半导体制造难在哪里?

作者:王学恒 何立中 

来源:学恒的海外观察

半导体产业是集成了很多子系统的大系统

伴随着芯片的集成度越来越高、半导体制造的先进程度也逐渐提升。半导体产业包含越来越多的机械、化工、软件、材料等其它领域,是集成了很多子系统的大系统。

同时,涉及如此众多产业的半导体产业,也推动经济发展。因为,半导体产品的性能逐渐提升,而成本降低、价格下降。从而满足了市场对于高性能、低成本需求。

半导体制造五大难点

  • 一是集成度越来越高。在一颗芯片上集成的晶体管的数量,越来越多,从20世纪60年代至今,从1个晶体管增加到100亿以上。

  • 二是对精度要求越来越高,工艺加工难度越大。关键尺寸从1988年的1um,减小到2020年的5nm,减少了99.5%。从此角度看,集成电路制造的难度在逐渐提升,难度提升的加速度也在变大。

  • 三是单点技术突破难,构成半导体制造工序的最小单位的工艺技术就是单点技术,复杂电路的制造工序超过500道工序,这些工序都是在精密仪器下进行,人类的肉眼是看不清楚的。

  • 四是需要将多个技术集成。集成技术的难点在于,如何在短时间内完成从无限的组件技术组合中,制定低成本、满足规格且完全运行的工艺流程。类似:单人体育的乒乓球中国人可以全球拿冠军。但11人的足球队不能拿冠军,这就是集成技术的难点。

  • 五是批量生产技术。将研发中心通过集成技术构建的工艺流程移交给批量生产工厂。严格意义上的精确复制基本是不可能的。即使开发中心和批量生产工厂的设备相同,在同样的工艺条件下也未必能够得到同样的结果。这是因为即使是同样的设备,两台机器之间也会存在微小的性能差异(机差)。机差是半导体制造设备厂家在生产同一型号的设备时,因不可控因素的存在而可能产生的设备差异。随着半导体精密化程度的不断提高,机差问题也日益显著。

半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈

半导体制造是目前中国大陆半导体发展的最大瓶颈。电脑CPU、手机SOC/基带等高端芯片,国内已经有替代,虽然性能与国际巨头产品有差距,但是至少可以“将就着用”。而半导体制造是处于“0~1”的突破过程中。假如海外半导体代工厂不给中国大陆设计公司代工,那么中国的半导体产业将会受到很严重影响。

投资建议

我们认为,市场对芯片设计、半导体设备的认识已经很充分。而对半导体制造环节认识不够。同时,再加上半导体制造领域研究的高壁垒,导致资本市场对半导体制造是被动型忽视的。2020年是半导体制造的大年,我们继续推荐两大龙头:中芯国际、华虹半导体。

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半导体制造发展历史

20世纪50年代——晶体管技术

自从1947年贝尔实验室的第一个晶体管发明以来,20世纪50年代是各种半导体晶体管技术发展丰收的时期。

第一个晶体管用锗半导体材料。

第一个制造硅晶体管的是德州仪器公司。

20世纪60年代——改进工艺

此阶段,半导体制造商重点在工艺技术的改进,致力于提高集成电路性能以及降低成本。由于半导体制造的工艺性涉及多个行业,专门从事供应的行业发展起来以提供硅片制造需要的化学材料和设备。

众多高技术公司于20世纪60年代成立,:

1968年,成立英特尔公司。

1969年,成立AMD。

20世纪70年代——提升集成度

在20世纪70年代初期,微处理器是德州仪器公司和英特尔公司发明的,随着被市场应用广泛接受,产生了对更多芯片集成在一起的需求。大规模级的集成电路仅存在了几年,就被超大规模集成电路迅速取代,超大规模集成电路是20世纪70年代末的集成标准。

20世纪80年代——实现自动化

20世纪80年代,个人计算机产业的成长点燃了硬件和软件的需求,同时面对日本集成电路制造商的竞争压力,日本扩展他们的制造能力使得成品率和质量达到了意想不到的水平。随着这些发展,美国半导体公司由于竞争力弱大为震惊,甚至恐慌。到20世纪80年代中期,日本几乎完全占领了快速增长和技术需求的DRAM (动态随机存储器)市场份额。

1987年在美国国防部指导下,半导体产业界成立了SEMATECH。一是开发关于制造设备的规范和变革全行业的政策,二是应对来自日本竞争威胁。

美国的公司强调改善半导体设备、制造效率和产品质量。例如实现半导体制造设备、晶圆加工流程的自动化,目的是大幅度减少工艺中的操作者,因为人是净化间中的主要沾污源。

由于芯片快速向超大规模集成电路发展,芯片设计方法变化、特征尺寸减小。这些变化向工艺制造提出挑战,需要综合工艺的开发,实现批量生产。

20世纪90年代——高效率批量生产

在20世纪90年代,半导体产业竞争已经变得更加激烈。要想在世界芯片市场生存,制造商在约定的时间内,生产出复杂的高质量芯片是至关重要的。

半导体设备是高度自动化的,先进的材料传送系统在工作站之间移动硅片无须入工干涉。软件系统控制了几乎所有设备功能,包括故障查询诊断。技师和工程师干预下载生产菜单到设备软件数据库,并翻译软件诊断命令,以采取正确的设备维护行动。

半导体制造五大难点——集成众多子系统的大系统

伴随着芯片的集成度越来越高、半导体制造的先进程度也逐渐提升。半导体产业包含越来越多的机械、化工、软件、材料等其它领域,是集成了很多子系统的大系统。

同时,涉及如此众多产业的半导体产业,也推动经济发展。因为,半导体产品的性能逐渐提升,而成本降低、价格下降。从而满足了市场对于高性能、低成本需求。

如此高度行业集成的产业,具有五大难点,分两类。

一类是:高精细度、高集成度。

二类是:单点工艺技术、集成单点技术、批量生产技术。

第一,集成度越来越高

在一颗芯片上集成的晶体管的数量,越来越多,从20世纪60年代至今,从1个晶体管增加到100亿以上。电路集成度越高,挑战半导体制造工艺的能力,在可接受的成本条件下改善工艺技术,以生产高级程度的大规模集成电路芯片。为达到此目标,半导体产业已变成高度标准化的,大多数制造商使用相似的制造工艺和设备。开发市场成功的关键是公司在合适的时间推出合适的产品的能力。

第二,对精度要求越来越高

精度高体现在关键尺寸(CD),芯片上的物理尺寸特征被成为特征尺寸,业内描述特征尺寸的术语是电路几何尺寸。通俗理解是,关键尺寸越小,工艺加工难度越大。

关键尺寸从1988年的1um,减小到2020年的5nm,减少了99.5%。从此角度看,集成电路制造的难度在逐渐提升,难度提升的加速度也在变大。

从晶体管结构图看,关键尺寸是晶体管的栅长(下图中的线宽)。

第三,单点技术突破难

构成半导体制造工序的最小单位的工艺技术就是单点技术,或者组件技术。集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作。

复杂电路的制造工序超过500道工序,500道工序相当于500个单点技术,并且,这些工序都是在精密仪器下进行,人类的肉眼是看不清楚的,给制造带来很大的困难。以最典型的CMOS工艺为例,涉及到以下步骤。

我们将上图众多步骤划分为6个独立的生产区——扩散(包括氧化、膜淀积和掺杂工艺)、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入和抛光。

第四,需要将多个技术集成

结合单点技术,将电路植入硅片,构建此工艺流程的技术就是集成技术。例如在生产DRAM需要500道以上工序,该流程先在研发中心制定,且制定的流程是可以实际生产的。

在制定工艺流程阶段,单点技术的组合方式是无限的,即使是制造同样集成度、同样精密度的DRAM,不同半导体厂家采取的方式也各不相同。此外,不同的技术集成人员的工艺流程结构也不同。

集成技术的难点在于,如何在短时间内完成从无限的组件技术组合中,制定低成本、满足规格且完全运行的工艺流程。

集成技术我们用通过乒乓球、足球来理解。半导体制造的单点技术我们中国人可以突破,就跟单人体育的乒乓球一样,中国人可以全球拿冠军。但是,把这些单点技术组合到一起,就跟11人的足球队伍一样,组合到一起就不能拿冠军。这就是集成技术的难点。

第五,批量生产技术

这一段文字较多,但都是很重要的。

将研发中心通过集成技术构建的工艺流程移交给批量生产工厂,在硅片上植入符合目标质量要求的半导体并进行大量生产的技术就是批量生产技术。

真正严格意义上的精确复制基本是不可能的。即使开发中心和批量生产工厂的设备相同,在同样的工艺条件下也未必能够得到同样的结果。一般情况下难以得到相同的结果。

这是因为即使是同样的设备,两台机器之间也会存在微小的性能差异。这种差异称作机差。机差可以说是半导体制造设备厂家在生产同一型号的设备时,因不可控因素的存在而可能产生的设备差异。随着半导体精密化程度的不断提高,机差问题也日益显著。

目前全国范围的半导体制造投资热是基于这样的逻辑——“只要买了设备、排列好,按下按钮,人人都可以生产半导体”。这种观点是错误的,这种观点应用于其它行业有可能对,但是半导体制造是肯定错误的

投资建议

中芯国际(0981.hk):半导体代工龙头,看好先进制程

大陆半导体制造龙头:国资背景+技术型CEO

公司是我国大陆最大半导体代工厂,全球第五;最先进14nm工艺距离全球最先进的7nm只落后2代。前两大股东为大唐电信和国家集成电路基金。

梁孟松、杨光磊加盟,有望复制英特尔2013~2018年的辉煌

2017年技术型CEO梁孟松加盟,20198月原台积电研发处处长杨光磊加盟,有望带领公司复制2013~2018年英特尔的辉煌。2013~2018年技术型CEO科再奇任英特尔CEO,期间英特尔净利润下降9%,股价上涨157%。科再奇推动英特尔向物联网及AI转型,在IDM模式基础上,引入代工服务。

贸易战加速中芯国际成长

一是国内半导体需求增速超过GDP增速;二是国产芯片自给率很低,贸易战加速国产替换;三是贸易战导致上游设计企业为了分散风险,将订单从竞争对手转移至中芯国际。

追赶者在成熟制程还有机会

除了7nm工艺的logicRF芯片之外,公司的14nm(今年下半年贡献收入)以上的技术都可以实现。例如,电源管理和指纹识别应用需求确保8寸厂满产,物联网、CMOS图像传感器、WiFi芯片需求拉动12寸业务增长。

中芯国际才是真正的核心资产

能够成为国家半导体发展重大转折点的中芯国际才是核心资产。核心资产不是1~N的无限扩大,而是0~1的关键突破。

核心资产不是有了它更好,而是缺了它不行。市场上所谓的核心资产的缺乏或者消失,对国家、对社会的影响不大,大不了再成立一家公司继续做。而中芯国际这种半导体代工厂是整个科技产业的基础,在海外限制半导体制造的背景下,大陆缺少半导体制造,会动摇科技产业的根基。从这个角度看,中芯国际才是核心资产。

由于中芯国际处于港股,大陆资本对中芯国际认识不够。同时,再加上半导体产业研究的高壁垒,导致资本市场对中芯国际是被动型忽视的。

贸易战加速中芯国际成长,也加速资本市场对中芯国际的认识

最近一年,在贸易战、美国对中国半导体发展各种限制的大背景下,市场逐渐意识到半导体制造才是核心资产,是不可或缺的资产。在这个逻辑下,中芯国际应该享有比其它制造业更高的估值。

一是中芯国际作为不可获取的核心资产,相对于面板龙头、家用电器龙头、手机零部件龙头,中芯国际的估值有很大提升空间。

受益于半导体国产化,市场认识从低估走向合理,维持“买入”评级目标价22~23.7港元

大陆半导体产业要崛起,从设计到代工、封测都要自主化,所以大陆的芯片设计公司寻求大陆代工是必然趋势。无论是国内芯片设计巨头,还是芯片设计中小型公司,都在有可能将代工转向国内,这种代工订单转移逐渐成为业内共识,且趋势正在加强。中芯国际作为国内代工龙头(产线种类多、产能大),将明显受益。

预计2019~2021年收入分别为31.32亿美元/36.04亿美元/40.59亿美元,增速分别为-6.8%/15.1%/12.6%2019~2021年利润分别为2.07亿美元/1.84亿美元/2.26亿美元,增速55%/-11%/23%

公司作为半导体代工的技术跟随着,技术节点突破是关键,应该先看公司的技术,再看收入,最后才是利润。中长期看好国产化替代大背景下的大陆代工厂崛起。

公司合理PB估值范围2.5~2.7倍,公司合理估值22~23.7港元,维持业绩预测和“买入”评级。

风险提示

14nm工艺进展不及预期,全球产能松动,影响公司毛利率。

华虹半导体(1347.hk):公司专注特色工艺,收入增速强于全球市场

公司是全球领先的纯晶圆代工企业,特别专注于嵌入式非易失性存储器、功率器件、模拟与电源管理和逻辑及射频等差异化特色工艺平台,质量管理体系满足汽车电子芯片生产的严苛要求。公司分立器件平台继续显示出巨大的优势,尤其是超级结、IGBT 和通用 MOSFET。预计分立器件在未来的需求仍将持续增长。2019年第二季度,全球半导体销售额为982亿美元,较去年同期减少16.8%;2019年上半年,全球销售额同比下滑14.5%。全球半导体市场仍处于下滑期。全球主要地区和半导体产品类别销售额均下降。

正因为公司专注于嵌入式非易失性存储器、功率器件、模拟与电源管理和逻辑及射频等差异化特色工艺平台,质量管理体系满足汽车电子芯片生产的严苛要求。公司分立器件平台继续显示出巨大的优势,尤其是超级结、IGBT 和通用 MOSFET。分立器件在未来的需求仍将持续增长,从而带动公司收入增长。

聚焦中小客户分散风险

公司为了稳定增长,从一开始选择的就是中小客户战略,从目标客户角度选择差异化竞争。因为小客户的出货量小,无法通过加大出货量来分摊流片成本,公司服务的客户的议价能力相对弱。大客户的议价能力强,利润率低,风险大,大客户的订单调整影响公司业绩稳定性。

维持“买入”评级

预测2019~2021年收入分别为10.09亿美元/16.69亿美元/13.32亿美元,增速分别为8.5%/15.8%/14%2019~2021净利润分别为2.12亿美元/2.36亿美元/2.55亿美元,增速分别为16.3%/11.2%/8.1。维持“买入”评级。

风险提示

新半导体器件工艺替代,下游功率器件需求放缓,无锡厂不能按期量产。

*声明:文章为作者独立观点,不代表格隆汇立场

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