2023晶圆制造行业简析报告

晶圆制造 行业简析报告 版权归属上海嘉世营销咨询有限公司商业合作/内容转载/更多报告 01.晶圆是半导体制造中的关键步骤 •晶圆是半导体器件的基础材料，晶圆代工是半导体产业中极为重要的环节，专门负责晶圆制造，为芯片设计公司提供晶圆代工服务。 •半导体产业在前期只有垂直整合一种经营模式，包括从半导体设计、制造、测试到最终销售的全部环节。随着行业分工的不断深化，台积电的设立意味着半导体设计及制造业务的分离，晶圆代工模式正式成立。同时，专门从事IC芯片设计的无晶圆厂模式也成立了。 序号 项目 模式 1 垂直整合模式 (IDM模式) 涵盖芯片设计、晶國制造、封装测试以及后续的产品销售等环节 2 晶國代工模式 (Foundry模式) 不涵盖芯片设计环节，专门负责晶圆制造，为芯片产品公司提供晶圆代工服务 3 无晶圖厂模式 (Fabless模式) 不涵盖晶圆制造环节和封装测试环节，专门负责芯片设计和后续的产品销售，将晶圆制造和封装测试外包给专业的晶圆制造、封测企业 半导体产业的企业经营模式晶圆代工工艺流程 前期处理 硅片清洗 热氧化 根掩模版制作 据 设圆形转移 计需求多次循 环功能实现 检测入库 光刻（涂胶、曝光、显影）刻蚀（干法、湿法） 去胶 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测试 包装入库 数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络 02.硅片为晶圆制造的基底材料 •在半导体产业链中，半导体材料位于制造环节上游，和半导体设备一起构成了制造环节的核心上游供应链，不同于其他行业材料，半导体材料是电子级材料，对精度纯度等都有更为严格。 •半导体材料主要分为晶圆制造材料和封装材料，其中晶圆制造材料中，硅片为晶圆制造基底材料。根据SEMI数据，2021年全球晶圆制造材料中，硅片占比最高为35%。 半导体材料主要细分产品情况硅片尺寸进化史 材料类型 主要材料 主要用途 晶圆制造材料 硅片 晶圆制造基底材料 电子气体 氧化、还原、除杂 掩膜版 是微电子制造过程中的图形转移工具或母版，用于下游电子元器件行业批量复制生产 光刻胶 将掩膜版上的图形转移到硅片上的关键材料 湿电子化学品 微电子、光电子湿法工艺制程中使用的各种电子化工材料 CMP材料 通过化学反应与物理研磨实现大面积平坦化 靶材 制备薄膜的元素级材料 封装材料 封装基板 保护、支撑、散热，连接芯片与PCB 引线框架 保护、支撑，连接芯片与PCB 键合丝 芯片和引线框架、基板间连接线 陶瓷封装体 绝缘打包 1960年 1975年 1981年 1985年 1988年 1995年 2001年 2017年 第一代硅片，直径为25.4毫米，相当于一英寸第二代硅片，直径增加到76.2毫米，相当于三英寸第三代硅片，直径达到100毫米，相当于四英寸 第四代硅片，直径扩大到125毫米，相当于五英寸第五代硅片，直径为150毫米，相当于六英寸第六代硅片，直径为200毫米，相当于八英寸 第七代硅片，直径为300毫米，相当于十二英寸第八代硅片，直径为450毫米，相当于十八英寸 数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络 03.全球晶圆产能持续扩张 •2020年以来，缺芯问题困扰半导体产业链，诸多芯片制造商宣布建厂扩产；上游晶圆厂扩产火热，与下游终端需求进入寒冬形成了鲜明对比。 •2022年年末，全球晶圆总产能为2546万片/月（等效8英寸，不含光电子和三代半材料），同比增长9.5%，2023年末有望达2783万片/月。22Q4全球等效8英寸晶圆产能约2630万片，SEMI预期2023年产能达2900万片。 2020年-2025E全球晶圆年末月产能第三方统计全球晶圆年度产能 全球晶圆总产能（万片/月，等效8英寸）YOY 产能（万片，等效8英寸）装运量（万片，等效8英寸）铸造利用率 3500 14% 30000 100% 3000 2500 2000 1500 1000 500 12% 10% 8% 6% 4% 2% 25000 20000 15000 10000 5000 95% 90% 85% 80% 0 2020 2021 2022 0% 2023E2024E2025E 0 2020Q12020Q22020Q32020Q42021Q12021Q22021Q32021Q42022Q12022Q22022Q32022Q4 75% 数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络 04.中国大陆产能将以远超行业的速度增长 •中国大陆未来3年的产能增速都远高于其他国家/地区。预计2023-2025年中国大陆自主晶圆产能将同比增长18.8%/19.6%/17.4%。 各地区产线产能增速 2021 2022 2023E 2024E 2025E 35.0% 30.0% 25.0% 20.0% 15.0% 10.0% 5.0% 0.0% 中国大陆中国台湾 韩国 日本 美国 欧洲 其他 数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络 •在半导体设备出口管制的影响和美国排他性条款的影响下，外资产能建设趋缓，未来中国大陆的主要增量来自中芯国际4个12英寸晶圆厂的建设和爬坡，以及长存、长鑫的存储产能提升。 各国晶圆厂自主产能增速 2021 2022 2023E 2024E 2025E 45.0% 40.0% 35.0% 30.0% 25.0% 20.0% 15.0% 10.0% 5.0% 0.0% 中国大陆中国台湾 韩国 日本 美国 欧洲 其他 05.晶圆行业的两大经营模式 •晶圆行业分成IDM模式、PureFoundry模式，IDM与PureFoundry的产能占比为7:3。头部存储公司以IDM模式经营，故IDM模式的产能占比较大。2022年以IDM模式经营的公司产能为1810万片 /月。 •IDM公司的产能中，63.2%为存储器公司，28.3%为主营模拟&功率类的公司，仅有8.4%的逻辑芯片产能是以IDM模式生产的，主要是Intel的产能。 •IDM模式前进过程或有分歧，代工产能供不应求。一方面，大多数功率&模拟公司向大尺寸迈进，TI、Infineon等大举新建12英寸fab；另一方面，安森美陆续出售多个晶圆厂，执行fab-lite战略。预计22-25年IDM和纯晶圆厂的产能CAGR分别为8.8%/9.9%。 2022年不同经营模式的晶圆产能分布不同类型IDM厂商的产能（按公司主营业务分类） PureFoundryIDM 2500 memorylogicanalog&power 2000 28.9% 1500 1000 71.1% 500 0 2020 2021 2022 2023E 2024E 2025E 数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络 NORMALIZEDCOST/YIELDEDMM 06.晶圆厂投资成本越来越高 •根据摩尔定律，约18月集成电路晶体管数量将增加一倍，技术持续发展下集成电路线宽不断缩小，集成电路的设备投资呈指数级上升趋势。 •根据IBS统计，5nm产线的设备投资高达数百亿美元，是16/14nm产线投资的两倍以上，是28nm的四倍左右。为实现高性能计算，调整每个矢量变得越来越困难。 每万片晶圆产能的设备投资（百万美元） 25000 20000 15000 10000 5000 0 数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络 不同制程工艺下芯片制造成本 6 5 4 3 2 1 0 45nm 32nm 28nm 20nm 14/16nm 7nm 5nm •芯片设计更加复杂，先进制程的投资额大幅提升，5万片晶圆的5nm产能设备投资额达到150亿美金，相应的带来生产成本的抬升；此外芯片大尺寸会带来良率问题。 07.设备占晶圆厂扩产开支的80% •生产设备是晶圆厂扩产中主要支出投入。据《屹唐股份招股说明书》，新建晶圆厂资本开支结构中，70%-80%的投资用于设备购买，其中跟芯片制造相关的核心设备又占设备投资的78%-80%。业 界头部厂商的资本开支，对设备行业的订单状况有较大影响。 新建晶圆厂资本开支结构 大环节 具体环节 对应设备 厂房建设:20/-30% 设计:2%-7% - 土建设地:30%-40% - 洁净室分工:50%-70% 机电系统:25%/-35% 洁净室系统:25%-35% 设备投资:70%-80% 硅片制造:1%/-3% 长晶&切磨批设备:2%薄膜沉积设备:18% 芯片制造:78%/-80% 光刻设备:17%刻蚀/去胶设备:18%退火/扩散/注入设备:5%工艺控制设备:11%(涂胶4%)清洗/CMP设备:8% 其他加工设备:10+% 封装测试:18%/-20% 封装测试:40%-45% CP&FT测试设备:55%-60% 数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络 08.通过不同测试保持晶圆产品质量 •在半导体芯片的生产过程中，FT测试（FinalTest）、WAT测试（WaferAcceptanceTest）CP测试（ChipProbeTest）分别适用于不同生产工艺阶段，用于确保晶圆的质量并排除不良产品。 •WAT测试是在芯片制造过程的早期阶段进行的，在晶圆制造完成后而芯片分离和封装之前，针对晶圆进行测试。 •CP测试是在晶圆分离成多个芯片之后而芯片封装之前进行的，在芯片上安装探针，以在芯片的金属引脚上执行测试。 •FT测试是在芯片封装之后的最终测试阶段进行的，封装后的芯片外观更接近最终产品，包括封装、引脚和封装材料。 激光雷达行业发展趋势 WAT测试CP测试FT测试 晶圆可接受度测试 晶圆级 主要是晶圆制造结束后测试(偶尔用于制造过程中) 监控工艺稳定性、检测工艺窗口、判断晶圆出货标准 测试机+探针台 晶圆测试 晶圆级 封测工艺前的测试 筛选来料良率、减少封装成本 测试机+探针台 成品测试 芯片级 封测工艺完成后的测试 筛选最终出货芯片产品良率 测试机+分拣机 数据来源：公开数据整理；嘉世咨询研究结论；图源网络 09.头部晶圆厂聚焦12英寸高歌猛进 •目前满产的8、12英寸各有120条和84条，另有17条8英寸线尚处爬坡中；但规划待建/在建的产线基本以12英寸为主，规划待建+已在建的12英寸产线合计设计产能超过400万片/月。 •头部晶圆厂扩产也基本以12英寸为主，TSMC致力于扩大全球制造足迹，满足不同地区客户需求，除了中国台湾的本土工厂外，还有美国ArizonaP1、与索尼合资的日本熊本Fab23在建。 全球各状态晶圆产线数量分布（条）头部半导体晶圆厂未来主要扩增产线 公司 产线 产线状态 产线地址 规划产能 (万片/月) 预计建成时间 制程 总投资 TSMC Fab19P1(N4) 在建 美国ArizonaPhoenix 2 2024年 N4 合计400亿美元 Fab19P2(N3) 规划待建 美国ArizonaPhoenix 3 2026年 N3 Fab23P1 在建 日本熊本县 5.5 2024年底 22/28nm、12/16nm 86亿美元 Fab22. 在建 中国台湾高雄 / 2024年 7nm / Fab18P7-P9 在建 中国台湾台南 / 陆续建成 3nm / Samsung PyeongtaekP4~P6 在建 韩国Pyeongtaek / 陆续建成 / 100万亿韩元 USFab 在建 美国Taylor,Texas / 2024年 / 170亿美元 Micron NewldahoFab 在建 美国Boise,Idaho / 2025年 先进DRAM 150亿美元 美国中部Megafab 规划待建 美国纽约Clay / 2025年 200亿美元 Intel Fab38P1 在建 以色列KiryatGat 5 2024年 7nm/4nm 100亿美元 Fab52、Fab62 在建 美国Chandler,Arizona 6 2024年 2nm 200亿美元 Ohio