半导体设备行业研究：高景气赛道，国内企业崭露头角

1．半导体行业维持高景气度

半导体行业回暖，产业格局经历第三次转移，大陆市场占比持续提高。半导体 产品主要分为集成电路、光电器件、分立器件和传感器四大类，被广泛应用于电子及通信 领域。从产业格局来看，半导体产业已经经历了从美国到日本、日本到韩国和中 国台湾的两次转移，目前正在经历向中国大陆的第三次转移。

中国半导体行业规模持续快速增长，集成电路行业快速发展。中国是全球最大的半导 体消费市场，也是全球最大的半导体进口国。稳定的经济增长、有利的产业政策以及庞大 的市场需求带动中国集成电路产业蓬勃发展。

在半导体行业高景气度带动下，半导体设备市场整体向好并有望持续增长。随着集成电路终端应用行业如消费电子、医疗电子、汽车电子、物联网、云计算、大数据、新能 源等快速发展，芯片需求与日俱增，晶圆厂快速扩产，加速对半导体设备的采购，有力拉 动半导体设备需求。

需求端来看，2020 年，中国大陆半导体设备销售额为 187 亿美元，全球排名第一；中国台湾销售额为 172 亿美元，排名第二；韩国销售额为 161 亿美元，排名第三。

供给端来看，国外厂商在全球半导体专用设备市场占主导，行业集中度较高。

预计到 2024 年， 全球 12 英寸晶圆厂数量将达到 161 座，产能达 700 万片/月，其中中国大陆 12 英寸晶圆 厂2024 年产量将达150 万片/月，占全球约21%。新增晶圆厂建设未来主要用于满足通信、 智能汽车、高性能计算等对芯片需求。受益于晶圆厂的快速扩张，对半导体设备的需求相应提升。

中国大陆半导体设备自给率低，进口替代需求迫切。半导体设备进口替代需求迫切。国家已经将集成电路制造装备及成套工艺发展置于构筑国家先发优势的重要地位。政策支持下，随着中国半导体设备技术突破，中国半导体设备行业发展进程有望提速。

2．前道设备为集成电路制造投资重中之重

半导体产业链可分为上游半导体支撑产业、中游半导体制造产业和下游半导体应用产 业。上游半导体支撑产业为半导体制造提供原材料与生产设备；中游半导体制造产业主要 包括芯片设计、晶圆制造和封装测试行业；下游半导体产品终端在消费电子、工业电子、 汽车电子、通信技术、大数据、云计算、人工智能、物联网、医疗、新能源等多个领域应 用广泛。

芯片制造作为半导体产业的重要环节，主要涉及前道晶圆制造工艺和后道封装测试工 艺。前道晶圆制造工艺主要包括氧化扩散、光刻、刻蚀、薄膜沉积、离子注入、机械抛光、 清洗等复杂工艺；后道封装测试工艺主要包括封装工艺和检测工艺。整个生产工艺流程涉 及光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备、离子注入设备、化学机械抛光设备、清洗设备、 封装设备、检测设备等。

半导体设备行业呈现高度集中格局，全球半导体设备制造商主要集中在美国、日本、 荷兰等国，以美国应用材料、荷兰阿斯麦、美国泛林集团、日本东京电子、美国科磊等为 代表的国际知名半导体设备企业起步较早，经过多年发展，凭借资金、技术、客户资源、 品牌等方面的优势，占据了全球和中国大陆地区半导体设备市场的主要份额。

国内设备厂商已成功进入大多数半导体制造设备细分领域，但整体国产化率尚处于较 低水平，政策支持下，半导体制造设备国产化潜力巨大。目前去胶设备在部分国内晶圆厂 的采购中，国产化率已接近 90%，是国产化率最高的半导体制造设备，主要供应商为屹唐 半导体。清洗设备国产化率为 20%左右，主要供应商有盛美半导体、至纯科技、北方华创 等；其他细分市场领域如薄膜沉积设备、机械抛光设备、涂胶显影设备和光刻设备国产化 进展均在逐步推进。随着国内半导体制造设备供应商的关键技术突破与工艺验证加速，未来中国半导体产业有望显著降低对进口半导体制造设备的依赖。

3．美日欧设备供应商主导，各环节格局略有不同

3.1 光刻设备：光刻机难突破，涂胶显影前道 track 加速国产

光刻工艺是芯片制造的关键步骤，是对光刻胶图形进行曝光和显影的过程，直接决定 了芯片制造的细微化水平。光刻工艺的主要步骤包括气相成底膜、旋转涂胶、软烘（前烘）、 对准曝光、曝光后烘焙（后烘）、显影、坚膜烘焙和显影后检查等基本步骤，涉及设备主 要包括光刻机、涂胶显影设备、清洗设备等。在芯片制造过程中需要进行多次光刻，光刻 成本占芯片制造成本的 30%以上。

3.1.1 光刻机：ASML 绝对龙头，国内企业短期突破难

光刻工艺的核心是对准和曝光，对准和曝光由光刻机实现。光刻机是决定芯片尺寸、 集成度以及终端产品性能的关键设备，主要包括照明、投影物镜、掩模台、对准、调焦调 平、掩模传输、硅片传输等分系统，通过对光刻胶进行曝光将承载集成电路版图信息的掩 模图形转移到硅片面的光刻胶内。

在光刻机的发展过程中，随着光源波长不断减小，光刻机分辨率不断提升。光刻机经 历了从接触式光刻机、接近式光刻机、全硅片扫描投影式光刻机、分布重复投影式光刻机 到目前普遍采用的步进式扫描投影式光刻机的发展历程。

全球光刻机市场基本被荷兰 ASML、日本的尼康和佳能垄断。全球光刻机年销量 400 台左右，ASML 光刻机市场份额常年在 60%以上，市场地位稳固。2020 年全球光刻机销 售额约 134 亿美元。ASML 是全球光刻机行业绝对龙头，在 DUV 浸入式光刻机市场占据 了最大的份额，并垄断了顶级的 EUV 光刻机市场。尼康的光刻机集中在中高端区域，佳能 则集中在低端区域。

光刻机行业呈现高度垄断格局，国内企业上海微电子暂时只能提供低端光刻设备，由于光刻设备对知识产权和供应链要求极高，短期很难追赶国际领先水平。

3.1.2 涂胶显影设备：东京电子一家独大，芯源微订单快速增长

涂胶显影设备（又称 Track 或 Coater＆Developer）是与光刻机配合进行作业的关 键处理设备，主要负责涂胶、烘烤及显影。在早期的集成电路和较低端的半导体制造工艺 中，此类设备往往单独使用（Off Line）。随着集成电路制造工艺自动化程度及客户对产能 要求的不断提升，在 200mm（8 英寸）及以上的大型生产线上，此类设备一般都与光刻设 备联机作业（In Line），组成配套的圆片处理与光刻生产线，与光刻机配合完成精细的光 刻工艺流程。涂胶显影设备会直接影响到光刻工序细微曝光图案的形成，是集成电路制造 过程中不可或缺的关键处理设备。

我国芯源微前道涂胶显影设备已取得突破性进展。东京电子在中国市占率超过 90%，如果考虑封装和其他涂胶显影设备，芯源微在国内的市占率约为 4%。芯源微目前的主要产品为后道先进封装和 LED 制造等的涂胶显影设备，产品进入主流大客户；用于前道晶圆制造的涂胶显影设备已获得部分客户验证及批量订单，未来新增前道设备订单将呈较快增长趋势。

3.2 刻蚀设备：生产核心设备之一，干法刻蚀为主流

刻蚀是指通过溶液、离子等方式剥离移除如硅、金属材料、介质材料等晶圆表面材料， 从而达到集成电路芯片结构设计要求的一种工艺流程。从工艺技术来看，刻蚀可分为湿法 刻蚀（Wet Etching）和干法刻蚀（Dry Etching）两类。随着集成电路工艺制程的逐渐升 级以及芯片结构尺寸的不断缩进，干法刻蚀逐渐成为主流技术路径，主要是运用等离子体 产生带电离子以及具有高浓度化学活性的中性原子和自由基，通过这些粒子与晶圆产生物 理和化学反应，从而将光刻图形转移到晶圆上。相比湿法刻蚀，其精准度及洁净度均更高。

当前，全球集成电路制造刻蚀设备市场基本由干法刻蚀设备构成，具体可分为介质刻蚀设备及导体刻蚀设备。

全球刻蚀设备呈现泛林半导体、东京电子和应用材料三家寡头垄断格局。其中泛林半 导体技术实力最强，产品覆盖最为全面，占据 46.7%的市场份额；东京电子和应用材料分别占据 26.6%和 16.7%。我国刻蚀设备厂商中微公司、北方华创和屹唐半导体分别占 1.4% 和 0.9%和 0.1%，位居前十。

3.3 薄膜沉积设备：生产核心设备之一，ALD 为企业发展重点

薄膜沉积是芯片制造的核心工艺环节，约占设备投资额 27%。薄膜沉积是指在硅片衬 底上沉积一层待处理的薄膜材料，是芯片生产核心设备，设计制造技术难度大，产业化验 证周期长。由于薄膜是芯片结构的功能材料层，在芯片完成制造、封测等工序后会留存在 芯片中，薄膜的技术参数直接影响芯片性能。在晶圆制造过程中，薄膜起到产生导电层或 绝缘层、阻挡污染物和杂质渗透、提高吸光率、临时阻挡刻蚀等重要作用。随着集成电路 的持续发展，晶圆制造工艺不断走向精密化，芯片结构的复杂度也不断提高，需要在更微 小的线宽上制造，制造商要求制备的薄膜品种随之增加，最终用户对薄膜性能的要求也日 益提高。

薄膜沉积工艺的不断发展，形成了较为固定的工艺流程，同时也根据不同的应用演化 出了 PECVD、溅射 PVD、ALD、LPCVD 等不同的设备用于晶圆制造的不同工艺。其中， PECVD 是薄膜设备中占比最高的设备类型，占整体薄膜沉积设备市场的 33%；ALD 设备 目前占据薄膜沉积设备市场的 11%；SACVD 是新兴的设备类型，属于其他薄膜沉积设备 类目下的产品，占比较小。在整个薄膜沉积设备市场，属于 PVD 的溅射 PVD 和电镀 ECD 合计占有整体市场的 23%。

薄膜沉积设备基本由应用材料（AMAT）、ASM、泛林半导体（Lam）、东京电子（TEL） 等国际巨头垄断。2019 年，ALD 设备龙头东京电子（TEL）和先晶半导体（ASMI）分别 占据了 31%和 29%的市场份额，剩下 40%的份额由其他厂商占据；而应用材料（AMAT） 则基本垄断了 PVD 市场，占 85%的比重，处于绝对龙头地位；在 CVD 市场中，应用材料（AMAT）全球占比约为 30%，连同泛林半导体（Lam）的 21%和 TEL 的 19%，三大厂 商占据了全球 70%的市场份额。

随着技术升级，对薄膜沉积设备的需求量逐步增加。随着国内晶圆厂建设及产线的逐 渐升级，对薄膜沉积设备数量和性能的需求将继续随之提升，在实现相同芯片制造产能的 情况下，对薄膜沉积设备的需求量也将相应增加。在 FLASH 存储芯片领域，随着主流制造 工艺已由 2D NAND 发展为 3D NAND 结构，结构的复杂化导致对于薄膜沉积设备的需求 量逐步增加。国内生产企业主要包括北方华创、拓荆科技及中微公司等均在薄膜沉积设备 领域有一定的技术积累及批量订单，盛美半导体亦在气相沉积领域有一定的技术布局。

3.4 清洗设备：国产化比例有望快速提升的赛道

清洗是贯穿半导体产业链的重要工艺环节，清洗步骤数量约占所有芯片制造工序步骤 的 30%以上，随着半导体器件集成度提高，芯片工艺节点不断缩小，晶圆尺寸不断扩大， 半导体结构的复杂化等，对清洗步骤的需求快速提升。用于去除半导体硅片制造、晶圆制 造和封装测试每个步骤中可能存在的杂质，避免杂质影响芯片良率和芯片产品性能。随着 芯片制造工艺先进程度的持续提升，芯片技术节点不断提升，从 55nm、40nm、28nm 至14nm、7nm 及以下，对晶圆表面污染物的控制要求越来越高，每一步光刻、刻蚀、沉积 等重复性工序后，都需要一步清洗工序。

半导体清洗工艺按照清洗原理可分为干法清洗和湿法清洗，目前 90%以上的清洗步骤 以湿法工艺为主。目前主流的湿法清洗设备主要包括单片清洗设备、槽式清洗设备、组合 式清洗设备和批式旋转喷淋清洗设备等，其中单片清洗设备市场份额占比最高。全球半导 体清洗设备市场主要由日本迪恩士（DNS）、日本东京电子（TEL）、美国拉姆研究（Lam Research）和韩国 SEMES 等企业为主，行业集中度高。Gartner 数据显示，2019 年全球 排名前四的企业合计占据超过 90%的市场份额；其中日本厂商迪恩士以市占率 45%处于绝 对领先地位。

清洗设备未来其市场发展空间较大，国内参与企业较多，我们认为是半导体前道设备领域中有望最先打破外企垄断， 提升国产化程度的产品。

3.5 离子注入设备：掺杂工艺关键环节

离子注入是通过对半导体材料表面进行某种元素的离子注入掺杂，从而改变其特性的 掺杂工艺制程。掺杂工艺的实现主要有两种方法，高温热扩散法及离子注入法。离子注入 法具有掺杂均匀性好、纯度高、可精确控制能量和剂量、原则上对各种材料都可掺杂等优 点。离子注入是集成电路制造中不可或缺的一环，在真空系统中，用经过加速的、要掺杂 的原子的离子注入硅圆表面，从而在被注入的区域形成特殊的注入层，并改变这些区域的 硅的导电性。离子注入机与薄膜沉积设备、光刻设备、刻蚀设备同列为四大集成电路制造 关键制程设备。

应用材料几乎垄断集成电路用离子注入机市场，约占 70%份额。2019 年全球离子注 入机市场规模约 18 亿美元，中国市场规模达 29.1 亿元。从离子注入机的市场结构来看， 全球离子注入机仍以大束流离子注入机为主，约占市场总份额的 61%，其余为中低束流离 子注入机和高能离子注入机，分别占 20%和 18%。全球拥有离子注入机能力的企业主要分布在美国、日本和中国。

3.6 去胶设备：屹唐半导体全球领先

去胶工艺可分为湿法去胶和干法去胶，目前主流工艺是干法去胶。在光刻工艺中，晶 圆表面被均匀覆盖光刻胶薄层后在光刻机中进行曝光。在光刻机曝光下改变了化学性质的 光刻胶在显影步骤中被清除，光刻图形相应完成至光刻胶层的转移。光刻胶层上的图形进 一步通过刻蚀、离子注入等工艺被转移到晶圆表面后，通过去胶工艺将晶圆表面剩余光刻 胶进行完全清除，从而避免对后续集成电路芯片制造工艺效果的影响。干法去胶工艺可视 为等离子刻蚀技术的延伸，主要通过等离子体和薄膜材料的化学反应完成，是目前的主流 工艺。

3.7 CMP 设备：华海清科部分产品已进入产业化应用阶段

CMP（化学机械抛光）设备通过化学腐蚀与机械研磨协同配合，实现晶圆表面多余材 料的高效去除，是集成电路（芯片）制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键工艺。CMP 工 序贯穿整个集成电路制造环节，除集成电路设计领域外，其他领域均有 CMP 设备应用场景， 化学机械抛光（CMP）是集成电路制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键工艺。在集成电 路制造所使用的全部种类半导体设备中，CMP 设备是使用耗材较多、核心部件有定期维保 更新需求的制造设备之一。

应用材料占据 CMP 设备供应七成，市场高度集中。CMP 设备供应几乎由应用材料垄断，约占 70%份额，其次为荏原机械，尤其在 14nm 以下最先进制程工艺的大生产线上所应用的 CMP 设备仅由两家国际巨头提供。

国内企业中，主要有华海清科和北京烁科精微电子装备有限公司在相关产品领域有一 定的技术储备及客户积累。其中华海清科是国产12 英寸和8 英寸CMP设备的主要供应商， 所生产的 CMP 设备已广泛应用于中芯国际、长江存储、华虹集团、大连英特尔、厦门联芯、 长鑫存储、广州粤芯、上海积塔等行业内领先集成电路制造企业的大生产线，2020 年在中 国大陆地区的 CMP 设备市场占有率约为 12.64%。

4．国内企业奋起直追，各领域均有布局

半导体设备是集成电路投资重中之重，尤其前道设备占比超过 80%，各环节供给格局 略有不同，但基本以美日欧企业垄断为主。国内企业起步较晚，但在国家资金及政策的大力支持下，目前在部分环节，已经逐渐成长出一些优秀的国内设备供应企业，整体水平达到 28nm 制程，并在 14nm 和 7nm 制程实现了部分设备的突破。

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