2022年半导体行业发展前景及市场空间分析

1、2022年半导体行业发展前景及市场空间分析1. 集成电路占半导体八成份额，设备为产业链的关键要素集成电路占半导体产品 80%以上份额，是绝大部分电子设备的核心组成部分。半导体 指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。按产品来划分，半导体产品可分为集成 电路、分立器件、光电器件和传感器，其中集成电路占 80%以上的份额，是绝大多数电子 设备的核心组成部分，也是现代信息产业的基础，下游应用最为广泛。按照主要生产过程划分，半导体产业链整体可分为上游半导体支撑产业、中游晶圆制 造产业、下游半导体应用产业。上游半导体材料、设备产业为中游晶圆制造产业提供必要 的原材料与生产设备。半导体产品下游应用广泛

2、，涉及通讯技术、消费电子、工业电子、 汽车电子、人工智能、物联网、医疗、新能源、大数据等多个领域。全球半导体行业市场广阔，市场规模整体呈现不断增长趋势。根据 WSTS 数据显示， 全球半导体行业销售收入自 2016 起增长较快，2016-2018 年 CAGR 为 17.61%。2019 年受全球宏观经济低迷影响，半导体行业景气度有所下降。2020 年全球半导体收入恢复增 长至 4,404 亿美元。2021 年全球半导体收入首次突破 5,000 亿美元，实现同比 26.23%的 强劲增长。WSTS 预计，2022 年全球半导体市场规模将延续增长态势，市场规模将再成长 8.8达 6,014.90

3、 亿美元。近十年中国集成电路行业消费额高速稳步增长，中国大陆已占据全球 35%的半导体消 费市场。SIA 2020 年数据显示，亚太地区是全球最大的半导体消费市场，2019 年销售额 占比 62.50%，其中中国大陆市场占据全球 35.00%市场份额；美国为全球半导体消费第二 大市场，占比约为 19.10%；欧洲及日本市场份额分别为 9.70%和 8.70%。据中国半导体 行业协会统计，2011-2021年，中国半导体行业销售额持续增长，十年复合增长率达18.39%。 2021 年中国集成电路产业实现销售额 10,458 亿元，同比增长 18.2%。半导体设备泛指用于生产各类半导体产品所需的生

4、产设备，属于半导体行业产业链的 支撑环节。以半导体产业链中技术难度最高、附加值最大、工艺最为复杂的集成电路为例， 应用于集成电路领域的设备通常可分为前道工艺设备（晶圆制造）和后道工艺设备（封装 测试）两大类。其中，在前道晶圆制造中，共有七大工艺步骤，分别为氧化/扩散、光刻、 刻蚀、离子注入、薄膜生长、清洗与抛光、金属化，所对应的专用设备主要包括氧化/扩散 设备、光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备等。 其中，光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备为前道工艺中的三大核心设备。集成电路制造设备的投资中各工艺环节占比稳定，薄膜沉积设备约占 20%。集成电路 制造中，70%

5、-80%的资本开支用于设备投资，而设备投资中的 78%-80%在晶圆制造环节 的设备中。根据 ASMI 数据，2015-2021 年，集成电路制造设备投资中各工艺环节占比稳 定，刻蚀&清洗、光刻、薄膜沉积分别约占集成电路制造设备投资的 25%、20%、20%。2. 薄膜沉积为核心工艺环节，元器件复杂化提升设备需求芯片是微型结构体，其内部结构是 3D 立体式形态，衬底之上的微米或纳米级薄膜构 成了制作电路的功能材料层。为了形成多层的半导体结构，需要先制造器件叠层，即在晶 圆表面交替堆叠多层金属（导电）膜和介电（绝缘）膜，之后再通过重复刻蚀工艺去除多余部分并形成三维结构。作为芯片结构的功能材料层，

6、在芯片完成制造、封测等工序后， 薄膜会留存在芯片中，因此薄膜的技术参数将直接影响芯片性能。芯片内部的薄膜厚度为微米到纳米级，无法通过普通机械加工方法制造，而需要采用 薄膜沉积技术。薄膜沉积技术是以各类适当的化学反应源在外加能量（包括热、光、等离 子体等）的驱动下激活，将由此形成的原子、离子、活性反应基团等在衬底表面进行吸附， 并在适当的位置发生化学反应或聚结，渐渐形成几纳米至几微米不等厚度的金属、介质、 或半导体材料薄膜。薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中的介质层与金属层的沉积，包括 CVD（化学气相 沉积）设备、PVD（物理气相沉积）设备/电镀设备和 ALD（原子层沉积）设备。CVD 是一种通

7、过气体混合的化学反应在硅片表面沉积薄膜的工艺，可应用于绝缘薄膜、 硬掩模层以及金属膜层的沉积。其原理是通过化学反应的方式，利用加热、等离子或光辐 射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应 形成固态沉积物。常用 CVD 设备包括 PECVD、SACVD、APCVD、LPCVD 等，适用于不 同工艺节点对膜质量、厚度以及孔隙沟槽填充能力等的不同要求。其中，由于等离子体的 作用，化学反应温度明显降低，薄膜纯度得到提高，致密度得以加强，不伤害芯片已完成 的电路，PECVD 在从亚微米发展到 90nm 的 IC 制造技术过程中，扮演了重要的角色。由 于 SACVD

8、反应腔环境具有特有的高温（400-550）、高压（30-600Torr）环境，具有 快速填空（Gap fill）能力，因此 SACVD 主要应用于沟槽填充工艺。PVD 是用物理的方法使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。在真空条件下，采用 物理方法，将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通 过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。PVD 主要方法包括真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜，不仅可沉积金属膜、合金膜，还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。PVD 具有成膜速率高、镀膜厚度及均匀 性可控、薄膜致密性好、粘结力强及纯

9、净度高等优点。ALD 可以将物质以单原子膜形式一层一层地镀在基底表面的方法。从原理上说，ALD 是通过化学反应得到生成物，但在沉积反应原理、沉积反应条件的要求和沉积层的质量上 都与传统的 CVD 不同。相对于传统的沉积工艺而言，ALD 工艺具有自限制生长的特点，可 精确控制薄膜的厚度，制备的薄膜具有均匀的厚度和优异的一致性，台阶覆盖率高，特别 适合深槽结构中的薄膜生长，因此 ALD 设备在 28nm 以下关键尺寸缩小的双曝光工艺方 面取得了越来越广泛的应用。集成电路尺寸及线宽的缩小、产品结构的立体化及生产工艺的复杂化等因素都对半导 体设备行业提出了更高的要求和更多的需求，并为以薄膜沉积设备为代

10、表的核心装备的发 展提供了广阔的市场空间。多重曝光工艺需要重复多次薄膜沉积，从而实现更小的线宽。在摩尔定律的推动下， 元器件集成度的大幅提高要求集成电路线宽不断缩小，影响集成电路制造工序愈为复杂。 尤其当线宽向 7nm 及以下制程发展，当前市场普遍使用的光刻机受波长的限制精度无法满 足要求，需要采用多重曝光工艺，重复多次薄膜沉积和刻蚀工序以实现更小的线宽，使得 薄膜沉积次数显著增加。半导体产品结构的立体化大幅增加了薄膜沉积工序。在 FLASH 存储芯片领域，主流制 造工艺已由 2D NAND 发展为 3D NAND 结构。而在 3D NAND 制造工艺中，增加集成度 的主要方法不再是缩小单层上

11、线宽，而是增大三维立体堆叠的层数，叠堆层数也从 32/64 层量产向 128/196 层发展，每层均需要经过薄膜沉积工艺步骤。根据东京电子披露，薄膜 沉积设备占 FLASH 芯片产线的资本开支比例从 2D 时代的 18%增长至 3D 时代的 26%。 随着 3D NAND FLASH 芯片的内部层数不断增高，对于薄膜沉积设备的需求提升的趋势也 将延续。从上游晶圆厂的角度来看，先进产线对薄膜沉积设备的需求量陡增。随着产线的逐渐 升级，晶圆制造的复杂度和工序量都大大提升，在实现相同芯片制造产能的情况下，晶圆 厂对薄膜沉积设备的需求量和性能也将相应增加。以中芯国际的不同制程逻辑芯片产线为 例，从 1

12、80nm 8 寸晶圆产线到 90nm 12 寸晶圆产线，产线对 CVD 设备的需求量从月产 能每万片 9.9 台增至 42 台，PVD 设备的需求量从月产能每万片 4.8 台增至 24 台，需求量 提升了 4-5 倍。3. 产能转移叠加国产化，国内薄膜沉积设备市场大有可为3.1 半导体设备空间广阔，中国大陆已成全球最大市场自 2019 年起全球半导体设备市场迎来高速增长，中国大陆连续两年成为全球第一大 半导体设备市场。据 SEMI 统计，2019 年全球半导体设备销售规模为 598 亿美元，2021 年首次突破 1000 亿美元，达到 1026 亿美元，年均复合增长率达 30.99%。2019

13、-2021 年，中国大陆地区半导体设备销售额由 135 亿美元增长至 296 亿美元，年均复合增长率达 48.40%，高于全球增速。2021 年，中国大陆地区半导体设备销售额较 2020 年大幅增长 58.23%，大陆地区连续两年成为全球第一大半导体设备市场，占全球半导体设备市场的 28.86%。全球半导体薄膜沉积设备市场规模逐年增长，预计 2025 年达 340 亿美元。根据 Maximize Market Research 数据统计，2017-2019 年全球半导体薄膜沉积设备市场规模 分别为 125 亿美元、145 亿美元和 155 亿美元，2020 年扩大至约 172 亿美元，年复合增

14、 长率为 11.2%。随着半导体行业整体景气度的提升，全球半导体设备市场呈现快速增长态 势，拉动市场对薄膜沉积设备需求的增加。Maximize Market Research 预计全球半导体 薄膜沉积设备市场规模在 2025 年将从 2020 年的 172 亿美元扩大至 340 亿美元，保持年 复合 14.6%的增长速度。PECVD 占整体薄膜沉积设备市场的 33%，为占比最高的设备类型。薄膜沉积工艺的 不断发展，形成了较为固定的工艺流程，同时也根据不同的应用演化出了 PECVD、溅射 PVD、ALD、LPCVD 等不同的设备用于晶圆制造的不同工艺。其中，PECVD 是薄膜设备 中占比最高的设

15、备类型，占整体薄膜沉积设备市场的 33%；ALD 设备目前占据薄膜沉积设 备市场的 11%；SACVD 是新兴的设备类型，属于其他薄膜沉积设备类目下的产品，占比 较小。预计 2025 年中国大陆 PECVD 设备、ALD 设备市场规模分别达 37.03、12.34 亿美 元。根据 Maximize Market Research 预测，2025 年全球半导体薄膜沉积设备市场规模 将达 340 亿美元；假设到 2025 年，中国大陆半导体设备市场占全球市场的比例逐步提升 至 33%，则可测算出中国大陆薄膜沉积设备市场规模（全球薄膜沉积市场规模中国大陆 半导体市场占全球市场的比例）；假设 2022

16、-2025 年，PECVD 设备、ALD 设备占整体薄 膜沉积设备市场的比例分别保持 33%、11%不变，则可测算中国大陆 PECVD、ALD 设备 市场规模（中国大陆薄膜沉积设备市场规模PECVD 或 ALD 设备占薄膜沉积设备市场的比 例）分别为 37.03、12.34 亿美元。3.2 薄膜沉积设备被高度垄断，产能转移或拉动国产替代薄膜沉积设备行业呈现出高度垄断的竞争局面，行业基本由应用材料（AMAT）、先 晶半导体（ASMI）、泛林半导体（Lam）、东京电子（TEL）等国际巨头垄断。2019 年， ALD 设备龙头东京电子（TEL）和先晶半导体（ASMI）分别占据了 31%和 29%的市

17、场份 额，剩下 40%的份额由其他厂商占据；在 CVD 市场中，应用材料（AMAT）全球占比约 为 30%，连同泛林半导体（Lam）的 21%和 TEL 的 19%，三大厂商占据了全球 70%的市 场份额；而应用材料（AMAT）则基本垄断了 PVD 市场，占 85%的比重，处于绝对龙头地 位。中国半导体设备整体仍严重依赖进口，集成电路设备自给率仅有 5%左右，进口替代空 间巨大。根据中国电子专用设备工业协会数据统计，2020 年国产半导体设备销售额约为 213 亿元，自给率约为 16%。如仅考虑集成电路设备，国内自给率仅有 5%左右，在全球 市场仅占 1-2%，技术含量最高的集成电路前道设备则自给率更低。半导体设备严重依赖进 口不仅影响我国半导体产业的发展，更对我国信息产业安全造成重大隐患。全球产能中心逐步向中国大陆转移，半导体制造国产化势必带动设备国产化。2020 年 以来，全球范围内人们对于各类电子产品需求大幅增长的同时，国际半导体晶圆制造、