2019年中國光刻機行業市場現狀、行業格局及發展趨勢分析

  光刻技術指利用光學-化學反應原理,將電路圖轉移到晶圓表面的工藝技術,光刻機是光刻工序中的一種投影曝光系統。其包括光源、光學鏡片、對準系統等。在制造過程中,通過投射光束,穿過掩膜板和光學鏡片照射涂敷在基底上的光敏性光刻膠,經過顯影后可以將電路圖最終轉移到硅晶圓上。

光刻工藝步驟繁多

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一、市場現狀及行業格局

    光刻機分為無掩模光刻機和有掩模光刻機。(1)無掩模光刻機可分為電子束直寫光刻機、離子束直寫光刻機、激光直寫光刻機。電子束直寫光刻機可以用于高分辨率掩模版以及集成電路原型驗證芯片等的制造,激光直寫光刻機一般是用于小批量特定芯片的制造。(2)有掩模光刻機分為接觸/接近式光刻機和投影式光刻機。接觸式光刻和接近式光刻機出現的時期較早,投影光刻機技術更加先進,圖形比例不需要為1:1,減低了掩膜板制作成本,目前在先進制程中廣泛使用。

    隨著曝光光源的改進,光刻機工藝技術節點不斷縮小。光刻設備從光源(從最初的g-Line,i-Line發展到EUV)、曝光方式(從接觸式到步進式,從干式投影到浸沒式投影)不斷進行著改進。

光刻機經歷了五代發展

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目前光刻機主要可以分為IC前道制造光刻機(市場主流)、IC后道先進封裝光刻機、LED/MEMS/PowerDevices制造用光刻機以及面板光刻機。其中IC前道光刻機需求量和價值量都最高,但是技術難度最大。而封裝光刻機對于光刻的精度要求低于前道光刻要求,面板光刻機主要用在薄膜晶體管制造中,與IC前道光刻機相比技術難度更低。

IC前道光刻機技術最為復雜,光刻工藝是IC制造的核心環節也是占用時間比最大的步驟,光刻機是目前晶圓制造產線中成本最高的半導體設備。光刻設備約占晶圓生產線設備成本27%,光刻工藝占芯片制造時間40%-50%。高精度EUV光刻機的使用將使die和wafer的成本進一步減小,但是設備本身成本也會增長。

光刻機是晶圓制造產線中的高投入型設備

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利用高端光刻機實現的先進制程可以進一步降低芯片尺寸和成本,但是設備成本會增長

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    光刻設備量價齊升帶動光刻設備市場不斷增長。一方面,隨著芯片制程的不斷升級,IC前道光刻機價格不斷攀升。目前最先進的EUV設備在2018年單臺平均售價高達1.04億歐元,較2017年單臺平均售價增長4%。另一方面,晶圓尺寸變大和制程縮小將使產線所需的設備數量加大,性能要求變高。12寸晶圓產線中所需的光刻機數量相較于8寸晶圓產線將進一步上升。同時預計2020年隨著半導體產線得到持續擴產,光刻機需求也將進一步加大。

12寸晶圓產線需要的光刻設備更多

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    光刻機采購節奏是內資產線資本支出的關鍵信號。內資產線一般會優先采購價值量和技術難度最高的光刻機。從長江存儲、華力微、華虹無錫、中芯紹興以及株洲中車的光刻機采購情況來看,各產線2019Q4至今光刻機合計采購量可觀,預示其2020年內資產線資本支出將進一步提升。

光刻機采購節奏是內資產線資本支出的關鍵信號

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    ASML、佳能以及尼康是光刻機主要供應商,其中ASML在高端市場一家獨大并且壟斷EUV光刻機。從光刻機總體出貨量來看(含非IC前道光刻機),目前全球光刻機出貨量99%集中在ASML,尼康和佳能。其中ASML份額最高,達到67.3%,且壟斷了高端EUV光刻機市場。ASML技術先進離不開高投入,其研發費用率始終維持在15%-20%,遠高于Nikon和Canon。

三大光刻機設備巨頭市場份額變化情況

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ASML研發費用率最高

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    除了應用于IC前道的光刻機之外,封裝光刻機以及LED/MEMS/功率器件光刻機利基市場也不斷發展。

    智研咨詢發布的《2020-2026年中國光刻機行業市場競爭力分析及投資前景趨勢報告》數據顯示:從需求量來看,先進封裝光刻機市場需求更大且增速最高,是利基市場的主要拉動力量。2015-2020年先進封裝、MEMS以及LED光刻機出貨量將持續增長,預計到2020年總需求量將超過250臺/年。

    2015年到2020年先進封裝光刻設備出貨量年復合增長率達到15%。MEMS光刻機需求量復合增速約9%左右。

先進封裝、MEMS、LED光刻機出貨量將不斷上升

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    光刻機還可以用于面板(FPD)領域,國內FPD產業處于高速發展階段,市場發展空間巨大。隨著國內FPD生產線的建設和陸續投產及下游電子設備應用多元化發展,我國FPD產業步入快速發展時期,產能持續增長。預計2020年我國FPD產能將達到194百萬平方米,2013-2020年復合增長率達36.48%,FPD市場保持高速增長,發展空間巨大。

    國內FPD產能全球占比持續提升。在FPD產業逐漸向中國大陸轉移和中國大陸以京東方為首的FPD廠商投資力度加大的雙重作用下,國內FPD產能全球占比持續提升。中國躍升為全球第二大FPD供應區,預計2020年國內FPD產能全球占比將提高至52%,屆時中國將成為全球最大的FPD生產基地。

2013-2020年中國FPD產能及全球占比

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    二、行業發展趨勢

    1965年摩爾發現:芯片制造商可以在保持相同成本的情況下,每2年將典型微處理器的晶體管數量增加一倍,并提高其性能,這一趨勢已經持續了50多年,被稱為摩爾定律。摩爾定律代表了半導體產業近50年的發展趨勢,即半導體更小、更強大、更便宜、更節能。在該原則的指導下,該行業已經經歷了一系列的技術轉型,芯片制作成本不斷下降,光刻機的分辨率不斷提高。光刻機波長不斷縮短、制程節點不斷提高,波長從436nm(g-Line)縮短到134nm(ArF-i),然后縮短到13.5nm(EUV);光刻系統滿足的技術節點從0.5μm到45nm,然后到現在的5nm,未來技術節點還將繼續提高到3nm、2nm。

預計摩爾定律將延續到未來十年,未來技術節點將繼續提高至3納米、2納米甚至更高,并且成本降低需求將成為芯片制造的一大趨勢。

光刻機行業發展趨勢:繼續摩爾定律