今年全球下游终端需求暂无强劲增长动力,但随着以中芯国际为代表的晶圆厂不断逆势扩大产能,未来国产设备渗透率有望进一步攀升,也将进一步推动工艺技术持续升级,产能及产品种类不断扩大,也将使得上游设备和零部件持续受益。

近几年来,一系列的芯片事件凸显了中国芯片过度依赖国外的困境,也坚定了中国自主造芯的决心。9月24日,中芯国际天津西青12英寸芯片项目正式开工建设。据了解,中芯国际天津西青12英寸芯片项目计划投资75亿美元,规划建设月产能为10万片的12英寸晶圆生产线,可提供180—28纳米不同技术节点的晶圆代工与技术服务,产品主要应用于通讯、汽车电子、消费电子、工业等领域。

《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》已明确,中国芯片自给率要在2025年达到70%。作为中国大陆芯片代工领头羊,中芯国际将在中国自主造芯进程中发挥重要作用。新建项目不仅将提升中国成熟工艺芯片的产能,也将为国产半导体设备厂商带来新的发展机遇。

瞄准28纳米成熟工艺更具意义

目前,中芯国际主要提供350纳米到14纳米制程工艺设计和制造服务。而值得关注的是,中芯国际此次在天津投建的工厂,依旧是扩大成熟产能,生产28nm-180nm工艺的芯片。实际上,中芯国际很早就在14纳米FinFET技术取得了突破性进展,并于2019年第四季度进入量产,是中国大陆自主研发集成电路的最先进水平。

那么,中芯国际为何不扩大14纳米甚至更先进工艺芯片产能?正如中国工程院院士吴汉明所说:“本土可控的55nm芯片制造,比进口7nm更有意义。” 

伴随《2022年芯片与科学法案》已经生效,美国将进一步收紧对中国出口芯片制造设备的限制,已经禁止未经许可向中国大陆芯片制造商出售大多数可以制造14nm或更先进制程的芯片的设备。目前,该消息已经从美国相关半导体设备厂商得到证实。而目前中芯国际14纳米芯片可能未完全量产,7nm还在研发中,更重要的是相关配套的设备仍然受制于国外。

不过,28纳米芯片不仅是先进制程和成熟制程的分水岭,也是目前业内公认的性价比超高的芯片工艺制程。据悉,中芯国际28纳米工艺芯片早已在2013年第四季度推出,已成功进入多项目晶圆(MPW)和量产阶段,与其配套的国产半导体设备也更加成熟。

目前,中芯国际在上海、北京等地已建设了28nm工艺芯片生产基地,虽然扩充的芯片产能依旧是成熟的28nm工艺,但已经可以满足绝大部分的客户需求。因此,基于先进工艺芯片不仅投入大,花费时间更长,且相关设备受限,中芯国际重点稳固在成熟工艺上的优势,以成熟的工艺满足当前人工智能、物联网、汽车电子等新兴领域的需求,尽快抢占成熟工艺芯片市场,更具有实际意义。

成熟芯片前道制造工艺取得突破

相关数据显示,10万片月产能的成熟工艺晶圆厂,设备采购额高达70亿美元(约450亿元)。华西证券研报显示,在晶圆制造设备开支占比上,刻蚀设备占比约22.1%、CVD设备16.4%,合计64.9%;CMP设备3.5%,离子注入设备3%,溅射设备4.8%,热处理设备2.7%,清洗设备7%,前道检测设备10.5%。

整体来看,以光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备为代表的前道制造设备的市场规模占整个设备市场规模的80%以上。目前全球半导体前道制造设备市场主要由国外厂商主导,其中又以美国和日本厂商为主,包括美国的应用材料(AMAT)和泛林半导体(LamResearch),日本的东京电子(TEL)和日立高新(HITACHI),荷兰的ASML等国际知名企业。以光刻机为例,目前全球光刻机市场几乎由ASML、尼康和佳能三家厂商垄断,其中又以ASML一家独大。

尽管半导体前道制造设备主要以国外厂商为主,但近几年国产半导体设备厂商也在一些成熟制程工艺的前道制造设备上取得了一些突破。其中,上海微电子光刻机产品有SSX600和SSB500两个系列,其中SSX600系列主要应用于IC前道光刻工艺,可满足IC前道制造90nm、110nm、280nm关键层和非关键层的光刻工艺需求;SSB500系列光刻机主要应用于IC后道先进封装工艺。

中微公司在逻辑芯片制造环节开发的12英寸高端刻蚀设备已运用在国内外知名客户65nm到5nm制程的芯片生产线上。同时,中微公司根据客户需求,已开发出5nm及更先进刻蚀设备用于若干关键步骤的加工,并已获得行业领先客户的批量订单。在3DNAND芯片制造环节,中微公司的CCP刻蚀设备可应用于64层、128层及更高层数NAND的量产,并且正在开发新一代能够涵盖200层以上极高深宽比的刻蚀设备和工艺。

在薄膜沉积设备上,国内代表厂商主要有北方华创、中微公司和拓荆科技。北方华创主要研发PVD、LPCVD和APCVD设备,中微公司主要研发MOCVD设备,拓荆科技主要研发PECVD以及SACVD设备,三者无直接竞争关系。各公司专注于不同细分领域,共同发展弥补国内企业在相关行业的短板。

除了光刻、薄膜沉积以及刻蚀三大核心工艺外,中国厂商在其他前道设备,比如涂胶显影设备、清洗设备、离子注入设备以及扩散设备等,也有了一定的技术沉淀。

晶圆厂扩产利好国产设备发展

如今,芯片行业已经是全球关注的重点。目前,美国、欧盟、日本、韩国、印度等全球多个经济体陆续推出本土芯片扶持计划,芯片制造本土化趋势明显,将进一步提升设备采购需求。

当前,正处于全球半导体供应链的大变革阶段,一方面在各国加大政策补贴背景下,产能扩张持续加码,扩产潮下设备企业受益显著;另一方面在施加外部限制背景下,供应链安全得到重点关注,本土设备材料零部件供应商更多承接本土需求,持续获得份额提升。

今年以来,美国已经多次对大陆半导体进行针对性制裁,以及随着外部竞争加剧,将迫使国内半导体产业坚定不移向全面国产化奋进。尽管相对台积电、三星、英特尔,中芯国际在先进芯片工艺上仍有不少差距,但依托中国大陆所拥有全球最广泛的电子制造、终端品牌和市场需求优势,且从供应链安全考量,国产设备、零部件的研发、验证有望加速。

目前,中芯国际在上海、北京、天津、深圳建有三座8吋晶圆厂和三座12吋晶圆厂;在上海、北京、深圳、天津各有一座12吋晶圆厂在建中。而中芯国际扩大成熟产能传递出的一个重要信息是中芯国际的良品率超预期,可以稳定的大规模量产。实际上,中芯国际从2020年以来新投建的几座工厂,都集中在28/45/65nm,已具备完全量产28纳米芯片的能力。

同时,更重要的是,中芯国际扩产28nm等成熟制程计划,将为具有成熟产品的国产半导体设备公司、以及半导体材料公司带来新的增长机遇,且将进一步助力其更先进工艺设备和材料的研发。根据中国国际招标网数据,近几年半导体设备整体的国产化率已经从2018年的10.34%高速增长至2022年上半年的24.38%。

整体来看,今年全球下游终端需求暂无强劲增长动力,但随着以中芯国际为代表的晶圆厂不断逆势扩大产能,未来国产设备渗透率有望进一步攀升,也将进一步推动工艺技术持续升级,产能及产品种类不断扩大,也将使得上游设备和零部件持续受益。

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