半导体周报(国科龙晖整理)-1113-半导体设备概述

1.行业新闻及动态

（1）半导体设计

国产全新5G低功耗射频收发芯片发布：支持30MHz-6GHz频率。地芯科技举行新品发布会，正式发布超宽带、低功耗、高性能、高集成度，且支持Sub6G软件无线电的SDR射频收发机—风行系列，目前已完成量产。风行系列芯片支持30MHz-6GHz频率范围，满足超宽和超窄带宽需求，可配置射频带宽能够支持12KHz到100MHz的范围。

自研芯片V2亮相vivo核心技术研发再获新突破。自研芯片V2带来兼容性和功能性的全面提升，对片上内存单元、AI计算单元、图像处理单元进行大幅升级，提出FIT双芯互联技术。在自研芯片V2与天玑9200旗舰平台之间建立起全新的高速通信机制，使两颗架构和指令集完全不同的芯片在1/100秒内完成双芯互联同步，实现了数据和算力的优化协调与高速协同。

京东方：AR微显示屏幕已实现动态画面显示。京东方MicroLED像素器件在刚刚过去的10月份实现上屏点亮，预计明年就可小规模量产，用于AR近眼显示的微显示屏幕，采用目前行业较为先进的晶圆集成工艺。目前也已实现样品屏幕动态画面显示，公司巨量转移技术与设备厂商联合开发，良率持续提升，进展顺利。

SK海力士开始出货LPDDR5X芯片。业界首款基于HKMG的移动DRAM，这是SK海力士首次在移动DRAM上采用了HKMG工艺，实现了比上一代提高33%的8.5Gbps的运行速度，并大幅降低了耗电量。

德国设备商3D-Micromac获得MicroLED激光剥离系统订单。德国激光微加工及卷绕式激光系统供应商3D-Micromac宣布获得光学解决方案提供商的订单，将向对方供应多台microMIRA™激光剥离（LaserLift-Off，LLO）系统，安装在该客户亚洲LED芯片工厂的试产线和生产线上，用于MicroLED器件的生产。

联发科发布新旗舰SoC天玑9200：能效暴增。天玑9200号称带来了9项全球首发，包括首款台积电第二代4nm制程工艺，首款第二代Armv9架构。首款超大核Cortex-X3@3.05GHz，首款纯64位大核CPU，首款Immortalis-G715硬件光线追踪GPU，首款Wi-Fi7Ready，首款LPDDR5X8533Mbps内存，首款RGBWISP以及首款多循环队列技术加速UFS4.0等。

5GIoT+汽车激光雷达控制芯片，智联安重磅亮相ELEXCON2022。MK8110是智联安自主研发的第一代LTECat.1bis通信芯片，采用28nm工艺，支持3GPPR13通信标准，单芯片集成MCU，基带处理器，模拟单元，射频及电源管理。采用智联安独有的RAMLESS设计，提供无需外置RAM的Cat.1纯数传方案，在Open模式下最大扩展16MBFLASH+16MBPSRAM/并支持USB2.0、安全启动、拍照、显示、语音等丰富功能。

英伟达将在中国推出A800芯片，可用于替代A100芯片。除了互连速度不同，两者之间的规格几乎相同。其中，A800的运行速度是400Gbps，而A100的运行速度是600Gbps，A800芯片的设计似乎是为了避开美国的出口限制，同时仍能实现核心计算能力，A800GPU已于第三季度投入生产。

三星宣布量产236层3DNAND闪存芯片。PCIe5SSD速度可超12GB/s，其输入和输出（I/O）速度高达2.4Gbps（千兆比特每秒），相比上一代提升了1.2倍，这可以满足PCIe4.0和更高版本PCIe5.0的性能要求。

（2）半导体制造及封测

芯片制造商格芯2022年第三季度营收21亿美元，同比增长22%创新高，调整后EBITDA为7.93亿美元（约57.41亿元人民币）。格芯首席执行官ThomasCaulfield表示，300mm等值晶圆出货量为63.7万片，刷新了格芯记录，同比增长5%。

日本富士通拟自行设计2nm芯片，托台积电代工。据《日本经济新闻》报道，富士通首席技术官VivekMahajan周二在一场记者会上表示，该公司计划自行设计2纳米制程的先进半导体，打算委托晶圆代工龙头台积电代为生产。报道指出，富士通目标最快在2026年完成搭载该芯片的节能中央处理器(CPU)。

德国或阻止中资企业收购Elmos芯片厂。总部位于德国多特蒙德的芯片制造商Elmos表示，德国政府很可能会阻止中资企业收购Elmos芯片厂。据报道，德国经济部一直在审查Elmos将工厂出售给竞争对手Silex的交易，Silex是赛微电子位于瑞典的控股子公司。

募资180亿元华虹半导体拟科创板IPO，95nm以上工艺营收占比超60%。截至2022年3月末，三座8英寸晶圆厂和一座12英寸晶圆厂的产能合计达到32.4万片/月（约当8英寸），总产能位居中国大陆第二位。高居科创板IPO募资金额第三位，仅次于中芯国际的532.3亿元和百济神州的221.6亿元，同时这也将是今年以来科创板最大规模的IPO。

德州仪器：成都制造基地封装，测试厂扩建项目年内完成安装调试工作，并于明年第一季度投入运营。全面投产后成都制造基地的封装，测试产能将实现翻番，在晶圆制造领域，德州仪器成都工厂是德州仪器全球唯一的晶圆制造、加工、封装测试于一体的世界级生产制造基地。

（3）半导体设备及材料

传晶圆生产必需的光罩供给告急。2023年还将再涨价25%，近期晶圆生产的必需品光罩供给紧张，价格攀升，相关业者如美商Photronics。日商Toppan，大日本印刷（DNP），台湾光罩满手订单。业界预测，和2022年高点相比，2023年光罩价格将再涨10%~25%。

三安光电签下新能源车企38亿元意向大单。国内化合物半导体大厂三安光电发布公告称，旗下全资子公司——湖南三安半导体有限责任公司与主要从事新能源汽车业务的公司签署了《战略采购意向协议》，将采购价值38亿元的碳化硅芯片，将应用于新能源车主驱动。

（4）其它

433个量子比特：IBM发布最新量子计算芯片。IBM宣布推出最新研发的量子计算芯片“鱼鹰”（Ospreychip），含433个量子比特，是去年推出的“鹰”芯片（Eaglechip，127个量子比特）的三倍以上。这一数字再次创造了新的世界纪录，意味着IBM向商用量子计算机迈出了重要一步。

工信部：夯实数字基础设施，加快5G、工业互联网等新型基础设施建设，要完善政策法规体系，深入贯彻《中小企业促进法》，实施“十四五”促进中小企业发展规划，出台鼓励创新、加快数字化发展的配套措施。

台积电核准57.17亿美元资本预算，建置先进及特殊产能。台积电指出，董事会核准资本预算约57.1719亿美元，内容包括建置及升级先进制程产能，建置特殊制程产能，厂房兴建及厂务设施工程。2023年研发资本预算与经常性资本预算，2023年资本化租赁资产。

遭遇设计问题：苹果首款AR眼镜2024年难以上市。海通国际技术研究公司分析师JeffPu称，这款AR头显遇到了设计问题，将被推迟到2025年到2026年左右推出，初步推测可能与工业设计或是系统设计方面有关。

SEMI：预计今年全球硅晶圆出货量同比增长4.8%，增长将在明年放缓。SEMI今天在其半导体行业年度硅出货量预测报告中指出，预计2022年全球硅晶圆出货量将同比增长4.8%，达到近14700百万平方英寸（MSI）的历史新高。

受疫情影响今年苹果iPhone整体出货将同比减少3.3%，苹果已调降iPhone14Pro系列的出货预估。鸿海发布公告表示，疫情影响郑州富士康厂区部分营运，将下调本季营运展望。外媒预估，今年整体iPhone出货量将减少300万部，减幅约3.3%。

ARM：预计2026年车用半导体产值将达1000亿美元。尽管车用半导体市场目前小于手机市场，但未来市场将非常可观。

2.本周话题：半导体设备

半导体设备是半导体的生产基础，其生产流程十分复杂，技术壁垒极高，并且设备的技术参数和运行的稳定性对半导体生产效率、质量和良率起着至关重要的作用，本周就半导体设备进行初步讨论。

半导体（芯片）指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，被广泛应用于各种电子产品中。半导体产品可细分为四大类：集成电路、分立器件、光电子器件和传感器，被广泛应用于5G通信、计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、物联网等产业，是绝大多数电子设备的核心组成部分。

自问世以来，单个芯片上集成的元件数量不断增长。1965年英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（GordonMoore）提出，在价格不变的情况下一块集成电路上可容纳的元器件的数目将每18-24个月增加一倍，性能也将提升一倍，这就是著名的摩尔定律。自20世纪60年代到21世纪的前十几年，摩尔定律完美诠释了集成电路的发展历程。

摩尔定律的背后是半导体设备的不断精进。集成电路多以单晶硅为基底材料，成千上万的元器件和导线经过一些列工艺被“雕刻”在硅片上，完成这些“雕刻”步骤的工具就是半导体设备。“雕刻”精度的提升带来元器件尺寸的缩小，现今的晶工艺尺寸是以纳米级计量的。集合了全球顶尖制造技术的半导体设备在过去半个世纪中不断推动着人类工业文明的进步。

专用设备是半导体生产基础：各类半导体的生产过程主要包括芯片设计、晶圆制造和封装测试等工序，每道生产工序都需要在相应的专用设备技术允许的范围内设计和制造，半导体专用设备的技术复杂，设备的技术参数和运行的稳定性对半导体生产效率、质量和良率起着至关重要的作用。

从产业链的角度看，半导体产业链涉及材料、设备等支撑性行业，芯片设计、晶圆制造和封测行业，半导体产品终端应用行业等。以集成电路为代表的半导体，产品应用领域广泛，下游用行业的需求增长是半导体产业快速发展的核心驱动力。

图：半导体产业链

资料来源：盛美半导体招股说明书，天风证券研究所

芯片制造可分为硅片生产、前道工艺（晶圆制造）、后道工艺（封装测试）等步骤。其中，前道设备完成芯片的核心制造，后道设备完成芯片的包装和整体性能测试，因此前道工艺是最为复杂步骤，技术难度更高，前道工艺制造先进集成电路器件的过程如同建造一个几十层的微观楼房，需要一层一层建造微观结构。

晶圆制造需要开发出适合生产各种芯片产品的工艺架构以实现批量生产，整体制造工艺复杂，整个制造流程大约涉及到300-400道工序，主要有晶圆清洗、热氧化、光刻、刻蚀、离子注入、退火、扩散、化学气相沉积、物理气相沉积、化学机械研磨、晶圆检测等环节。晶圆制造所需设备种类广泛，设备精密度、材料性能、厂房建设（洁净室等）要求高，整体生产难度高、成本投入大、技术壁垒高，是半导体产业桂冠上的一颗明珠，亦是各国半导体产业争相争夺的产业高地。

图：晶圆制造流程图

资料来源：中芯国际招股说明书，长江证券研究所

如前所述，前道的晶圆加工工艺包括氧化、扩散、退火、离子注入、薄膜沉积、光刻、刻蚀、化学机械平坦化（CMP）等，这些工艺并不是单一顺序执行，而是在制造每一个元件时选择性地重复进行。一个完整的晶圆加工过程中，一些工序可能执行几百次，整个流程可能需要上千个步骤，通常耗时六到八个星期。

图：晶圆加工过程示意图

资料来源：《半导体制造技术》，东兴证券

这些工艺的大体作用如下：

l 氧化、退火工艺的主要作用是使材料的特定部分具备所需的稳定性质；

l 扩散、离子注入工艺的主要作用是使材料的特定区域拥有半导体特性或其他需求的物理化学性质；

l 薄膜沉积工艺（包括ALD、CVD、PCD等）的主要作用是在现有材料的表明制作新的一层材料，用以后续加工；

l 光刻的作用是通过光照在材料表面以光刻胶留存的形式标记出设计版图（掩膜版）的形态，为刻蚀做准备；

l 刻蚀的作用是将光刻标记出来应去除的区域通过物理或化学的方法去除，以完成功能外形的制造；

l CMP工艺的作用是对材料进行表面加工，通常在沉积和刻蚀等步骤之后；

l 清洗的作用是清除上一工艺遗留的杂质或缺陷，为下一工艺创造条件；

l 量测的作用主要是晶圆制造过程中的质量把控。

集成电路就在沉积、光刻、刻蚀、抛光等步骤的不断重复中成型，整个制造工艺环环相扣，任一步骤出现问题，都可能造成整个晶圆不可逆的损坏，因此每一项工艺的设备要求都很严格。

如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻机是打草稿的画笔，刻蚀机则是雕刻刀，沉积的薄膜则是用来雕刻的材料。光刻的精度直接决定了元器件刻画的尺寸，而刻蚀和薄膜沉积的精度则决定了光刻的尺寸能否实际加工，因此光刻、刻蚀和薄膜沉积设备是芯片加工过程中最重要的三类主设备，占前道设备的近70%。

图：典型晶圆加工厂的厂房区域布局

资料来源：《半导体制造技术》，东兴证券

后道设备可以分为封装设备和测试设备，其中封装设备包括划片机、装片机、键合机等，测试设备包括中测机、终测机、分选机等。

后道设备的功能较易理解，划片机将整个晶圆切割成单独的芯片颗粒，装片机和键合机等完成芯片的封装，测试设备则负责各个阶段的性能测试和良品筛选。

设备投资一般占比70~80%，当制程到16/14nm时，设备投资占比达85%；7nm及以下占比将更高。按工艺流程分类，典型的产线上前道、封装、测试三类设备分别占85%、6%、9%。

图：新建晶圆厂各类投资占比

资料来源：智研咨询,国元证券研究中心

制程工艺的研发和生产成本逐代上涨，根据市场研究机构IBS的数据，最新的3nm芯片的设计费用约5-15亿美元，一条3nm产线的成本高达150-200亿美元。一个新晶圆投资建设中，设备投入占比最高，约占总投入的70-80%，其中晶圆加工的前道设备合计占设备支出的80%。厂建设周期约为2年，从场地设计到设备搬入调试大概要历时20个月。

图：新建晶圆厂各项时间节点规划

资料来源：中国产业信息网，国元证券研究中心

表：不同工艺节点下的研发及资本支出情况

资料来源：WSTS,IBS，各公司官网，国元证券研究中心

具体来看，半导体制造流程主要包括硅片制造、晶圆制造、封装测试三个主要环节。在成熟市场中，晶圆制造设备占比约80%，检测、封装、硅片制造及其他（如掩膜制造）设备占比依次约为8%、6%、3%以及3%。

晶圆制造环节是生产链条里最重资产的一环，晶圆制造设备投入占总设备投入的80%左右。在晶圆加工设备投资中，光刻设备投资占比最高达到25%，其次为薄膜沉积占比15%，排名第三的是前端测试设备、刻蚀设备和封装设备，占比10%。其后分别为封测检测设备（占比8％）、清洗设备（占比7％）、离子注入设备（占比3％）、长晶（占比2％）。

图：晶圆加工设备投资占比

资料来源：中国产业信息网、天风证券研究所

全球半导体设备市场：

从营收看，全球前十大半导体设备公司绝大多数是美日企业。总体的半导体设备市场看，，美日企业优势明显，市场集中度高，CR10高达76.6%。2020年全球营收前十的半导体设备企业中，有四家美国公司、四家日本公司以及两家荷兰企业。其中，营收超过100亿美元的企业共有四家，分别为美国应用材料（AMAT）、荷兰ASML、美国泛林半导体（LamResearch）以及日本东京电子（TEL）。

刻蚀、薄膜、检测、清洗等多个领域打破国内空白，技术突破迅速。国内半导体设备行业起步较晚，总体营业规模上与海外巨头差距较大，但近年来国内企业不断加大投入，在技术上不断做出关键性的突破，打破了许多领域的空白，部分细分市场已开始实现国产替代。例如，中微刻蚀机研发已到达5nm的技术节点；北方华创和拓荆的薄膜沉积设备已达到14/28nm的技术节点；至纯科技的清洗设备打入了中芯国际、华虹等企业的供应链；华峰测控的测试机打入了日月光、意法半导体等国际封测龙头的供应链。

表：半导体设备国产替代情况

资料来源：前瞻产业研究院、上海微电子官网、北方华创及拓荆公司官网、各公司年报及招股说明书、天风证券

全球半导体产业链竞争格局

全球来看，美日企业在整个半导体产业链中的大部分领域优势明显。其它国家和地区有中国台湾、韩国、欧洲等在部分领域发展的不错。具体来看：

➢芯片设计：芯片设计行业龙头企业大多为美国企业。主要有高通、博通、联发科、英伟达等。

➢晶圆制造：晶圆制造行业高度集中，台积电龙头地位稳固，2021Q1市占率超过50%。其他韩国三星、美国格罗方德、台湾联电等企业市占率较高。

➢封装测试：封装测试行业2020年CR10为83.98%，行业高度集中。主要有台湾日月光、美国Amkor、台湾PTI、新加坡联合科技等。

➢半导体前道设备：美日企业优势大，该领域头部企业有荷兰ASML、美国AMAT、日本TEL、日本SCREEN、美国科天、韩国SEMES等。

➢封测设备：封测设备市场同样高度向头部集中。测试设备方面，2019年日本爱德万与美国泰瑞达合计市占率达90%。封装设备方面，主要企业有日本Shinkawa、Kawasaki等。

➢材料：在众多的细分半导体材料市场中，美日企业仍是主导。硅片方面，日本信越化学、日本SUMCO、德国Siltronic、韩国LG为主要企业；靶材方面，日本JX日矿金属、美国霍尼韦尔为头部企业；CMP抛光材料方面，美国陶氏化学、日本Fujimi、日本HinomotoKenmazai是龙头企业；光刻胶方面，日本JSR、日本信越化学、美国陶氏化学是头部企业；电子特种气体方面，美国空气化工、美国普莱克斯。日本大阳日酸等为龙头企业；光掩模方面，美国Photronics、日本DNP、日本Toppan占据了市场超过80%的份额。

图：全球半导体产业链主要企业

资料来源：ittbank、中国闪存市场、前瞻产业研究院、TrendForce、天风证券

半导体设备极其复杂精密，需要涉及到多学科领域相互合作，这也导致了尖端设备开发周期长、成本高、多领域人才需求大、行业进入壁垒高等特点。对比国内和国外的设备类公司，无论是在体量上还是资源获取及投入方面都是差距甚远，造成了一种不对称竞争关系。目前，国内设备公司由于刚起步，研发投入占比偏高，对应人均创收普遍偏低。海外龙头平均研发投入占比15%，人均创收300万元/人。这也就造成一种窘境，公司需要在盈利与研发支出权衡，导致国内公司普遍盈利性较差。

光靠市场机制，以盈利为目的的资本运作机制和企业的单打独斗是无法实现跨越式发展，需要结合政策和国家资金支持才能快速发展，目前行业还处于刚刚起步，需要更多的时间和耐心。

图：国内外设备公司不对称竞争

资料来源：2019年中国上海集成电路创新峰会，国元证券

目前国产设备公司在中美贸易冲突背景下，通过中芯国际等国内产线的验证提高认可度，有望带动同行业对国产设备采购积极性。国产设备供应商的整体生态逐渐改善，目前龙头公司处在从初期核心技术突破到经验积累与技术升级的拐点。

改善1：设备类公司产品迭代呈现“0->1->n”特点，初期的核心技术突破是最艰难的阶段，之后基于核心技术之上的改良和优化难度将会大大降低，是从“1-n”的变化，这一阶段公司的盈利情况也会逐渐改善。目前我国半导体设备厂商正处于“0-1”向“1-n”转换的阶段，多项设备的性能正式步入先进制程水平。

改善2：早期先进晶圆制造厂商不愿承担更大风险去引入新供应商进入产线，造成国产设备厂商开发进度缓慢、缺少量产数据反馈等问题。目前国内晶圆厂开始积极和设备龙头公司如中微公司、北方华创联合开发先进制程，形成缩短技术开发周期、减轻研发支出压力等双向互利局面。晶圆制造厂和设备厂商联合开发将大幅缩短研发周期，国产设备公司有望进入“技术研发-产线验证-量产数据反馈-纠错优化改良-产品升级”这样良性循环。

图：国产半导体设备公司演进

资料来源：国元证券研究中心

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参考资料：

中金研究部：半导体前道设备；

天风证券：半导体设备行业报告：缺芯加速国产替代，半导体设备迎来上升周期；

长江证券：半导体与半导体生产设备行业：晶圆制造系列一，全球晶圆制造绪论，辉光入微，刻沙为芯；

国元证券：半导体设备投资地图；

国盛证券：电子行业深度：半导体设备，国内需求增长，国产替代进展提速；

东兴证券：电子元器件：半导体设备，刻蚀机走在国产替代前列；