韓媒最新報道顯示,當前半導體核心部件的交貨周期已長達6個月,相比此前的2-3個月交期已經翻了兩倍有余。另據國際半導體產業協會(SEMI)數據顯示,部分晶圓廠設備的交付時間甚至超過2年。

在近日美國半導體設備龍頭應用材料舉辦的2022財年第二季度財報電話會議上,公司總裁兼CEO Gary Dickerson表示,應用材料正在面對供應中的多重挑戰,關鍵問題是硅元件以及設備子系統中某些部件的短缺。Gary Dickerson還表示,應用材料正在通過和供應商加強聯系、跟蹤客戶需求等方式解決短缺問題,這樣不僅和供應商加強合作,還設立了能夠克服零部件短缺的方案,將在未來幾年加速產品交付效率。其首席財務官Brice Hill也提到其庫存和發貨成本不斷上升,導致了公司毛利率的下降。

眾所周知,應用材料是全球最大的半導體設備供應商,尤其是在薄膜沉積、離子注入、機械化學拋光(CMP)等設備市場中均占據了舉足輕重的份額占比。不僅僅是應用材料遭受著部件短缺帶來的收益下降難題,設備龍頭泛林、東京電子、ASML等廠商也紛紛表態,直言當前困苦。要知道,這四家廠商可以說基本占據了全球半導體設備行業中的絕大部分市場份額,但這些巨頭最新季度的電話會議卻顯示,其均受到了零部件短缺的影響。

刻蝕設備龍頭泛林的首席執行官Timothy M. Archer也表示,公司正面臨著物流和運費上漲、鎳 / 鋁等大宗商品推動的原材料,以及集成電路成本的增加等問題。同時泛林海提到了關鍵部件短缺導致的訂單積壓,以及收入遞延的情況。據悉,泛林遞延收入已超過20億美元。Timothy M. Archer認為,若供應不受限制,全球前端晶圓廠設備市場需求或超過1000億美元,很多無法被滿足的需求或將延續至明年。

光刻機龍頭ASML首席執行官Peter Wennink針對訂單積壓表示,半導體行業對光刻機的強勁需求,導致了過去幾個季度大量的預定訂單,其積壓訂單金額約290億歐元,再創歷史新高。但意外的是,盡管訂單爆滿,ASML的毛利率較去年同期仍有所下降。

代工大廠齊擴產引發半導體設備訂單滿載

半導體設備短缺的背后,是全球晶圓廠大肆擴產帶來的半導體設備需求大漲。自2020年缺芯潮出現以來,臺積電、三星、英特爾、中芯國際等代工主力大廠相繼建廠、擴產。其中臺積電在美國、中國大陸、中國臺灣和日本全面啟動建廠擴產計劃,制程覆蓋28nm-5nm。在美國亞利桑那州建設5nm制程的12英寸晶圓廠,預計2024年投產;在南京擴建28nm制程產能,預計2022年投產;在中國臺灣高雄建設7nm與28nm晶圓廠,預計2024年投產;在日本熊本和索尼共同建設22/28nm晶圓廠,預計2024年投產。

三星于去年宣布將在美國得克薩斯州和韓國平澤建設12英寸晶圓廠,兩座晶圓廠制程分別為3nm和5nm,預計將于2023年和2022年投產;英特爾則宣布在美國亞利桑那州、愛爾蘭以及德國建設12英寸晶圓廠,并生產基于Intel 7及更先進節點的芯片。

中芯國際與與臺積電、三星等傳統金圓代工企業相比,核心競爭力優勢并不明顯。但在國內它有較為充分的專利優勢,專利獲得量,申請量都在國內居于首位,同時也承載了國內大部分代工訂單。在公司的擴產規劃和產能分配上,2022年初上海臨港新廠破土動工,京城和深圳兩個項目穩步推進,預計今年年底投入生產,中芯國際2022年計劃產能的增量將會多于2021年。

根據SEMI的預測,2020年至2024年期間,全球將會有86家新晶圓廠或大型晶圓廠擴建項目投產,2022年全球晶圓廠設備總支出將超過800億美元,全球晶圓廠設備支出有望連續三年創下歷史新高。

國產設備廠商保持高增速

值得注意的是,在海外設備大廠因為訂單積壓等問題苦惱時,中微公司、北方華創等國產設備廠商也借此迎來黃金發展期,多家廠商保持了50%以上的營收增長,遠超SEMI預計12%的全球行業增速。

有券商機構統計,2022年Q1 A股設備大廠北方華創、中微公司、盛美上海、華峰測控、長川科技、至純科技和芯源微等半導體設備公司平均營收同比增長高達63%。其中,營收最高的北方華創和中微公司同比營收增長均超過50%,這說明在半導體設備短缺背后,國產半導體設備公司發育態勢正猛。

具體來看,北方華創、晶盛機電、中微公司營收排在前列;從營收增幅來看,基本上全部實現了正增長,其中華峰測控、至純科技、晶盛機電均實現了100%以上的營收增幅。

從凈利潤來看,近半數廠商近利潤破億;凈利潤增幅方面,華峰測控、芯源微分別以355.74%、398.34%的數據遙遙領先。

對于當前行業高景氣度以及訂單產能等問題的影響,多家廠商也在業績說明會中給出了各自的回應。北方華創表示,公司目前在手訂單較為充足,生產經營正常,預計上半年業績將保持增長。針對疫情對公司生產和經營的影響,北方華創表示,進口零部件和國產零部件交付周期均有所延長,導致公司半導體設備交付周期可能有所延長。從短期看消費電子下滑導致缺芯緩解,從長期看應不會對國內集成電路行業的資本開支產生影響。

中微公司也針對業績說明表示,公司2021年新簽訂單41.3億元,同比增長90.5%,其中以刻蝕產品為主。在先進制程的刻蝕裝備上,中微公司的刻蝕設備在國內主要客戶端市場占有率不斷提升。在邏輯集成電路制造環節,公司開發的12英寸高端刻蝕設備已運用在國際知名客戶65nm到5nm等先進的芯片生產線上;同時,公司根據先進集成電路廠商的需求,已開發出小于5nm刻蝕設備用于若干關鍵步驟的加工,并已獲得行業領先客戶的批量訂單。

半導體設備供應格局一覽:EUV領域難抗衡

雖然國產半導體設備廠商在營收增均上普遍高于應用材料、東京電子、泛林、ASML四家國際龍頭,但從營收規模、設備產品線的覆蓋程度等比起來均有所不足。

光刻

具體來看,最重要的光刻環節需要用到光刻機(Mask Aligner又名掩模對準曝光機)曝光系統,光刻系統等,是制造芯片的核心裝備。它采用類似照片沖印的技術,把掩膜版上的精細圖形通過光線的曝光印制到硅片上。光刻機是生產大規模集成電路的核心設備,需要掌握深厚的光學和電子工業技術,世界上只有少數廠家掌握,而且光刻機價格昂貴,通常在3千萬至5億美元。極紫外光刻機(EUV)由ASML一家獨大,尼康、佳能也僅僅能在深紫外線光刻機(DUV)上與之爭鋒,國內方面僅有上海微電子較為知名。

光刻環節還要用到涂膠顯影設備,以及對準檢測設備等。涂膠顯影設備是利用機械手實現晶圓在各系統間的傳輸和加工,與光刻機達成完美配合從而完成晶圓的光刻膠涂覆、固化、顯影等工藝過程。國外以東京電子、迪恩士、蘇斯微,國內有芯源微較為知名;對準檢測設備主要用于光刻工藝中掩模板與晶圓的對準、芯片鍵合時芯片與基板的對準、表面組裝工藝中元器件與PCB基板的對準,也應用于各種加工過程中,如晶圓測試、晶圓劃片、各種激光加工工藝中等。KLA、應用材料、Onto占據大部分市場,精測電子、賽騰股份、中微公司等能夠在國內排上號。

氧化/擴散

氧化/擴散環節要用到擴散爐、氧化爐等設備,擴散爐用于大規模集成電路、分立器件、電力電子、光電器件和光導纖維等行業的擴散、氧化、退火、合金及燒結等工藝。擴散工藝的主要用途是在高溫條件下對半導體晶圓進行摻雜,即將元素磷、硼擴散入硅片,從而改變和控制半導體內雜質的類型、濃度和分布,以便建立起不同的電特性區域。氧化爐為半導體材料進氧化處理,提供要求的氧化氛圍,實現半導體設計預期的氧化處理,是半導體加工過程不可或缺的一個環節。國外廠商以應用材料、東京電子、日本日立為主,國內以北方華創、屹唐半導體為主。

刻蝕

刻蝕狹義理解就是光刻腐蝕,先通過光刻將光刻膠進行光刻曝光處理,然后通過其它方式實現腐蝕處理掉所需除去的部分。隨著微制造工藝的發展,廣義上來講,刻蝕成了通過溶液、反應離子或其它機械方式來剝離、去除材料的一種統稱,成為微加工制造的一種普適叫法。

刻蝕按照被刻蝕材料劃分,主要分為硅刻蝕、介質刻蝕以及金屬刻蝕。不同的刻蝕材質其所使用的的刻蝕機差距較大。刻蝕機方面泛林、東京電子、應用材料是國外的知名代表,國內則以北方華創、中微公司、屹唐半導體等擁有較多話語權。

清洗

集成電路制造過程中,隨著特征尺寸的不斷縮小,半導體對雜質含量越來越敏感,難以避免會引入一些顆粒、有機物、金屬和氧化物等污染物。清洗關鍵目的在于減少雜質對芯片良率的影響,實際生產中不僅僅需要提高單次的清洗效率,還需要在幾乎所有制程前后都頻繁的進行清洗,清洗步驟約占整體步驟的33%。

單片清洗設備跟槽式清洗設備區別在于,前者多用于單晶圓清洗,采用噴霧或聲波結合化學試劑對單晶圓進行清洗,能夠在制造周期提供更好的工藝控制;另外圓片邊緣清洗效果更好,多品種小批量生產的適配性等優點也是單晶圓清洗的優勢之一。而槽式清洗設備通常采用槽式的全自動清洗機。這種方法或存在交叉污染、清洗均勻可控性和后續工藝相容性等問題,在45nm工藝周期到來時已經無法適應新的清洗要求,單晶圓清洗開始逐步取代批量清洗。清洗設備方面國外有迪恩士、東京電子、泛林等,國內則由北方華創、盛美半導體、至純科技主導。

離子注入

離子注入是通過對半導體材料表面進行某種元素的摻雜,從而改變其特性的工藝制程,在泛半導體工業中得到廣泛的應用。離子注入設備是高壓小型加速器中的一種,應用數量最多。它是由離子源得到所需要的離子,經過加速得到幾百千電子伏能量的離子束流,用做半導體材料、大規模集成電路和器件的離子注入,還用于金屬材料表面改性和制膜等。常用的生產型離子注入機主要有三種類型:低能大束流注入機、高能注入機和中束流注入機。應用材料、亞舍利科技、SMIT是該領域國外最為知名的代表,國內以中科信、凱世通等更具代表性。

薄膜生長

薄膜生長是集成電路制造中的重要環節,主要應用在電子半導體功能器件和光學鍍膜上,總的來說可以分為物理方法(PVD)和化學方法(CVD),兩者各有優缺。其中用到的設備包括原子層沉積設備、電鍍設備。原子層沉積設備可以將物質以單原子膜形式一層一層的鍍在基底表面的方法。電鍍設備主要分為前道銅互連電鍍設備和后道先進封裝電鍍設備。前道銅互連電鍍設備針對55nn、40nm、28nm 及20-14nm以下技術節點的前道銅互連鍍銅技術Ultra ECP map,主要作用在晶圓上沉淀一層致密、無孔洞、無縫隙和其他缺陷、分布均勻的銅;后道先進封裝電鍍設備針對先進封裝電鍍需求進行差異化開發,適用于大電流高速電鍍應用, 并采用模塊化設計便于維護和控制,減少設備維護保養時間,提高設備使用率。該領域國外由應用材料、Evatec、Ulvac等為主,國內以北方華創為主。

拋光

拋光方面,拋光設備依靠非常細小的拋光粉的磨削、滾壓作用,除去試樣磨面上的極薄一層金屬。拋光常常用于增強產品的外觀,防止儀器的污染,除去氧化,創建一個反射表面,或防止腐蝕的管道。在半導體制造的過程中,拋光用于形成平坦,無缺陷的表面,用于在顯微鏡下檢查金屬的微觀結構。拋光過程中可以使用拋光墊和拋光液。應用材料、Ebara、Evatec是國外的拋光設備代表,華海清科、電科裝備45所是國內的代表。

封裝測試

封裝測試是半導體制造流程中極其重要的收尾工作。半導體封裝是利用薄膜細微加工等技術將芯片在基板上布局、固定及連接,并用可塑性絕緣介質灌封后形成電子產品的過程,目的是保護芯片免受損傷,保證芯片的散熱性能,以及實現電能和電信號的傳輸,確保系統正常工作;而半導體測試主要是對芯片外觀、性能等進行檢測,目的是確保產品質量。具體來看主要的半導體封裝測試設備具體包括測試機、分選機、探針機等,泰瑞達、科休、愛德萬占據主要市場份額,長川科技、華峰測控、上海中藝是國內的龍頭。