2023晶圓制造行業(yè)簡(jiǎn)析報(bào)告

?晶圓是半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)材料，晶圓代工是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中極為重要的環(huán)節(jié)，專門(mén)負(fù)責(zé)晶圓制造，為芯片設(shè)計(jì)公司提供晶圓代工服務(wù)。?半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在前期只有垂直整合一種經(jīng)營(yíng)模式，包括從半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試到最終銷售的全部環(huán)節(jié)。隨著行業(yè)分工的不斷深化，臺(tái)積電的設(shè)立意味著半導(dǎo)體設(shè)計(jì)及制造業(yè)務(wù)的分離，晶圓代工模式正式成立。同時(shí)，專門(mén)從事IC芯片設(shè)計(jì)的無(wú)晶圓廠模式也成立了。序號(hào)項(xiàng)目模式1垂直整合模式(IDM模式)涵蓋芯片設(shè)計(jì)、晶國(guó)制造、封裝測(cè)試以及后續(xù)的產(chǎn)品銷售等環(huán)節(jié)2晶國(guó)代工模式(Foundry模式)不涵蓋芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，專門(mén)負(fù)責(zé)晶圓制造，為芯片產(chǎn)品公司提供晶圓代工服務(wù)3無(wú)晶圖廠模式(Fabless模式)不涵蓋晶圓制造環(huán)節(jié)和封裝測(cè)試環(huán)節(jié)，專門(mén)負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)和后續(xù)的產(chǎn)品銷售，將晶圓制造和封裝測(cè)試外包給專業(yè)的晶圓制造、封測(cè)企業(yè)根據(jù)設(shè)計(jì)需求多次循環(huán)掩模版制作掩模版制作前期處理 圓形轉(zhuǎn)移 功能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)入庫(kù)檢測(cè)入庫(kù)硅片清洗硅片清洗熱氧化熱氧化光刻（涂膠、曝光、顯影）光刻（涂膠、曝光、顯影）刻蝕（干法、濕法）刻蝕（干法、濕法）去膠去膠離子注入、退火離子注入、退火擴(kuò)散擴(kuò)散化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積物理氣相沉積物理氣相沉積化學(xué)機(jī)械研磨化學(xué)機(jī)械研磨晶圓測(cè)試晶圓測(cè)試包裝入庫(kù)包裝入庫(kù)材料類型主要材料主要用途晶圓制造材料硅片晶圓制造基底材料電子氣體氧化、還原、除雜掩膜版是微電子制造過(guò)程中的圖形轉(zhuǎn)移工具或母版，用于下游電子元器件行業(yè)批量復(fù)制生產(chǎn)光刻膠將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上的關(guān)鍵材料濕電子化學(xué)品微電子、光電子濕法工藝制程中使用的各種電子化工材料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)與物理研磨實(shí)現(xiàn)大面積平坦化靶材制備薄膜的元素級(jí)材料封裝材料封裝基板保護(hù)、支撐、散熱，連接芯片與PCB引線框架保護(hù)、支撐，連接芯片與PCB材料類型主要材料主要用途晶圓制造材料硅片晶圓制造基底材料電子氣體氧化、還原、除雜掩膜版是微電子制造過(guò)程中的圖形轉(zhuǎn)移工具或母版，用于下游電子元器件行業(yè)批量復(fù)制生產(chǎn)光刻膠將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上的關(guān)鍵材料濕電子化學(xué)品微電子、光電子濕法工藝制程中使用的各種電子化工材料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)與物理研磨實(shí)現(xiàn)大面積平坦化靶材制備薄膜的元素級(jí)材料封裝材料封裝基板保護(hù)、支撐、散熱，連接芯片與PCB引線框架保護(hù)、支撐，連接芯片與PCB鍵合絲芯片和引線框架、基板間連接線陶瓷封裝體絕緣打包?在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，半導(dǎo)體材料位于制造環(huán)節(jié)上游，和半導(dǎo)體設(shè)備一起構(gòu)成了制造環(huán)節(jié)的核心上游供應(yīng)鏈，不同于其他行業(yè)材料，半導(dǎo)體材料是電子級(jí)材料，對(duì)精度純度等都有更為嚴(yán)格。?半導(dǎo)體材料主要分為晶圓制造材料和封裝材料，其中晶圓制造材料中，硅片為晶圓制造基底材料。根據(jù)SEMI數(shù)據(jù)，2021年全球晶圓制造材料中，硅片占比最高為35%。30000250002000015000300002500020000150001000050000100%95%90%85%80%75%?2020年以來(lái)，缺芯問(wèn)題困擾半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，諸多芯片制造商宣布建廠擴(kuò)產(chǎn)；上游晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)火熱，與下游終端需求進(jìn)入寒冬形成了鮮明對(duì)比。?2022年年末，全球晶圓總產(chǎn)能為2546萬(wàn)片/月（等效8英寸，不含光電子和三代半材料），同比增長(zhǎng)9.5%，2023年末有望達(dá)2783萬(wàn)片/月。22Q4全球等效8英寸晶圓產(chǎn)能約2630萬(wàn)片，SEMI預(yù)期2023年產(chǎn)能達(dá)2900萬(wàn)片。 2020年-2025E全球晶圓年末月產(chǎn)能350014%3000250020001500100050004% 第三方統(tǒng)計(jì)全球晶圓年度產(chǎn)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%?中國(guó)大陸未來(lái)3年的產(chǎn)能增速都遠(yuǎn)高于其他國(guó)家/地區(qū)。預(yù)計(jì)2023-2025年中國(guó)大陸自主晶圓產(chǎn)能將同比增長(zhǎng)18.8%/19.6%/17.4%。?在半導(dǎo)體設(shè)備出口管制的影響和美國(guó)排他性條款的影響下，外資產(chǎn)能建設(shè)趨緩，未來(lái)中國(guó)大陸的主要增量來(lái)自中芯國(guó)際4個(gè)12英寸晶圓廠的建設(shè)和爬坡，以及長(zhǎng)存、長(zhǎng)鑫的存儲(chǔ)產(chǎn)能提升。各國(guó)晶圓廠自主產(chǎn)能增速各地區(qū)產(chǎn)線產(chǎn)能增速 250020001500 25002000150010005000?晶圓行業(yè)分成IDM模式、PureFoundry模式，IDM與PureFoundry的產(chǎn)能占比為7:3。頭部存儲(chǔ)公司以IDM模式經(jīng)營(yíng)，故IDM模式的產(chǎn)能占比較大。2022年以IDM模式經(jīng)營(yíng)的公司產(chǎn)能為1810萬(wàn)片/月。?IDM公司的產(chǎn)能中，63.2%為存儲(chǔ)器公司，28.3%為主營(yíng)模擬&功率類的公司，僅有8.4%的邏輯芯片產(chǎn)能是以IDM模式生產(chǎn)的，主要是Intel的產(chǎn)能。?IDM模式前進(jìn)過(guò)程或有分歧，代工產(chǎn)能供不應(yīng)求。一方面，大多數(shù)功率&模擬公司向大尺寸邁進(jìn)，TI、Infineon等大舉新建12英寸fab；另一方面，安森美陸續(xù)出售多個(gè)晶圓廠，執(zhí)行fab-lite戰(zhàn)略。預(yù)計(jì)22-25年IDM和純晶圓廠的產(chǎn)能CAGR分別為8.8%/9.9%。 2022年不同經(jīng)營(yíng)模式的晶圓產(chǎn)能分布PureFoundryIDM28.9%71.1%6543210250002000015000100005000065432102500020000150001000050000?根據(jù)摩爾定律，約18月集成電路晶體管數(shù)量將增加一倍，技術(shù)持續(xù)發(fā)展下集成電路線寬不斷縮小，集成電路的設(shè)備投資呈指數(shù)級(jí)上升趨勢(shì)。?根據(jù)IBS統(tǒng)計(jì)，5nm產(chǎn)線的設(shè)備投資高達(dá)數(shù)百億美元，是16/14nm產(chǎn)線投資的兩倍以上，是28nm的四倍左右。為實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算，調(diào)整每個(gè)矢量變得越來(lái)越困難。?芯片設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，先進(jìn)制程的投資額大幅提升，5萬(wàn)片晶圓的5nm產(chǎn)能設(shè)備投資額達(dá)到150億美金，相應(yīng)的帶來(lái)生產(chǎn)成本的抬升；此外芯片大尺寸會(huì)帶來(lái)良率問(wèn)題。不同制程工藝下芯片制造成本每5萬(wàn)片晶圓產(chǎn)能的設(shè)備投資（百萬(wàn)美元）?生產(chǎn)設(shè)備是晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)中主要支出投入。據(jù)《屹唐股份招股說(shuō)明書(shū)》，新建晶圓廠資本開(kāi)支結(jié)構(gòu)中，70%-80%的投資用于設(shè)備購(gòu)買(mǎi)，其中跟芯片制造相關(guān)的核心設(shè)備又占設(shè)備投資的78%-80%。業(yè)界頭部廠商的資本開(kāi)支，對(duì)設(shè)備行業(yè)的訂單狀況有較大影響。大環(huán)節(jié)具體環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)設(shè)備廠房建設(shè):20/-30%設(shè)計(jì):2%-7%-土建設(shè)地:30%-40%-潔凈室分工:50%-70%機(jī)電系統(tǒng):25%/-35%潔凈室系統(tǒng):25%-35%設(shè)備投資:70%-80%硅片制造:1%/-3%長(zhǎng)晶&切磨批設(shè)備:2%薄膜沉積設(shè)備:18%芯片制造:78%/-80%光刻設(shè)備:17%刻蝕/去膠設(shè)備:18%退火/擴(kuò)散/注入設(shè)備:5%工藝控制設(shè)備:11%(涂膠4%)清洗/CMP設(shè)備:8%其他加工設(shè)備:10+%封裝測(cè)試:18%/-20%封裝測(cè)試:40%-45%CP&FT測(cè)試設(shè)備:55%-60%晶圓測(cè)試晶圓級(jí)封測(cè)工藝前的測(cè)試篩選來(lái)料良率、減少封裝成本測(cè)試機(jī)+探針臺(tái)成品測(cè)試芯片級(jí)封測(cè)工藝完成后的測(cè)試晶圓測(cè)試晶圓級(jí)封測(cè)工藝前的測(cè)試篩選來(lái)料良率、減少封裝成本測(cè)試機(jī)+探針臺(tái)成品測(cè)試芯片級(jí)封測(cè)工藝完成后的測(cè)試篩選最終出貨芯片產(chǎn)品良率測(cè)試機(jī)+分揀機(jī)?在半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)過(guò)程中，F(xiàn)T測(cè)試（FinalTest）、WAT測(cè)試（WaferAcceptanceTest）CP測(cè)試（ChipProbeTest）分別適用于不同生產(chǎn)工藝階段，用于確保晶圓的質(zhì)量并排除不良產(chǎn)品。?WAT測(cè)試是在芯片制造過(guò)程的早期階段進(jìn)行的，在晶圓制造完成后而芯片分離和封裝之前，針對(duì)晶圓進(jìn)行測(cè)試。?CP測(cè)試是在晶圓分離成多個(gè)芯片之后而芯片封裝之前進(jìn)行的，在芯片上安裝探針，以在芯片的金屬引腳上執(zhí)行測(cè)試。?FT測(cè)試是在芯片封裝之后的最終測(cè)試階段進(jìn)行的，封裝后的芯片外觀更接近最終產(chǎn)品，包括封裝、引腳和封裝材料。晶圓可接受度測(cè)試晶圓級(jí)主要是晶圓制造結(jié)束后測(cè)試(偶爾用于制造過(guò)程中)監(jiān)控工藝穩(wěn)定性、檢測(cè)工藝窗口、判斷晶圓出貨標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試機(jī)+探針臺(tái)(萬(wàn)片/月)美國(guó)ArizonaPhoenix2美國(guó)ArizonaPhoenix322/28nm、12/16nm////韓國(guó)Pyeongtaek//美國(guó)Taylor,Texas//美國(guó)Boise,Idaho//57nm/4nmFab52、Fab62美國(guó)Chandler,Arizona65德國(guó)mega-fab//2.75322/28nm488.7億美元?目前滿產(chǎn)的8、12英寸各有120條和84條，另有17條8英寸線尚處爬坡中；但規(guī)劃待建/在建的產(chǎn)線基本以12英寸為主，規(guī)劃待建+已在建的12英寸產(chǎn)線合計(jì)設(shè)計(jì)產(chǎn)能超過(guò)400萬(wàn)片/月。?頭部晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)也基本以12英寸為主，TSMC致力于擴(kuò)大全球制造足跡，滿足不同地區(qū)客戶需求，除了中國(guó)臺(tái)灣的本土工廠外，還有美國(guó)ArizonaP1、與索尼合資的日本熊本Fab23在建。全球各狀態(tài)晶圓產(chǎn)線數(shù)量分布（條）140120100806040200頭部半導(dǎo)體晶圓廠未來(lái)主要擴(kuò)增產(chǎn)線?截至2022年底，全球Top5公司合計(jì)月產(chǎn)能1304萬(wàn)片，占全球總產(chǎn)能的51.2%。半導(dǎo)體下行期，存儲(chǔ)企業(yè)大幅削減資本開(kāi)支，Micron預(yù)計(jì)FY2023年，用于晶圓制造設(shè)備的資本開(kāi)支下降約50%，SKHynix也計(jì)劃削減超50%的資本開(kāi)支，Samsung計(jì)劃維持22年的資本開(kāi)支，但將進(jìn)行有效減產(chǎn)。?2022年全球WFE（晶圓廠設(shè)備支出）達(dá)950億美元，KLA預(yù)計(jì)今年將下降20%至750億美元，其中存儲(chǔ)降幅達(dá)35%-40%，代工/邏輯下降約10%。頭部半導(dǎo)體晶圓廠資本開(kāi)支變化（億美元）全球半導(dǎo)體晶圓產(chǎn)能TOP5（等效8英寸）4003503002502001501000Samsung?臺(tái)積電在美國(guó)亞利桑那州建設(shè)晶圓廠，生產(chǎn)采用4納米和3納米工藝的芯片，預(yù)計(jì)將于2024年和2026年開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)。投資規(guī)模將會(huì)超過(guò)400億美金。臺(tái)積電在中國(guó)臺(tái)灣建設(shè)的3納米及2納米晶圓廠合計(jì)將超過(guò)10座，以先進(jìn)制程月產(chǎn)能3萬(wàn)片晶圓廠投資金額約200億美元估算，總投資金額將超過(guò)2000億美元。?三星電子為了滿足企業(yè)客戶定制芯片的需求，并可能在美國(guó)建立新的工廠。三星已經(jīng)在美國(guó)德克薩斯州奧斯汀運(yùn)營(yíng)一個(gè)代工芯片設(shè)施，并且宣布在德克薩斯州泰勒投資170億美元，將于2024年開(kāi)始用3nm節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大批量生產(chǎn)。此外，考慮投資2000億美元在德克薩斯州建立另外11個(gè)芯片工廠。2021年規(guī)模2022年規(guī)模2022產(chǎn)能2023產(chǎn)能2021capex2022capex2023capex臺(tái)積電570億美元758億美元1500-1600萬(wàn)片1年1600-1700萬(wàn)片1年300億美元363億美元320-360億美元三星代工業(yè)務(wù)83億美元94億美元--295億美元(含存儲(chǔ))390億美元(含存儲(chǔ))390億美元(含存儲(chǔ))?摩爾定律正接近物理極限使得晶體管微型化變得越來(lái)越困難，全周?chē)鷸艠O（GAA）技術(shù)為制程突破提供了可行解決方案。從各晶圓廠技術(shù)路徑規(guī)劃來(lái)看，2nm采用GAA成為業(yè)內(nèi)普遍選擇。?在GAA晶體管中，柵極材料包圍了晶體管的源和漏，從而提供了更好的電流控制。這可以幫助減少量子隧道效應(yīng)，從