半導體設備行業(yè)研究：高景氣賽道，國內(nèi)企業(yè)嶄露頭角

1．半導體行業(yè)維持高景氣度

半導體行業(yè)回暖，產(chǎn)業(yè)格局經(jīng)歷第三次轉(zhuǎn)移，大陸市場占比持續(xù)提高。半導體 產(chǎn)品主要分為集成電路、光電器件、分立器件和傳感器四大類，被廣泛應用于電子及通信 領域。從產(chǎn)業(yè)格局來看，半導體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了從美國到日本、日本到韓國和中 國臺灣的兩次轉(zhuǎn)移，目前正在經(jīng)歷向中國大陸的第三次轉(zhuǎn)移。

中國半導體行業(yè)規(guī)模持續(xù)快速增長，集成電路行業(yè)快速發(fā)展。中國是全球最大的半導 體消費市場，也是全球最大的半導體進口國。穩(wěn)定的經(jīng)濟增長、有利的產(chǎn)業(yè)政策以及龐大 的市場需求帶動中國集成電路產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。

在半導體行業(yè)高景氣度帶動下，半導體設備市場整體向好并有望持續(xù)增長。隨著集成電路終端應用行業(yè)如消費電子、醫(yī)療電子、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、新能 源等快速發(fā)展，芯片需求與日俱增，晶圓廠快速擴產(chǎn)，加速對半導體設備的采購，有力拉 動半導體設備需求。

需求端來看，2020 年，中國大陸半導體設備銷售額為 187 億美元，全球排名第一；中國臺灣銷售額為 172 億美元，排名第二；韓國銷售額為 161 億美元，排名第三。

供給端來看，國外廠商在全球半導體專用設備市場占主導，行業(yè)集中度較高。

預計到 2024 年， 全球 12 英寸晶圓廠數(shù)量將達到 161 座，產(chǎn)能達 700 萬片/月，其中中國大陸 12 英寸晶圓 廠2024 年產(chǎn)量將達150 萬片/月，占全球約21%。新增晶圓廠建設未來主要用于滿足通信、 智能汽車、高性能計算等對芯片需求。受益于晶圓廠的快速擴張，對半導體設備的需求相應提升。

中國大陸半導體設備自給率低，進口替代需求迫切。半導體設備進口替代需求迫切。國家已經(jīng)將集成電路制造裝備及成套工藝發(fā)展置于構(gòu)筑國家先發(fā)優(yōu)勢的重要地位。政策支持下，隨著中國半導體設備技術突破，中國半導體設備行業(yè)發(fā)展進程有望提速。

2．前道設備為集成電路制造投資重中之重

半導體產(chǎn)業(yè)鏈可分為上游半導體支撐產(chǎn)業(yè)、中游半導體制造產(chǎn)業(yè)和下游半導體應用產(chǎn) 業(yè)。上游半導體支撐產(chǎn)業(yè)為半導體制造提供原材料與生產(chǎn)設備；中游半導體制造產(chǎn)業(yè)主要 包括芯片設計、晶圓制造和封裝測試行業(yè)；下游半導體產(chǎn)品終端在消費電子、工業(yè)電子、 汽車電子、通信技術、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療、新能源等多個領域應 用廣泛。

芯片制造作為半導體產(chǎn)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，主要涉及前道晶圓制造工藝和后道封裝測試工 藝。前道晶圓制造工藝主要包括氧化擴散、光刻、刻蝕、薄膜沉積、離子注入、機械拋光、 清洗等復雜工藝；后道封裝測試工藝主要包括封裝工藝和檢測工藝。整個生產(chǎn)工藝流程涉 及光刻設備、刻蝕設備、薄膜沉積設備、離子注入設備、化學機械拋光設備、清洗設備、 封裝設備、檢測設備等。

半導體設備行業(yè)呈現(xiàn)高度集中格局，全球半導體設備制造商主要集中在美國、日本、 荷蘭等國，以美國應用材料、荷蘭阿斯麥、美國泛林集團、日本東京電子、美國科磊等為 代表的國際知名半導體設備企業(yè)起步較早，經(jīng)過多年發(fā)展，憑借資金、技術、客戶資源、 品牌等方面的優(yōu)勢，占據(jù)了全球和中國大陸地區(qū)半導體設備市場的主要份額。

國內(nèi)設備廠商已成功進入大多數(shù)半導體制造設備細分領域，但整體國產(chǎn)化率尚處于較 低水平，政策支持下，半導體制造設備國產(chǎn)化潛力巨大。目前去膠設備在部分國內(nèi)晶圓廠 的采購中，國產(chǎn)化率已接近 90%，是國產(chǎn)化率最高的半導體制造設備，主要供應商為屹唐 半導體。清洗設備國產(chǎn)化率為 20%左右，主要供應商有盛美半導體、至純科技、北方華創(chuàng) 等；其他細分市場領域如薄膜沉積設備、機械拋光設備、涂膠顯影設備和光刻設備國產(chǎn)化 進展均在逐步推進。隨著國內(nèi)半導體制造設備供應商的關鍵技術突破與工藝驗證加速，未來中國半導體產(chǎn)業(yè)有望顯著降低對進口半導體制造設備的依賴。

3．美日歐設備供應商主導，各環(huán)節(jié)格局略有不同

3.1 光刻設備：光刻機難突破，涂膠顯影前道 track 加速國產(chǎn)

光刻工藝是芯片制造的關鍵步驟，是對光刻膠圖形進行曝光和顯影的過程，直接決定 了芯片制造的細微化水平。光刻工藝的主要步驟包括氣相成底膜、旋轉(zhuǎn)涂膠、軟烘（前烘）、 對準曝光、曝光后烘焙（后烘）、顯影、堅膜烘焙和顯影后檢查等基本步驟，涉及設備主 要包括光刻機、涂膠顯影設備、清洗設備等。在芯片制造過程中需要進行多次光刻，光刻 成本占芯片制造成本的 30%以上。

3.1.1 光刻機：ASML 絕對龍頭，國內(nèi)企業(yè)短期突破難

光刻工藝的核心是對準和曝光，對準和曝光由光刻機實現(xiàn)。光刻機是決定芯片尺寸、 集成度以及終端產(chǎn)品性能的關鍵設備，主要包括照明、投影物鏡、掩模臺、對準、調(diào)焦調(diào) 平、掩模傳輸、硅片傳輸?shù)确窒到y(tǒng)，通過對光刻膠進行曝光將承載集成電路版圖信息的掩 模圖形轉(zhuǎn)移到硅片面的光刻膠內(nèi)。

在光刻機的發(fā)展過程中，隨著光源波長不斷減小，光刻機分辨率不斷提升。光刻機經(jīng) 歷了從接觸式光刻機、接近式光刻機、全硅片掃描投影式光刻機、分布重復投影式光刻機 到目前普遍采用的步進式掃描投影式光刻機的發(fā)展歷程。

全球光刻機市場基本被荷蘭 ASML、日本的尼康和佳能壟斷。全球光刻機年銷量 400 臺左右，ASML 光刻機市場份額常年在 60%以上，市場地位穩(wěn)固。2020 年全球光刻機銷 售額約 134 億美元。ASML 是全球光刻機行業(yè)絕對龍頭，在 DUV 浸入式光刻機市場占據(jù) 了最大的份額，并壟斷了頂級的 EUV 光刻機市場。尼康的光刻機集中在中高端區(qū)域，佳能 則集中在低端區(qū)域。

光刻機行業(yè)呈現(xiàn)高度壟斷格局，國內(nèi)企業(yè)上海微電子暫時只能提供低端光刻設備，由于光刻設備對知識產(chǎn)權和供應鏈要求極高，短期很難追趕國際領先水平。

3.1.2 涂膠顯影設備：東京電子一家獨大，芯源微訂單快速增長

涂膠顯影設備（又稱 Track 或 Coater＆Developer）是與光刻機配合進行作業(yè)的關 鍵處理設備，主要負責涂膠、烘烤及顯影。在早期的集成電路和較低端的半導體制造工藝 中，此類設備往往單獨使用（Off Line）。隨著集成電路制造工藝自動化程度及客戶對產(chǎn)能 要求的不斷提升，在 200mm（8 英寸）及以上的大型生產(chǎn)線上，此類設備一般都與光刻設 備聯(lián)機作業(yè)（In Line），組成配套的圓片處理與光刻生產(chǎn)線，與光刻機配合完成精細的光 刻工藝流程。涂膠顯影設備會直接影響到光刻工序細微曝光圖案的形成，是集成電路制造 過程中不可或缺的關鍵處理設備。

我國芯源微前道涂膠顯影設備已取得突破性進展。東京電子在中國市占率超過 90%，如果考慮封裝和其他涂膠顯影設備，芯源微在國內(nèi)的市占率約為 4%。芯源微目前的主要產(chǎn)品為后道先進封裝和 LED 制造等的涂膠顯影設備，產(chǎn)品進入主流大客戶；用于前道晶圓制造的涂膠顯影設備已獲得部分客戶驗證及批量訂單，未來新增前道設備訂單將呈較快增長趨勢。

3.2 刻蝕設備：生產(chǎn)核心設備之一，干法刻蝕為主流

刻蝕是指通過溶液、離子等方式剝離移除如硅、金屬材料、介質(zhì)材料等晶圓表面材料， 從而達到集成電路芯片結(jié)構(gòu)設計要求的一種工藝流程。從工藝技術來看，刻蝕可分為濕法 刻蝕（Wet Etching）和干法刻蝕（Dry Etching）兩類。隨著集成電路工藝制程的逐漸升 級以及芯片結(jié)構(gòu)尺寸的不斷縮進，干法刻蝕逐漸成為主流技術路徑，主要是運用等離子體 產(chǎn)生帶電離子以及具有高濃度化學活性的中性原子和自由基，通過這些粒子與晶圓產(chǎn)生物 理和化學反應，從而將光刻圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上。相比濕法刻蝕，其精準度及潔凈度均更高。

當前，全球集成電路制造刻蝕設備市場基本由干法刻蝕設備構(gòu)成，具體可分為介質(zhì)刻蝕設備及導體刻蝕設備。

全球刻蝕設備呈現(xiàn)泛林半導體、東京電子和應用材料三家寡頭壟斷格局。其中泛林半 導體技術實力最強，產(chǎn)品覆蓋最為全面，占據(jù) 46.7%的市場份額；東京電子和應用材料分別占據(jù) 26.6%和 16.7%。我國刻蝕設備廠商中微公司、北方華創(chuàng)和屹唐半導體分別占 1.4% 和 0.9%和 0.1%，位居前十。

3.3 薄膜沉積設備：生產(chǎn)核心設備之一，ALD 為企業(yè)發(fā)展重點

薄膜沉積是芯片制造的核心工藝環(huán)節(jié)，約占設備投資額 27%。薄膜沉積是指在硅片襯 底上沉積一層待處理的薄膜材料，是芯片生產(chǎn)核心設備，設計制造技術難度大，產(chǎn)業(yè)化驗 證周期長。由于薄膜是芯片結(jié)構(gòu)的功能材料層，在芯片完成制造、封測等工序后會留存在 芯片中，薄膜的技術參數(shù)直接影響芯片性能。在晶圓制造過程中，薄膜起到產(chǎn)生導電層或 絕緣層、阻擋污染物和雜質(zhì)滲透、提高吸光率、臨時阻擋刻蝕等重要作用。隨著集成電路 的持續(xù)發(fā)展，晶圓制造工藝不斷走向精密化，芯片結(jié)構(gòu)的復雜度也不斷提高，需要在更微 小的線寬上制造，制造商要求制備的薄膜品種隨之增加，最終用戶對薄膜性能的要求也日 益提高。

薄膜沉積工藝的不斷發(fā)展，形成了較為固定的工藝流程，同時也根據(jù)不同的應用演化 出了 PECVD、濺射 PVD、ALD、LPCVD 等不同的設備用于晶圓制造的不同工藝。其中， PECVD 是薄膜設備中占比最高的設備類型，占整體薄膜沉積設備市場的 33%；ALD 設備 目前占據(jù)薄膜沉積設備市場的 11%；SACVD 是新興的設備類型，屬于其他薄膜沉積設備 類目下的產(chǎn)品，占比較小。在整個薄膜沉積設備市場，屬于 PVD 的濺射 PVD 和電鍍 ECD 合計占有整體市場的 23%。

薄膜沉積設備基本由應用材料（AMAT）、ASM、泛林半導體（Lam）、東京電子（TEL） 等國際巨頭壟斷。2019 年，ALD 設備龍頭東京電子（TEL）和先晶半導體（ASMI）分別 占據(jù)了 31%和 29%的市場份額，剩下 40%的份額由其他廠商占據(jù)；而應用材料（AMAT） 則基本壟斷了 PVD 市場，占 85%的比重，處于絕對龍頭地位；在 CVD 市場中，應用材料（AMAT）全球占比約為 30%，連同泛林半導體（Lam）的 21%和 TEL 的 19%，三大廠 商占據(jù)了全球 70%的市場份額。

隨著技術升級，對薄膜沉積設備的需求量逐步增加。隨著國內(nèi)晶圓廠建設及產(chǎn)線的逐 漸升級，對薄膜沉積設備數(shù)量和性能的需求將繼續(xù)隨之提升，在實現(xiàn)相同芯片制造產(chǎn)能的 情況下，對薄膜沉積設備的需求量也將相應增加。在 FLASH 存儲芯片領域，隨著主流制造 工藝已由 2D NAND 發(fā)展為 3D NAND 結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的復雜化導致對于薄膜沉積設備的需求 量逐步增加。國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要包括北方華創(chuàng)、拓荊科技及中微公司等均在薄膜沉積設備 領域有一定的技術積累及批量訂單，盛美半導體亦在氣相沉積領域有一定的技術布局。

3.4 清洗設備：國產(chǎn)化比例有望快速提升的賽道

清洗是貫穿半導體產(chǎn)業(yè)鏈的重要工藝環(huán)節(jié)，清洗步驟數(shù)量約占所有芯片制造工序步驟 的 30%以上，隨著半導體器件集成度提高，芯片工藝節(jié)點不斷縮小，晶圓尺寸不斷擴大， 半導體結(jié)構(gòu)的復雜化等，對清洗步驟的需求快速提升。用于去除半導體硅片制造、晶圓制 造和封裝測試每個步驟中可能存在的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)影響芯片良率和芯片產(chǎn)品性能。隨著 芯片制造工藝先進程度的持續(xù)提升，芯片技術節(jié)點不斷提升，從 55nm、40nm、28nm 至14nm、7nm 及以下，對晶圓表面污染物的控制要求越來越高，每一步光刻、刻蝕、沉積 等重復性工序后，都需要一步清洗工序。

半導體清洗工藝按照清洗原理可分為干法清洗和濕法清洗，目前 90%以上的清洗步驟 以濕法工藝為主。目前主流的濕法清洗設備主要包括單片清洗設備、槽式清洗設備、組合 式清洗設備和批式旋轉(zhuǎn)噴淋清洗設備等，其中單片清洗設備市場份額占比最高。全球半導 體清洗設備市場主要由日本迪恩士（DNS）、日本東京電子（TEL）、美國拉姆研究（Lam Research）和韓國 SEMES 等企業(yè)為主，行業(yè)集中度高。Gartner 數(shù)據(jù)顯示，2019 年全球 排名前四的企業(yè)合計占據(jù)超過 90%的市場份額；其中日本廠商迪恩士以市占率 45%處于絕 對領先地位。

清洗設備未來其市場發(fā)展空間較大，國內(nèi)參與企業(yè)較多，我們認為是半導體前道設備領域中有望最先打破外企壟斷， 提升國產(chǎn)化程度的產(chǎn)品。

3.5 離子注入設備：摻雜工藝關鍵環(huán)節(jié)

離子注入是通過對半導體材料表面進行某種元素的離子注入摻雜，從而改變其特性的 摻雜工藝制程。摻雜工藝的實現(xiàn)主要有兩種方法，高溫熱擴散法及離子注入法。離子注入 法具有摻雜均勻性好、純度高、可精確控制能量和劑量、原則上對各種材料都可摻雜等優(yōu) 點。離子注入是集成電路制造中不可或缺的一環(huán)，在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、要摻雜 的原子的離子注入硅圓表面，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的 硅的導電性。離子注入機與薄膜沉積設備、光刻設備、刻蝕設備同列為四大集成電路制造 關鍵制程設備。

應用材料幾乎壟斷集成電路用離子注入機市場，約占 70%份額。2019 年全球離子注 入機市場規(guī)模約 18 億美元，中國市場規(guī)模達 29.1 億元。從離子注入機的市場結(jié)構(gòu)來看， 全球離子注入機仍以大束流離子注入機為主，約占市場總份額的 61%，其余為中低束流離 子注入機和高能離子注入機，分別占 20%和 18%。全球擁有離子注入機能力的企業(yè)主要分布在美國、日本和中國。

3.6 去膠設備：屹唐半導體全球領先

去膠工藝可分為濕法去膠和干法去膠，目前主流工藝是干法去膠。在光刻工藝中，晶 圓表面被均勻覆蓋光刻膠薄層后在光刻機中進行曝光。在光刻機曝光下改變了化學性質(zhì)的 光刻膠在顯影步驟中被清除，光刻圖形相應完成至光刻膠層的轉(zhuǎn)移。光刻膠層上的圖形進 一步通過刻蝕、離子注入等工藝被轉(zhuǎn)移到晶圓表面后，通過去膠工藝將晶圓表面剩余光刻 膠進行完全清除，從而避免對后續(xù)集成電路芯片制造工藝效果的影響。干法去膠工藝可視 為等離子刻蝕技術的延伸，主要通過等離子體和薄膜材料的化學反應完成，是目前的主流 工藝。

3.7 CMP 設備：華海清科部分產(chǎn)品已進入產(chǎn)業(yè)化應用階段

CMP（化學機械拋光）設備通過化學腐蝕與機械研磨協(xié)同配合，實現(xiàn)晶圓表面多余材 料的高效去除，是集成電路（芯片）制造過程中實現(xiàn)晶圓表面平坦化的關鍵工藝。CMP 工 序貫穿整個集成電路制造環(huán)節(jié)，除集成電路設計領域外，其他領域均有 CMP 設備應用場景， 化學機械拋光（CMP）是集成電路制造過程中實現(xiàn)晶圓表面平坦化的關鍵工藝。在集成電 路制造所使用的全部種類半導體設備中，CMP 設備是使用耗材較多、核心部件有定期維保 更新需求的制造設備之一。

應用材料占據(jù) CMP 設備供應七成，市場高度集中。CMP 設備供應幾乎由應用材料壟斷，約占 70%份額，其次為荏原機械，尤其在 14nm 以下最先進制程工藝的大生產(chǎn)線上所應用的 CMP 設備僅由兩家國際巨頭提供。

國內(nèi)企業(yè)中，主要有華海清科和北京爍科精微電子裝備有限公司在相關產(chǎn)品領域有一 定的技術儲備及客戶積累。其中華海清科是國產(chǎn)12 英寸和8 英寸CMP設備的主要供應商， 所生產(chǎn)的 CMP 設備已廣泛應用于中芯國際、長江存儲、華虹集團、大連英特爾、廈門聯(lián)芯、 長鑫存儲、廣州粵芯、上海積塔等行業(yè)內(nèi)領先集成電路制造企業(yè)的大生產(chǎn)線，2020 年在中 國大陸地區(qū)的 CMP 設備市場占有率約為 12.64%。

4．國內(nèi)企業(yè)奮起直追，各領域均有布局

半導體設備是集成電路投資重中之重，尤其前道設備占比超過 80%，各環(huán)節(jié)供給格局 略有不同，但基本以美日歐企業(yè)壟斷為主。國內(nèi)企業(yè)起步較晚，但在國家資金及政策的大力支持下，目前在部分環(huán)節(jié)，已經(jīng)逐漸成長出一些優(yōu)秀的國內(nèi)設備供應企業(yè)，整體水平達到 28nm 制程，并在 14nm 和 7nm 制程實現(xiàn)了部分設備的突破。

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