半導體設備行業研究：高景氣賽道，國內企業嶄露頭角

1．半導體行業維持高景氣度

半導體行業回暖，產業格局經歷第三次轉移，大陸市場占比持續提高。半導體 產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。從產業格局來看，半導體產業已經經歷了從美國到日本、日本到韓國和中 國臺灣的兩次轉移，目前正在經歷向中國大陸的第三次轉移。

中國半導體行業規模持續快速增長，集成電路行業快速發展。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。穩定的經濟增長、有利的產業政策以及龐大 的市場需求帶動中國集成電路產業蓬勃發展。

在半導體行業高景氣度帶動下，半導體設備市場整體向好并有望持續增長。隨著集成電路終端應用行業如消費電子、醫療電子、汽車電子、物聯網、云計算、大數據、新能 源等快速發展，芯片需求與日俱增，晶圓廠快速擴產，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，行業集中度較高。

預計到 2024 年， 全球 12 英寸晶圓廠數量將達到 161 座，產能達 700 萬片/月，其中中國大陸 12 英寸晶圓 廠2024 年產量將達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。國家已經將集成電路制造裝備及成套工藝發展置于構筑國家先發優勢的重要地位。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發展進程有望提速。

2．前道設備為集成電路制造投資重中之重

半導體產業鏈可分為上游半導體支撐產業、中游半導體制造產業和下游半導體應用產 業。上游半導體支撐產業為半導體制造提供原材料與生產設備；中游半導體制造產業主要 包括芯片設計、晶圓制造和封裝測試行業；下游半導體產品終端在消費電子、工業電子、 汽車電子、通信技術、大數據、云計算、人工智能、物聯網、醫療、新能源等多個領域應 用廣泛。

芯片制造作為半導體產業的重要環節，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。

半導體設備行業呈現高度集中格局，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起步較早，經過多年發展，憑借資金、技術、客戶資源、 品牌等方面的優勢，占據了全球和中國大陸地區半導體設備市場的主要份額。

國內設備廠商已成功進入大多數半導體制造設備細分領域，但整體國產化率尚處于較 低水平，政策支持下，半導體制造設備國產化潛力巨大。目前去膠設備在部分國內晶圓廠 的采購中，國產化率已接近 90%，是國產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 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化 進展均在逐步推進。隨著國內半導體制造設備供應商的關鍵技術突破與工藝驗證加速，未來中國半導體產業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，各環節格局略有不同

3.1 光刻設備：光刻機難突破，涂膠顯影前道 track 加速國產

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，國內企業短期突破難

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

在光刻機的發展過程中，隨著光源波長不斷減小，光刻機分辨率不斷提升。光刻機經 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 是全球光刻機行業絕對龍頭，在 DUV 浸入式光刻機市場占據 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域，佳能 則集中在低端區域。

光刻機行業呈現高度壟斷格局，國內企業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能 要求的不斷提升，在 200mm（8 英寸）及以上的大型生產線上，此類設備一般都與光刻設 備聯機作業（In Line），組成配套的圓片處理與光刻生產線，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，芯源微在國內的市占率約為 4%。芯源微目前的主要產品為后道先進封裝和 LED 制造等的涂膠顯影設備，產品進入主流大客戶；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、介質材料等晶圓表面材料， 從而達到集成電路芯片結構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 級以及芯片結構尺寸的不斷縮進，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生物 理和化學反應，從而將光刻圖形轉移到晶圓上。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成，具體可分為介質刻蝕設備及導體刻蝕設備。

全球刻蝕設備呈現泛林半導體、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，產品覆蓋最為全面，占據 46.7%的市場份額；東京電子和應用材料分別占據 26.6%和 16.7%。我國刻蝕設備廠商中微公司、北方華創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：生產核心設備之一，ALD 為企業發展重點

薄膜沉積是芯片制造的核心工藝環節，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，是芯片生產核心設備，設計制造技術難度大，產業化驗 證周期長。由于薄膜是芯片結構的功能材料層，在芯片完成制造、封測等工序后會留存在 芯片中，薄膜的技術參數直接影響芯片性能。在晶圓制造過程中，薄膜起到產生導電層或 絕緣層、阻擋污染物和雜質滲透、提高吸光率、臨時阻擋刻蝕等重要作用。隨著集成電路 的持續發展，晶圓制造工藝不斷走向精密化，芯片結構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展，形成了較為固定的工藝流程，同時也根據不同的應用演化 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 占據了 31%和 29%的市場份額，剩下 40%的份額由其他廠商占據；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。隨著國內晶圓廠建設及產線的逐 漸升級，對薄膜沉積設備數量和性能的需求將繼續隨之提升，在實現相同芯片制造產能的 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 發展為 3D NAND 結構，結構的復雜化導致對于薄膜沉積設備的需求 量逐步增加。國內生產企業主要包括北方華創、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：國產化比例有望快速提升的賽道

清洗是貫穿半導體產業鏈的重要工藝環節，清洗步驟數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，芯片工藝節點不斷縮小，晶圓尺寸不斷擴大， 半導體結構的復雜化等，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，避免雜質影響芯片良率和芯片產品性能。隨著 芯片制造工藝先進程度的持續提升，芯片技術節點不斷提升，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 等企業為主，行業集中度高。Gartner 數據顯示，2019 年全球 排名前四的企業合計占據超過 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展空間較大，國內參與企業較多，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， 提升國產化程度的產品。

3.5 離子注入設備：摻雜工藝關鍵環節

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 點。離子注入是集成電路制造中不可或缺的一環，在真空系統中，用經過加速的、要摻雜 的原子的離子注入硅圓表面，從而在被注入的區域形成特殊的注入層，并改變這些區域的 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 入機市場規模約 18 億美元，中國市場規模達 29.1 億元。從離子注入機的市場結構來看， 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：華海清科部分產品已進入產業化應用階段

CMP（化學機械拋光）設備通過化學腐蝕與機械研磨協同配合，實現晶圓表面多余材 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節，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 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線上所應用的 CMP 設備僅由兩家國際巨頭提供。

國內企業中，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12 英寸和8 英寸CMP設備的主要供應商， 所生產的 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、廈門聯芯、 長鑫存儲、廣州粵芯、上海積塔等行業內領先集成電路制造企業的大生產線，2020 年在中 國大陸地區的 CMP 設備市場占有率約為 12.64%。

4．國內企業奮起直追，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%，各環節供給格局 略有不同，但基本以美日歐企業壟斷為主。國內企業起步較晚，但在國家資金及政策的大力支持下，目前在部分環節，已經逐漸成長出一些優秀的國內設備供應企業，整體水平達到 28nm 制程，并在 14nm 和 7nm 制程實現了部分設備的突破。

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