韩媒最新报道显示,当前半导体核心部件的交货周期已长达6个月,相比此前的2-3个月交期已经翻了两倍有余。另据国际半导体产业协会(SEMI)数据显示,部分晶圆厂设备的交付时间甚至超过2年。

在近日美国半导体设备龙头应用材料举办的2022财年第二季度财报电话会议上,公司总裁兼CEO Gary Dickerson表示,应用材料正在面对供应中的多重挑战,关键问题是硅元件以及设备子系统中某些部件的短缺。Gary Dickerson还表示,应用材料正在通过和供应商加强联系、跟踪客户需求等方式解决短缺问题,这样不仅和供应商加强合作,还设立了能够克服零部件短缺的方案,将在未来几年加速产品交付效率。其首席财务官Brice Hill也提到其库存和发货成本不断上升,导致了公司毛利率的下降。

众所周知,应用材料是全球最大的半导体设备供应商,尤其是在薄膜沉积、离子注入、机械化学抛光(CMP)等设备市场中均占据了举足轻重的份额占比。不仅仅是应用材料遭受着部件短缺带来的收益下降难题,设备龙头泛林、东京电子、ASML等厂商也纷纷表态,直言当前困苦。要知道,这四家厂商可以说基本占据了全球半导体设备行业中的绝大部分市场份额,但这些巨头最新季度的电话会议却显示,其均受到了零部件短缺的影响。

刻蚀设备龙头泛林的首席执行官Timothy M. Archer也表示,公司正面临着物流和运费上涨、镍 / 铝等大宗商品推动的原材料,以及集成电路成本的增加等问题。同时泛林海提到了关键部件短缺导致的订单积压,以及收入递延的情况。据悉,泛林递延收入已超过20亿美元。Timothy M. Archer认为,若供应不受限制,全球前端晶圆厂设备市场需求或超过1000亿美元,很多无法被满足的需求或将延续至明年。

光刻机龙头ASML首席执行官Peter Wennink针对订单积压表示,半导体行业对光刻机的强劲需求,导致了过去几个季度大量的预定订单,其积压订单金额约290亿欧元,再创历史新高。但意外的是,尽管订单爆满,ASML的毛利率较去年同期仍有所下降。

代工大厂齐扩产引发半导体设备订单满载

半导体设备短缺的背后,是全球晶圆厂大肆扩产带来的半导体设备需求大涨。自2020年缺芯潮出现以来,台积电、三星、英特尔、中芯国际等代工主力大厂相继建厂、扩产。其中台积电在美国、中国大陆、中国台湾和日本全面启动建厂扩产计划,制程覆盖28nm-5nm。在美国亚利桑那州建设5nm制程的12英寸晶圆厂,预计2024年投产;在南京扩建28nm制程产能,预计2022年投产;在中国台湾高雄建设7nm与28nm晶圆厂,预计2024年投产;在日本熊本和索尼共同建设22/28nm晶圆厂,预计2024年投产。

三星于去年宣布将在美国得克萨斯州和韩国平泽建设12英寸晶圆厂,两座晶圆厂制程分别为3nm和5nm,预计将于2023年和2022年投产;英特尔则宣布在美国亚利桑那州、爱尔兰以及德国建设12英寸晶圆厂,并生产基于Intel 7及更先进节点的芯片。

中芯国际与与台积电、三星等传统金圆代工企业相比,核心竞争力优势并不明显。但在国内它有较为充分的专利优势,专利获得量,申请量都在国内居于首位,同时也承载了国内大部分代工订单。在公司的扩产规划和产能分配上,2022年初上海临港新厂破土动工,京城和深圳两个项目稳步推进,预计今年年底投入生产,中芯国际2022年计划产能的增量将会多于2021年。

根据SEMI的预测,2020年至2024年期间,全球将会有86家新晶圆厂或大型晶圆厂扩建项目投产,2022年全球晶圆厂设备总支出将超过800亿美元,全球晶圆厂设备支出有望连续三年创下历史新高。

国产设备厂商保持高增速

值得注意的是,在海外设备大厂因为订单积压等问题苦恼时,中微公司、北方华创等国产设备厂商也借此迎来黄金发展期,多家厂商保持了50%以上的营收增长,远超SEMI预计12%的全球行业增速。

有券商机构统计,2022年Q1 A股设备大厂北方华创、中微公司、盛美上海、华峰测控、长川科技、至纯科技和芯源微等半导体设备公司平均营收同比增长高达63%。其中,营收最高的北方华创和中微公司同比营收增长均超过50%,这说明在半导体设备短缺背后,国产半导体设备公司发育态势正猛。

具体来看,北方华创、晶盛机电、中微公司营收排在前列;从营收增幅来看,基本上全部实现了正增长,其中华峰测控、至纯科技、晶盛机电均实现了100%以上的营收增幅。

从净利润来看,近半数厂商近利润破亿;净利润增幅方面,华峰测控、芯源微分别以355.74%、398.34%的数据遥遥领先。

对于当前行业高景气度以及订单产能等问题的影响,多家厂商也在业绩说明会中给出了各自的回应。北方华创表示,公司目前在手订单较为充足,生产经营正常,预计上半年业绩将保持增长。针对疫情对公司生产和经营的影响,北方华创表示,进口零部件和国产零部件交付周期均有所延长,导致公司半导体设备交付周期可能有所延长。从短期看消费电子下滑导致缺芯缓解,从长期看应不会对国内集成电路行业的资本开支产生影响。

中微公司也针对业绩说明表示,公司2021年新签订单41.3亿元,同比增长90.5%,其中以刻蚀产品为主。在先进制程的刻蚀装备上,中微公司的刻蚀设备在国内主要客户端市场占有率不断提升。在逻辑集成电路制造环节,公司开发的12英寸高端刻蚀设备已运用在国际知名客户65nm到5nm等先进的芯片生产线上;同时,公司根据先进集成电路厂商的需求,已开发出小于5nm刻蚀设备用于若干关键步骤的加工,并已获得行业领先客户的批量订单。

半导体设备供应格局一览:EUV领域难抗衡

虽然国产半导体设备厂商在营收增均上普遍高于应用材料、东京电子、泛林、ASML四家国际龙头,但从营收规模、设备产品线的覆盖程度等比起来均有所不足。

光刻

具体来看,最重要的光刻环节需要用到光刻机(Mask Aligner又名掩模对准曝光机)曝光系统,光刻系统等,是制造芯片的核心装备。它采用类似照片冲印的技术,把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。光刻机是生产大规模集成电路的核心设备,需要掌握深厚的光学和电子工业技术,世界上只有少数厂家掌握,而且光刻机价格昂贵,通常在3千万至5亿美元。极紫外光刻机(EUV)由ASML一家独大,尼康、佳能也仅仅能在深紫外线光刻机(DUV)上与之争锋,国内方面仅有上海微电子较为知名。

光刻环节还要用到涂胶显影设备,以及对准检测设备等。涂胶显影设备是利用机械手实现晶圆在各系统间的传输和加工,与光刻机达成完美配合从而完成晶圆的光刻胶涂覆、固化、显影等工艺过程。国外以东京电子、迪恩士、苏斯微,国内有芯源微较为知名;对准检测设备主要用于光刻工艺中掩模板与晶圆的对准、芯片键合时芯片与基板的对准、表面组装工艺中元器件与PCB基板的对准,也应用于各种加工过程中,如晶圆测试、晶圆划片、各种激光加工工艺中等。KLA、应用材料、Onto占据大部分市场,精测电子、赛腾股份、中微公司等能够在国内排上号。

氧化/扩散

氧化/扩散环节要用到扩散炉、氧化炉等设备,扩散炉用于大规模集成电路、分立器件、电力电子、光电器件和光导纤维等行业的扩散、氧化、退火、合金及烧结等工艺。扩散工艺的主要用途是在高温条件下对半导体晶圆进行掺杂,即将元素磷、硼扩散入硅片,从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布,以便建立起不同的电特性区域。氧化炉为半导体材料进氧化处理,提供要求的氧化氛围,实现半导体设计预期的氧化处理,是半导体加工过程不可或缺的一个环节。国外厂商以应用材料、东京电子、日本日立为主,国内以北方华创、屹唐半导体为主。

刻蚀

刻蚀狭义理解就是光刻腐蚀,先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理,然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。随着微制造工艺的发展,广义上来讲,刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称,成为微加工制造的一种普适叫法。

刻蚀按照被刻蚀材料划分,主要分为硅刻蚀、介质刻蚀以及金属刻蚀。不同的刻蚀材质其所使用的的刻蚀机差距较大。刻蚀机方面泛林、东京电子、应用材料是国外的知名代表,国内则以北方华创、中微公司、屹唐半导体等拥有较多话语权。

清洗

集成电路制造过程中,随着特征尺寸的不断缩小,半导体对杂质含量越来越敏感,难以避免会引入一些颗粒、有机物、金属和氧化物等污染物。清洗关键目的在于减少杂质对芯片良率的影响,实际生产中不仅仅需要提高单次的清洗效率,还需要在几乎所有制程前后都频繁的进行清洗,清洗步骤约占整体步骤的33%。

单片清洗设备跟槽式清洗设备区别在于,前者多用于单晶圆清洗,采用喷雾或声波结合化学试剂对单晶圆进行清洗,能够在制造周期提供更好的工艺控制;另外圆片边缘清洗效果更好,多品种小批量生产的适配性等优点也是单晶圆清洗的优势之一。而槽式清洗设备通常采用槽式的全自动清洗机。这种方法或存在交叉污染、清洗均匀可控性和后续工艺相容性等问题,在45nm工艺周期到来时已经无法适应新的清洗要求,单晶圆清洗开始逐步取代批量清洗。清洗设备方面国外有迪恩士、东京电子、泛林等,国内则由北方华创、盛美半导体、至纯科技主导。

离子注入

离子注入是通过对半导体材料表面进行某种元素的掺杂,从而改变其特性的工艺制程,在泛半导体工业中得到广泛的应用。离子注入设备是高压小型加速器中的一种,应用数量最多。它是由离子源得到所需要的离子,经过加速得到几百千电子伏能量的离子束流,用做半导体材料、大规模集成电路和器件的离子注入,还用于金属材料表面改性和制膜等。常用的生产型离子注入机主要有三种类型:低能大束流注入机、高能注入机和中束流注入机。应用材料、亚舍利科技、SMIT是该领域国外最为知名的代表,国内以中科信、凯世通等更具代表性。

薄膜生长

薄膜生长是集成电路制造中的重要环节,主要应用在电子半导体功能器件和光学镀膜上,总的来说可以分为物理方法(PVD)和化学方法(CVD),两者各有优缺。其中用到的设备包括原子层沉积设备、电镀设备。原子层沉积设备可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。电镀设备主要分为前道铜互连电镀设备和后道先进封装电镀设备。前道铜互连电镀设备针对55nn、40nm、28nm 及20-14nm以下技术节点的前道铜互连镀铜技术Ultra ECP map,主要作用在晶圆上沉淀一层致密、无孔洞、无缝隙和其他缺陷、分布均匀的铜;后道先进封装电镀设备针对先进封装电镀需求进行差异化开发,适用于大电流高速电镀应用, 并采用模块化设计便于维护和控制,减少设备维护保养时间,提高设备使用率。该领域国外由应用材料、Evatec、Ulvac等为主,国内以北方华创为主。

抛光

抛光方面,抛光设备依靠非常细小的抛光粉的磨削、滚压作用,除去试样磨面上的极薄一层金属。抛光常常用于增强产品的外观,防止仪器的污染,除去氧化,创建一个反射表面,或防止腐蚀的管道。在半导体制造的过程中,抛光用于形成平坦,无缺陷的表面,用于在显微镜下检查金属的微观结构。抛光过程中可以使用抛光垫和抛光液。应用材料、Ebara、Evatec是国外的抛光设备代表,华海清科、电科装备45所是国内的代表。

封装测试

封装测试是半导体制造流程中极其重要的收尾工作。半导体封装是利用薄膜细微加工等技术将芯片在基板上布局、固定及连接,并用可塑性绝缘介质灌封后形成电子产品的过程,目的是保护芯片免受损伤,保证芯片的散热性能,以及实现电能和电信号的传输,确保系统正常工作;而半导体测试主要是对芯片外观、性能等进行检测,目的是确保产品质量。具体来看主要的半导体封装测试设备具体包括测试机、分选机、探针机等,泰瑞达、科休、爱德万占据主要市场份额,长川科技、华峰测控、上海中艺是国内的龙头。