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半導體設備及耗材行業研究框架

2020-10-09 09:50:11

基本研究思路:半導體行業從工藝流程上講解,依次為設計、制造、封裝,檢測貫穿于以上三個環節,設計環節主要是“智力勞動”及少量檢測設備,制造及封裝環節涉及到大量的專業設備及各類耗材。從企業的核心競爭力上講,設計公司的核心競爭力是應用場景,分析中的首要任務是明確該設計公司所設計芯片的應用場景定位,以及該場景的未來潛力(5G、新能車)。制造/封裝/檢測公司生產各類的設備和耗材,研究過程應首先明確各類設備和耗材的工作原理及技術參數,并與國內外競爭者對比,在對比中發掘公司的優勢和不足,業績則很大程度上取決于技術水平。

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基本研究思路:半導體行業從工藝流程上講解,依次為設計、制造、封裝,檢測貫穿于以上三個環節,設計環節主要是“智力勞動”及少量檢測設備,制造及封裝環節涉及到大量的專業設備及各類耗材。從企業的核心競爭力上講,設計公司的核心競爭力是應用場景,分析中的首要任務是明確該設計公司所設計芯片的應用場景定位,以及該場景的未來潛力(5G、新能車)。制造/封裝/檢測公司生產各類的設備和耗材,研究過程應首先明確各類設備和耗材的工作原理及技術參數,并與國內外競爭者對比,在對比中發掘公司的優勢和不足,業績則很大程度上取決于技術水平。

半導體設備行業下游客戶是晶圓代工廠,需求源于晶圓代工廠的固定資產投資,具有明顯的周期性。經分析全球主要半導體設備商及全球主要晶圓代工廠表明,目前全球設備行業處于擴張期。主要表現為:(1)全球5大半導體設備供應商銷售額從2019年Q3開始觸底反彈;(2)臺積電、聯電等晶圓代工廠資本開支從2019年持續增加。


(二)半導體設備細分行業市場規模

半導體制造涉及刻蝕機、光刻、薄膜沉積(物理沉積、化學沉積)、過程控制、表面處理、涂膠去膠、熱處理、離子注入、拋光等環節。其中,光刻、刻蝕、薄膜沉積、過程控制占據了70%以上的市場規模,這也給我們指出了未來投資的主要方向。

從集中度上看,全球前5大半導體設備供應商阿斯麥(ASML)、拉姆研究(LRCX)、科磊半導體(KLAC)、美國應用材料(AMAT)、東京電子(TEL)占據了全球半球半導體市場69%的份額。在刻蝕、光刻、涂膠去膠、薄膜沉積4大領域CR5均超過70%,說明以上環節技術含量較高,若國內企業在以上環節有所突破,應重點關注。

(三)中國半導體設備總規模及細分市場規模

2020~2022年國內的晶圓廠商總投資金額約1500、1400、1200億元,其中內資晶圓廠商投資金額約1000、1200、1100億元。2020~2022年國內的晶圓廠商投資額將是歷史上Z高的三年,且未來還有新增項目的可能??梢?,未來中國國內的晶圓廠商投資處于上升期,且國有投資占比越來越高,這對國產半導體設備是非常明顯的利好。

半導體行業固定資產投資中,20%—30%將用于廠房建設,70%—80%將用于設備投資。廠房建設中包括設計、土建實施、潔凈室分工,設備投資涉及硅片制造、晶圓加工、封裝測試??紤]廠房投資之后,前5大投資占比分別為:薄膜沉積設備、光刻設備、刻蝕設備、檢測設備、潔凈室設備。


將2020年—2022年中國半導體行業固定資產投資分解到各細分設備行業,可得未來3年每個細分行業的市場規模。


根據半導體制造工藝流程,中國大陸企業基本都有布局,但整體水平距國際頭部廠商差距較大。具體領域中,清洗、拋光、封裝環節因技術難度較低,所以國產替代的進程率先從該部分發起,而光刻機、刻蝕機、過程控制等技術難度較大的領域,國內水平與國際先進水平項目相差2代—3代甚至空白,未來研究要重點跟蹤重點企業在關鍵技術上的突破,相信這些企業在股價表現上有不俗的表現。

占據賽道Z多的公司:北方華創。北方華創占據半導體設備中的4個關鍵賽道,在刻蝕設備、PVD/CVD設備、氧化/擴散設備、清洗設備等多個關鍵領域取得技術突破,打破了國外巨頭壟斷,在半導體設備領域獲得廣泛應用,成為國內主流半導體設備供應商。

國內蝕刻設備技術水平Z高的公司:中微公司?!爸形⒐尽闭紦吮∧こ练e和刻蝕兩個關鍵賽道,尤其是其CCP、ICP和“硅刻蝕”設備技術比肩國際龍頭,已被廣泛應用于國際一線客戶65納米到5納米工藝,18年下半年氮化鎵基LED MOCVD設備全球的市場占有率超過6成。但需要注意的是,評價刻蝕設備水平高低有兩個關鍵指標,一個是蝕刻的“Z小寬度”,另一個是蝕刻的“深度”即“選擇比”。中微電子刻蝕機雖然已經達到了5nm,但是在選擇比方面較國際先進水平依然差距較大。

上市公司布局光刻設備的企業:“芯微源”?!靶疚⒃础钡漠a品包括光刻工序涂膠顯影設備(涂膠/顯影機、噴膠機)和單片式濕法設備(清洗機、去膠機、濕法刻蝕機)兩大板塊,是國內集成電路工藝設備企業中定位于涂膠顯影設備的廠商。

A股檢測三巨頭:精測電子、華峰檢測、長川科技。精測電子主要布局了前道的測量設備和后道檢測設備,并在中標長江存儲。華峰檢測布局在前道、后道測試機領域,后道測試份額國內。長川科技主要布局在后道測試機,同時也是國內少數在探針臺布局的上市公司。

離子注入細分領域的種子選手:萬業企業。目前公司離子注入機主要用于光伏行業,但國內僅有萬業企業旗下的“凱世通”和北京中科信電子裝備有限公司具備離子注入機的研發和制造能力,后續應重點關注。



兩大晶圓制造企業:滬硅產業和中環股份。滬硅產業是中國大陸率先實現300mm半導體硅片規?;N售的企業。而中環股份的300mm也已經對外銷售。

至純科技:公司為下游企業提供整體解決方案的業務,屬于特定行業的系統集成業務,是制造業企業新建廠房和生產線的固定資產投資的重要組成部分。公司也生產清洗設備。但是縱觀公司主要業務科技含量低于行業平均水平。

(二)半導體設備細分賽道技術研究

1、涂膠顯影行業

(1)設備分類

涂膠顯影設備包括涂膠機、噴膠機和顯影機。涂膠/顯影機作為光刻機曝光前光刻膠涂覆和曝光后圖形的顯影,主要通過機械手使晶圓在各系統之間傳輸和處理,從而完成晶圓的光刻膠涂覆、固化、顯影、堅膜等工藝過程。噴膠機是一種能覆蓋不規則表面晶圓的光刻膠涂覆設備,可以有效、均勻的涂覆帶有溝槽的晶片表面。去膠機用于曝光后清除光刻膠。


光刻公司涂膠顯影設備行業通用評價標準主要是:①產能、②平均故障間隔時間、③膠膜涂敷均勻性、④顯影精細度、⑤熱板溫度均勻性、⑥工藝實用性等。國內企業在前道的技術差距比后道的技術差距大。在前道領域,國內的產品系列沒有國外產品系列完整(PI、Barc、SOC、SOD、I-line、KrF、KrFi、ArF、ArFi)。

 

(二)薄膜沉積設備

半導體制造中的薄膜沉積是指任何在硅片襯底上沉積一層膜的工藝,這層膜可以是導體、絕緣物質或者半導體材料。薄膜沉積有化學和物理工藝之分,具體而言可分為化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、其他沉積(3%)三大類。

1、化學氣相沉積分類


光刻公司涂膠顯影設備行業通用評價標準主要是:①產能、②平均故障間隔時間、③膠膜涂敷均勻性、④顯影精細度、⑤熱板溫度均勻性、⑥工藝實用性等。國內企業在前道的技術差距比后道的技術差距大。在前道領域,國內的產品系列沒有國外產品系列完整(PI、Barc、SOC、SOD、I-line、KrF、KrFi、ArF、ArFi)。

 

(二)薄膜沉積設備

半導體制造中的薄膜沉積是指任何在硅片襯底上沉積一層膜的工藝,這層膜可以是導體、絕緣物質或者半導體材料。薄膜沉積有化學和物理工藝之分,具體而言可分為化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、其他沉積(3%)三大類。

1、化學氣相沉積分類


3)邏輯芯片——大馬士革技術解決先進制程中銅互連問題

在銅作為金屬互連材料之前,一般是通過對鋁進行一般的干法刻蝕完成互連,然而銅是一種穩定金屬,在與刻蝕氣體反應時不會產生揮發性的副產品,因此不能像鋁那樣使用干法刻蝕工藝直接刻蝕銅,以形成金屬互連線圖形。目前業界采用的解決方案是由IBM在1997年研發成功的大馬士革工藝。

大馬士革工藝具體步驟:各向異性刻蝕來刻蝕層間電介質層→沉積一層薄的阻擋金屬膜,電鍍Cu層(填滿整個氧化硅凹槽)→機械拋光去除多余的Cu→沉積一層刻蝕停止層和電介質層→各向異性刻蝕來刻蝕層間電介質層,電鍍Cu→CMP拋光多余的Cu。


(四)封裝

1、封裝的技術路線

(1)第1代封裝方式:wire bond(俗稱,打線),該封裝工藝主要通過金屬細線鏈接pad和基板。


(四)封裝

1、封裝的技術路線

(1)第1代封裝方式:wire bond(俗稱,打線),該封裝工藝主要通過金屬細線鏈接pad和基板。


(2)第1.5代封裝:CSP

wire bond中,有一個很大的問題,就是Z終出來的芯片比實際的芯片要大很多,因為lead frame和芯片之間是有距離的。為了解決這個問題,人們發明了CSP封裝技術。它的思想很簡單,就是去掉lead frame,用一塊基板代替。


(3)第二代封裝技術:Flip Chip(倒裝封裝)

重新布局芯片pad的位置,利用和芯片制造中相同的后段技術,將邊緣部位的pad,安排到芯片中央來。這樣重新分配pad布局的過程叫做RDL(re-distribution layer),準確的說它是指連接新pad和舊pad的這一層,但是大家在使用的時候,就不再區分,直接把這個過程叫做RDL。

在球形pad形成之前,整個wafer還沒有被切割,所以這些都是批量操作,成本特別低。這些操作完成后再進行晶圓級別的測試。也正是因為bump過程是在wafer上制作的,所以大家都把它叫做WLCSP(wafer level CSP)。


②integrated Fan-out 封裝方式

即多個芯片集成封裝。就是將多個芯片放在一起封裝。將這兩種技術合成在一起就是InFO封裝方式。

Multi InFO工藝運用了芯片制作里面的金屬層布線的原理,在基板里面布線,然后將需要的連接在基板就完成,Z后在基板的底部連接處焊接球。這樣就可以達到,既可以將多個芯片封裝在一起,也可以應付pin腳多的情況。


InFO-PoP結構中兩個芯片是垂直放置,現在這種封裝技術只是使用在高端芯片中,比如蘋果的A12等。臺積電封裝業務的很大一部分盈利都是靠InFO來的。



InFO-PoP結構中兩個芯片是垂直放置,現在這種封裝技術只是使用在高端芯片中,比如蘋果的A12等。臺積電封裝業務的很大一部分盈利都是靠InFO來的。

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