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设备国产化大势已来 半导体设备深度(二):硅片供需缺口扩大,

来源:工厂招聘网 时间:2018-01-15 作者:工厂招聘网 浏览量:
二、中国硅片市场:海外厂商垄断 供需缺口扩大,硅片国产化势在必行
(一)海外厂商垄断半导体硅片市场
半导体硅片生产对于纯净度、加工精度有极高的要求。目前最先进的半导体芯片量产制程已经达到10nm级别,意味着相邻线路间只有10个原子的间距,是头发宽度的一万分之一。要保证最后的产品能实现预定的功能,半导体硅片的纯净度和表面平整度都要达到很高的标准。
生产过程方面,晶体生长步骤必须保证晶棒内部晶向的完全一致性,从原子层面防止内部缺陷的产生,其后的打磨、抛光等过程,则要实现硅片表面的完全平整,用于最先进制程的硅片要达到表面的高度差不超过百分之一纳米。
纯净度方面,首先作为硅片生产的原材料多晶硅,其纯度要达到99.9999999%(9个9),最先进的制程工艺则要达到99.999999999%(11个9)的纯度,而光伏硅片只需达到5-7个9的纯度。另外在硅片生产完成后,还需对硅片进行严格的清洗步骤,保证表面微粒大小小于百分之一纳米水平,杂质含量小于百亿分之一的水平。

半导体硅片行业呈寡头垄断格局,海外厂商占据9成以上份额。半导体硅片生产的严苛要求导致该行业具有很高的技术和资金壁垒,全球范围内只有少数企业具有大量提供半导体硅片的实力和能力。目前日本信越半导体(Shin-Etsu)、日本胜高科技(SUMCO),***环球晶圆(Global Wafers,2016年收购美国SunEdison Semiconductor后市场份额跃居第三),德国Siltronic,韩国LG Siltron五家企业占据半导体硅片92%的市场份额,形成寡头垄断的市场格局。在300mm(12寸)大硅片上,以上五家企业的垄断形式更加明显,占据近98%的市场份额。

(二)国产大硅片自给率低,晶圆厂密集投建进一步扩大供需缺口
国内企业仅少数能提供8寸硅片,12寸硅片尚无量产能力。目前中国大陆小尺寸的4-6寸硅片(含抛光片、外延片)的年产量已经达到5200万片,基本上实现了自给自足。但是受制于硅材料纯度和大硅片的生产良率,仅有浙江金瑞泓、昆山中辰(***环球晶圆)、北京有研总院、河北普兴、南京国盛、中国电科46所以及上海新傲等数家厂商具有量产8寸硅片及外延片的能力,12寸硅片目前只有上海新昇为中芯国际等代工企业提供少量的样片和测试片,尚无大规模量产的能力。
国内大硅片存在巨大供需缺口。国内8寸硅片的合计产能为每月23.3万片,而8寸硅片需求则达到80万片/月,2016年我国生产的8寸硅片数量仅为120万片,只满足了12.5%的国内需求,2017年产能利用率有所提高,但即使产能全开也仅能实现30%的自给率,缺口部分依赖进口。12寸硅片的国内需求则达到约50万片/月,完全依赖进口来满足需求。
中国大陆将迎来晶圆产线建设高峰期,硅片供需缺口将进一步扩大。根据SEMI的预测,2017-2020年间,全球将有62座新建晶圆厂投入营运,其中26座将位于中国大陆,占新增晶圆厂的比重达42%。目前已经统计到有近30条晶圆产线的建设规划,其中17条已经开工建设,将在未来几年内陆续投入运营。而半导体行业的高景气度和中国大力发展半导体产业的决心预计将带来更多的晶圆产线规划,并促使更多的晶圆产线从规划转为落地。在晶圆产线建设大潮到来的背景下,国内半导体硅片的供需缺口势必将进一步扩大。预计国内8寸硅片需求到2020年将提升至120万片/月,增长50%。而12寸硅片需求将达到150-200万片/月,是目前的3-4倍。


(三)供需格局倒逼半导体硅片国产化,上游材料自主可控势在必行
上游硅材料的自主可控是我国半导体产业发展的必经之路。硅片是半导体产业发展的基础材料,若是不能保证硅片材料的自主可控,我国大力发展的半导体产业将时刻面临材料短缺、产业链断裂的威胁,美国、日本、韩国、***等地区都具有自主的硅片生产能力。目前信越、SUMCO等半导体硅片巨头与三星、英特尔、台积电等半导体生产巨头都已具有长期合作的基础,且能保证数额较大的需求量,因此在产能有限的情况下,硅片巨头会优先给台积电等厂商供货。17年5月就出现了SUMCO砍掉武汉新芯的订单,优先供给台积电、英特尔、美光等大厂的事件。在未来供需格局进一步紧张的情况下,国内晶圆制造商可能必须通过提价的方式才能拿到足够的硅片货源,然而并不能保障充足的供应,也会增加自身的成本,唯一的解决办法是实现半导体硅片材料的自主生产、自主可控。
紧张的供需格局倒逼半导体硅片国产化,国产项目陆续上马。2017年以来,中国大陆陆续已有十个国产硅片项目公布规划,并有数个项目已开工建设,部分项目已经具有一定的8寸硅片产能。12寸硅片方面,上海新昇的300mm大硅片17年二季度已经开始向中芯国际等芯片代工企业提供样片进行认证,并有挡片、陪片、测试片等产品实现销售,目前测试线产能为1万片/月,预计在2018年将月产15万片300mm 大硅片,未来会扩大产能至月产60万片,将填补我国12寸大硅片生产的空白。
这些国产硅片项目已公布的产能规划达到185万片/月的8寸硅片,以及144万片/月的12寸硅片,若能顺利实现量产,将极大程度上缓解国内硅片依赖进口的局面,并使国内半导体产业具有一定的硅片自主保障能力。

三、硅片国产化带来超200亿设备需求,单晶炉独占55亿
(一)硅片生产设备梳理:单晶炉等核心设备已实现国产化
半导体硅片的生产流程包括拉晶—>滚磨—>线切割—>倒角—>研磨—>腐蚀—>热处理—>边缘抛光—>正面抛光—>清洗—>检测—>外延等步骤。其中拉晶、研磨和抛光是保证半导体硅片质量的关键。涉及到单晶炉、滚磨机、切片机、倒角机、研磨设备、CMP抛光设备、清洗设备、检测设备等多种生产设备。


1.拉晶:直拉法是主流,国内已实现单晶炉国产化
硅片的生产原料是石英砂(SiO***),通过与碳发生氧化还原反应得到工业级硅,将工业级硅与盐酸反应得到三氯硅烷,对三氯硅烷进行多次精馏,使其纯度达到9个9以上,最后通过超高纯的氢气进行还原反应得到高纯的多晶硅。半导体硅片生产所需的硅要达到电子级的纯度(9-11个9),才能保证后续硅片的纯净度。
将多晶硅拉制成单晶硅棒主要有两种技术工艺,直拉法(CZ法)和区熔法(FZ),区熔法得到的硅片纯度更高,但成本更高,硅片尺寸偏小(只能生产150mm以下),主要用于功率器件硅片的生产。目前90%以上的半导体硅片通过直拉法生产。
直拉法是通过在惰性气体(氮气、氦气为主)环境中,用石墨加热器将坩埚中的多晶硅熔化得到液态硅(熔体),再以单晶硅的硅种与液体表面接触,一边旋转一边缓慢向上拉起,随着晶种在直拉过程中离开熔体,熔体上的液体会因为表面张力而提高,晶种上的界面散发热量并向下朝着熔体的方向凝固。随着晶种旋转着从熔体里拉出,与晶种具有同样晶向的单晶就生长出来了。

拉晶步骤是半导体硅片生产过程中的关键步骤,很大程度上决定了硅片的质量。拉晶过程中用到的设备是单晶炉,单晶炉由炉体、热场、磁场、控制装置等部件组成,其中控制炉内温度的热场和控制晶体生长形状的磁场是决定单晶炉生产能力的关键。

国内公司中,晶盛机电、理工晶科、南京晶能是领先的半导体硅生长设备单晶炉提供商。其中晶盛机电承担的02专项“300mm硅单晶直拉生长设备的开发”、“8英寸区熔硅单晶炉国产设备研制”两大项目,均已通过专家组验收。晶盛的8寸直拉单晶炉和区熔单晶炉均已实现了产业化,为有研半导体、环欧半导体、金瑞泓等国内知名半导体硅片生产商累计供应了几十台设备。晶盛的12寸直拉单晶炉也已经可以满足工业化量产的要求,预计将为国内大硅片项目供货。南京晶能则率先实现了12寸直拉单晶炉的国产化,为新昇半导体的国产大硅片项目累计供了三台设备,连续数月稳定运行,其技术先进性、使用节能性等指标甚至超越了国外设备,后续的订单也在洽谈中。
2.磨、切、倒角设备:已部分实现国产化
单晶硅棒生产完成后,首先对晶棒进行“掐头去尾”,切去晶棒两端直径较小的部分。然后对晶棒进行径向研磨,由于晶棒生长过程中难以实现精确的直径要求,一般会生长直径高于预定目标的晶棒,然后再通过径向研磨得到目标直径的晶棒。随后在晶棒上研磨出定位边,用于指示硅片晶向。
以上过程涉及到的设备包括截断机、滚磨机、磨面机等,技术含量较低,已经实现了设备的国产化,晶盛机电、天龙光电等国内上市公司均能提供相应产品。

晶棒加工完成后,需要将晶棒切割成预定厚度的硅片。8寸晶棒的切割一般采用内圆切割机,通过内圆刀片上的金刚石涂层进行切割。由于切割刀片的直径太大会使得刀片容易发生变形,因此12寸硅片一般使用多线切割技术,采用金刚线与砂浆进行切割,多线切割不仅可以实现大直径硅片的切割,而且切割损耗低于内圆切割技术。硅片切割完成后,需要对硅片进行倒角处理,通过倒角机对硅片的边缘进行研磨,得到光滑的硅片边沿。
硅片的切片机和倒角机对于切割研磨的精度控制和稳定性有很高的要求,目前只有中电科45所能提供部分切片机产品,主要还是依赖于进口产品。


3.研磨抛光设备:硅片质量的重要保障设备,已开启国产化进程
硅片的表面完整度和平整度直接影响后续生产的良率和质量,因此需要通过研磨、腐蚀、抛光等工序对硅片表面进行深度加工。首先通过研磨设备移除硅片表面大部分的损伤,形成平坦的表面,达到微米级别的平整度。然后通过化学腐蚀去除表面的缺陷。最后使用CMP研磨设备进行精细的化学机械抛光,通过物理研磨加化学腐蚀的方式得到几乎没有缺陷的光滑镜面表面。
研磨、抛光设备已开始国产化进程。半导体硅片的研磨和CMP抛光设备同样对于精度和稳定性有极高的要求,否则很难使硅片都达到预定的厚度。目前半导体硅片研磨设备和CMP抛光设备主要依靠进口,但已经开始了国产化的进程。晶盛机电已与美国知名抛光设备提供商Revasum公司就200mm硅片相关设备达成合作共识,其中8英寸抛光机计划于2018年推出市场,未来有望将产品拓展至12英寸抛光设备。

(二)设备空间:未来三年合计空间达220亿,单晶炉空间达55亿
半导体硅片的国产化进程将带来巨大的生产设备投资需求,我们通过以下模型测算2017-2020年间,半导体硅片的国产化带来的设备需求空间。
关键假设:
1.每台单晶炉月产硅片1万片。
2.调研了解到,硅片厂商在做设备投入时,会考虑多投30%的设备做为待机设备。
3.2020年12寸硅片国内需求量200万片/月,国内供给量120万片/月;8寸硅片国内需求量120万片/月,国内供给量100万片/月。
测算结果:
根据我们的模型测算,2018-2020年间8寸、12寸半导体硅片的国产化将带来合计达到55亿元的单晶炉设备需求,设备总需求空间则达到220亿。分年份看, 2019、2020年对应较高的设备投资需求,考虑到项目方会提前进行设备采购,2018年预计就将有较大的实际设备投资需求。
各类设备中,单晶炉占据最大的需求空间,然而其他种类设备的合计空间仍然不可小觑,尤其是尚未实现国产化的设备,一旦国产化进程获得突破,预计将快速占据国内市场份额。
此外,该模型的测算还有一隐含假设,即投产的国产化硅片项目以100%的产能进行供货,实际上随着羊群效应导致越来越多的国产硅片参与者进入市场,名义建设产能极有可能高于实际市场需求,那么各硅片供应商的实际产能利用率预期将低于100%,进一步提升硅片生产设备的需求空间,即新进入者的不断进入市场将持续提升硅片生产设备的行业天花板。


四、推荐标的:晶盛机电——晶体硅生长设备龙头,产品向下游不断延伸
(一)晶盛机电——晶体硅生长设备龙头,产品向下游不断延伸
1.晶体硅生长设备龙头,受益光伏业绩显著回升
晶盛机电前身是上虞晶盛机电工程有限公司,成立于2006年,2010年改制为股份有限公司,并于2012年5月登陆创业板上市。通过并购与自身的外延发展,公司实现了多元化的业务布局,覆盖了光伏、半导体、LED、蓝宝石四个领域。

晶体硅生长设备仍是公司最主要业务。公司的晶体硅生长设备可应用于光伏、半导体等下游领域,一直是公司的最主要业务,公司业务多元化之后晶体硅生长设备的营收占比有所下滑,但仍占到70%以上。2017年由于光伏行业对于晶体硅生长设备的需求出现爆发式增长,晶体硅生长设备的营收占比达到了82%。

受益光伏行业回暖,公司业绩显著回升。2006-2011年间光伏行业粗放式、野蛮式的发展致使行业整体呈现严重的产能过剩、价格战激烈的格局,加上全球经济衰退,美国“双反”、欧洲“反倾销”等因素,我国光伏行业迎来了寒冬,公司业绩受行业影响也进入谷底。2015年起,受益于领跑者计划、分布式光伏发展、光伏扶贫等因素的推动,国内光伏行业出现了明显的复苏。各大光伏厂商纷纷扩产,公司业绩随之显著回升。2017年前三季度公司实现营业收入12.57亿元,同比增长87%,实现归母净利润2.53亿元,同比增长95%,前三季度业绩已经超过2016全年。其中2017Q3单季度实现营业收入4.49亿元、归母净利润1.11亿元,是单季度业绩的历史最好水平。

2.国内稀缺的半导体硅生长设备龙头,已突破12寸硅片生产技术
公司8寸单晶炉已经量产,12寸设备已满足量产要求。公司承担了02专项中的“300mm硅单晶直拉生长设备的开发”、“8英寸区熔硅单晶炉国产设备研制”两大项目,均已通过专家组验收。8英寸直拉、区熔单晶炉均已实现产业化,12英寸单晶炉已经具备工业化量产的要求。
公司产品已经批量供货,获国际一线厂商认可。公司半导体硅生长设备产品已经成功为有研半导体、环欧半导体、金瑞泓等国内知名半导体硅片生产商供货,累计销售了几十台设备,并建立了稳定的合作关系。2017年7月公司获得***合晶科技子公司900万美元的设备订单,标志公司产品质量已经获得国际一线厂商的认同。
公司不断丰富产品系列,业务向硅片深加工领域延伸。除了单晶炉外,公司还成功研发了单晶硅滚圆机、截断机等半导体硅棒加工新设备,可用于单晶硅棒掐头去尾、径向研磨、开槽等工序。公司还与美国Revasum公司就200mm硅片相关设备达成合作共识,其中8英寸抛光机计划于2018年推出市场。Revasum公司通过收购全球知名CMP设备制造厂商Strasbaugh公司,获得了抛光设备的先进技术及专利,并已广泛应用于硅片制造,功率设备,射频,LED,MEMS以及移动应用市场等多个领域。上文提到磨切削、抛光设备合计市场空间与单晶炉相当。公司业务的不断延伸将使公司得以享用成倍的市场空间。

强强联合,公司切入国产大硅片生产领域。2017年10月,公司发布公告,与无锡市人民政府、中环股份签署了《战略合作协议》,将共同在宜兴市开展建设集成电路用大硅片生产与制造项目。11月公司与中环股份、中环香港、无锡产业发展集团共同出资50亿元成立中环领先半导体公司,共同进行大硅片的研发和生产,公司出资5亿元占10%股权。2017年12月底,该项目正式开工。本次的合作对象中,中环股份是国内最大、全球第三大的区熔硅片供应商,在半导体领域有多年的技术积累,无锡市则是我国集成电路产业发源地之一。本次合作集合了三家的各自优势,将在技术、市场、税收、人才等领域具有独特的竞争优势。公司也借此举切入国产大硅片生产领域,并加强在设备领域的市场开拓和竞争优势。
3.单晶产能持续扩产,公司已获大量光伏订单
在国家光伏领跑者计划、光伏扶贫、以及大力推动分布式光伏的政策推动下,2017年我国光伏行业延续了强势的复苏势头,前三季度新增装机量42GW,累计装机量达到120GW,已较2016年全年增长22%、55%。预计2017年全年新增装机量将达到50GW,累计装机量将达到128GW。叠加单晶加速替代多晶的趋势,各大光伏厂商纷纷扩产单晶产能,带来110-140亿的单晶炉设备需求。
公司已获得大量光伏设备订单,18年将持续受益中环扩产。公司已打入除隆基外的各大光伏厂商供应体系,尤其与中环合作紧密,公司多次中标中环光伏硅晶体生长设备。近年来公司获得的设备订单大幅增长,根据公司公告,2017-2018年1月,公司已签订合同的光伏晶体硅生长设备合同总金额达到38.58亿元,合计订单金额已经达到2016年全年营收的354%。这些订单的收入将在2017、2018年集中确认。2018年中环的单晶扩产仍将持续,预计到年底将把单晶产能从10GW提升至20GW以上,实现翻倍增长。公司将持续受益于中环的扩产节奏,预计18年将不断斩获光伏设备订单。

(二)北方华创:半导体前道设备龙头,单晶炉产品有望向半导体领域延伸
北方华创前身七星电子,2001年9月由北京电控整合原国营700厂、706厂、707厂、718厂、797厂、798厂的优质资产和业务成立,2016年通过非公开发行股份完成了与北方微电子的战略重组,并引入了大基金成为公司股东。目前公司具有半导体设备、电子元件、真空设备、锂电设备四大板块的业务。
公司是半导体前道设备龙头,产品包括刻蚀设备、物理气相沉积设备(PVD)、化学气相沉积设备(CVD)、清洗设备、氧化设备等,基本涵盖了除光刻机外的各类前道半导体生产设备,是国内规模最大、产品体系最丰富、涉及领域最广的高端半导体工艺设备供应商。公司65-28nm设备已经实现产业化,多种设备已经进入中芯国际等晶圆代工厂的供应链体系,并成为baseline机台参与量产,14nm制程设备则已进入工艺验证阶段,有望在未来两年内进入产线。
真空装备方面,公司是国内最大的单晶炉制造企业之一,所研制的具有大装炉量、高自动化程度特性的单晶炉,为全球产能领先的单晶硅材料制造商客户提供了大量产能供应。凭借公司在半导体前道设备领域的技术积累和市场布局,公司单晶炉产品有望扩展至半导体硅片生产领域,实现产业上下游的贯通。
五、风险提示
硅片国产化进程不及预期:目前我国12寸大硅片的规模生产能力尚未得到验证,若生产技术和工艺不能达到预定要求,或是国产硅片项目的落地和推进不及规划预期,将对硅片生产设备的市场需求产生影响。
下游需求不及预期:若下游消费电子、汽车电子、人工智能、5G、物联网等行业对于半导体芯片的需求不及预期,将会导致硅片生产设备需求的下降。
市场竞争风险:国产设备和进口设备还有一定差距,如果使用国产设备生产出的硅片良率与进口设备存在较大差距,将显著影响国产设备的市场渗透率。


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