2023晶圆制造行业简析报告

•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、封测企业根据设计需求多次循环掩模版制作掩模版制作前期处理 圆形转移 功能实现检测入库检测入库硅片清洗硅片清洗热氧化热氧化光刻（涂胶、曝光、显影）光刻（涂胶、曝光、显影）刻蚀（干法、湿法）刻蚀（干法、湿法）去胶去胶离子注入、退火离子注入、退火扩散扩散化学气相沉积化学气相沉积物理气相沉积物理气相沉积化学机械研磨化学机械研磨晶圆测试晶圆测试包装入库包装入库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•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%。30000250002000015000300002500020000150001000050000100%95%90%85%80%75%•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350014%3000250020001500100050004% 第三方统计全球晶圆年度产能45.0%40.0%35.0%30.0%25.0%20.0%15.0%10.0%5.0%0.0%45.0%40.0%35.0%30.0%25.0%20.0%15.0%10.0%5.0%0.0%35.0%30.0%25.0%20.0%15.0%10.0%5.0%0.0%•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%。•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各地区产线产能增速 250020001500 25002000150010005000•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PureFoundryIDM28.9%71.1%6543210250002000015000100005000065432102500020000150001000050000•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。•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。不同制程工艺下芯片制造成本每5万片晶圆产能的设备投资（百万美元）•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。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%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•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。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(万片/月)美国ArizonaPhoenix2美国ArizonaPhoenix322/28nm、12/16nm////韩国Pyeongtaek//美国Taylor,Texas//美国Boise,Idaho//57nm/4nmFab52、Fab62美国Chandler,Arizona65德国mega-fab//2.75322/28nm488.7亿美元•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）140120100806040200头部半导体晶圆厂未来主要扩增产线•截至2022年底，全球Top5公司合计月产能1304万片，占全球总产能的51.2%。半导体下行期，存储企业大幅削减资本开支，Micron预计FY2023年，用于晶圆制造设备的资本开支下降约50%，SKHynix也计划削减超50%的资本开支，Samsung计划维持22年的资本开支，但将进行有效减产。•2022年全球WFE（晶圆厂设备支出）达950亿美元，KLA预计今年将下降20%至750亿美元，其中存储降幅达35%-40%，代工/逻辑下降约10%。头部半导体晶圆厂资本开支变化（亿美元）全球半导体晶圆产能TOP5（等效8英寸）4003503002502001501000Samsung•台积电在美国亚利桑那州建设晶圆厂，生产采用4纳米和3纳米工艺的芯片，预计将于2024年和2026年开始大规模生产。投资规模将会超过400亿美金。台积电在中国台湾建设的3纳米及2纳米晶圆厂合计将超过10座，以先进制程月产能3万片晶圆厂投资金额约200亿美元估算，总投资金额将超过2000亿美元。•三星电子为了满足企业客户定制芯片的需求，并可能在美国建立新的工厂。三星已经在美国德克萨斯州奥斯汀运营一个代工芯片设施，并且宣布在德克萨斯州泰勒投资170亿美元，将于2024年开始用3nm节点进行大批量生产。此外，考虑投资2000亿美元在德克萨斯州建立另外11个芯片工厂。2021年规模2022年规模2022产能2023产能2021capex2022capex2023capex台积电570亿美元758亿美元1500-1600万片1年1600-1700万片1年300亿美元363亿美元320-360亿美元三星代工业务83亿美元94亿美元--295亿美元(含存储)390亿美元(含存储)390亿美元(含存储)•摩尔定律正接近物理极限使得晶体管微型化变得越来越困难，全周围栅极（GAA）技术为制程突破提供了可行解决方案。从各晶圆厂技术路径规划来看，2nm采用GAA成为业内普遍选择。•在GAA晶体管中，栅极材料包围了晶体管的源和漏，从而提供了更好的电流控制。这可以帮助减少量子隧道效应，从