层,电镀Cu→CMP抛光多余的Cu。


(四)封装

1、封装的技术路线

(1)第1代封装方式:wire bond(俗称,打线),该封装工艺主要通过金属细线链接pad和基板。


(四)封装

1、封装的技术路线

(1)第1代封装方式:wire bond(俗称,打线),该封装工艺主要通过金属细线链接pad和基板。


(2)第1.5代封装:CSP

wire bond中,有一个很大的问题,就是最终出来的芯片比实际的芯片要大很多,因为lead frame和芯片之间是有距离的。为了解决这个问题,人们发明了CSP封装技术。它的思想很简单,就是去掉lead frame,用一块基板代替。


(3)第二代封装技术:Flip Chip(倒装封装)

重新布局芯片pad的位置,利用和芯片制造中相同的后段技术,将边缘部位的pad,安排到芯片中央来。这样重新分配pad布局的过程叫做RDL(re-distribution layer),准确的说它是指连接新pad和旧pad的这一层,但是大家在使用的时候,就不再区分,直接把这个过程叫做RDL。

在球形pad形成之前,整个wafer还没有被切割,所以这些都是批量操作,成本特别低。这些操作完成后再进行晶圆级别的测试。也正是因为bump过程是在wafer上制作的,所以大家都把它叫做WLCSP(wafer level CSP)。


②integrated Fan-out 封装方式

即多个芯片集成封装。就是将多个芯片放在一起封装。将这两种技术合成在一起就是InFO封装方式。

Multi InFO工艺运用了芯片制作里面的金属层布线的原理,在基板里面布线,然后将需要的连接在基板就完成,最后在基板的底部连接处焊接球。这样就可以达到,既可以将多个芯片封装在一起,也可以应付pin脚多的情况。


InFO-PoP结构中两个芯片是垂直放置,现在这种封装技术只是使用在高端芯片中,比如苹果的A12等。台积电封装业务的很大一部分盈利都是靠InFO来的。



InFO-PoP结构中两个芯片是垂直放置,现在这种封装技术只是使用在高端芯片中,比如苹果的A12等。台积电封装业务的很大一部分盈利都是靠InFO来的。

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