半导体设备行业专题报告：国内需求增长，国产替代进展提速
一、中芯国际上市，加速设备国产替代进程
中芯国际回归 A 股，国产晶圆制造崛起。中芯国际公布将于科创板上市，拟发行 16.86 亿股募集 200 亿，国产晶圆制造龙头强势回归 A 股，募集资金主要投资于：（1）40%用 于投资 12 英寸 SN1 项目（中芯南方一期）；（2）20%用于公司现金及成熟工艺研发项目 的储备资金；（3）40%用于补充流动资金。
中芯国际在国内芯片产业链地位中占有举足轻重的地位。公司不断加速技术研发，建立 关键平台和战略联盟，致力于成为世界一流的主流代工厂。公司提供一站式服务，除集 成电路晶圆代工外，在设计服务与 IP 支持、光掩膜制造、凸块加工及测试方面提供完备 配套服务，先进程度国内领先，涵盖绝大部分下游应用。
持续关注中国“芯”阵列核心标的，如晶圆代工、封测、IP 授权及设计服务、设备材料 等国产化机会。随着中芯国际即将于科创板上市，A 股国产半导体家族将再得一名大将。随着当前国产半导体板块的日渐完善，我们已经看到从 IP 授权及设计服务、设计、晶圆 代工、封测、设备、以及材料多领域的不同程度的国产化出现。
中芯国际火速过会，科创板登陆在即；长存二期（产能从 50K 到 100K）宣布启动， 64 层稳定生产，128 层成功研制。2020~2022 年内资晶圆厂每年规划投资金额均超千 亿，后续有望加大国产设备、材料、OSAT 链条的扶持力度。在国产替代趋势下，目前 产业跟踪来看代工、封装、测试以及配套设备、材料已经开始实质性受益，整体实力得 到显著提升。
设备厂商国产替代明显加速。全球半导体设备市场约 500~600 亿美元，大陆占比持续 提高。中微、北方华创在设备领域持续放量，武汉精鸿检测设备落地、上海精测膜厚设 备突破。根据长存 20H1 的订单，各品类出货量占比程度看，刻蚀（中微 26%、北方华 创 9%）、薄膜（北方华创 16%、沈阳拓荆 5%）、清洗（盛美 19%）、热处理（北方华 创 35%），国产替代比率已经实现较大提升。
二、设备市场：大陆需求快速增长，国产替代提速
2.1 全球设备市场回暖，受益于制程进步、产能投放
全球每年半导体设备市场规模约500~600亿，大陆占比20~25%。根据SEMI，2019Q4 半导体设备销售额 178 亿美元，同比增长 19%，环比增长 24%，单季度半导体设备销 售额创历史新高。按地区分布，贡献最大的分别是中国大陆（同比增长 59%）、中国台 湾（同比增长 121%）。
半导体设备周期逐渐回暖，2020Q1 受疫情短期产生波动。伴随着下游资本开支提升， 设备厂商营业收入增速从 2019Q2 触底后逐渐回暖。2020Q1 由于疫情冲击，产品发货 推迟，导致单季度收入增速下调。以 ASML 为例，如果没有新冠疫情，2020Q2 将成为 一个非常强劲的发货季节，收入环比达到 50%以上。ASML 表示下游对于先进的光刻设 备需求有增无减。
Capex 进入上行期，台积电、中芯国际纷纷增加资本开支。台积电率先推进大幅资本开 支提升，推进先进制程应用。台积电 2018 年资本开支 104 亿美元，2019 年提升至 148 亿美元，2020 年预期 150~160 亿美元。中芯国际 2019 年资本开支 22 亿美元，预期 2020 年上升至 43 亿美元，开启新一轮资本开支。
“芯拐点”、新制程、新产能推动需求。我们判断本轮反转首先来自于全球“芯”拐点， 行业向上；其次，先进制程带来的资本开支越来越重， 7nm 投资在 100 亿美元，研发 30 亿美元；5~3nm 投资在 200 亿美元；7nm 单位面积生产成本跳升，较 14nm 直接 翻倍；并且，大陆晶圆厂投建带动更多设备投资需求。
2.2 前道设备占主要部分，测试需求增速最快
前道设备占主要部分。设备投资一般占比 70~80%，当制程到 16/14nm 时，设备投资 占比达 85%；7nm 及以下占比将更高。按工艺流程分类，典型的产线上前道、封装、测 试三类设备分别占 85%、6%、9%。
测试需求增长更快。半导体设备 2013~2018 年复合增长率为 15%，前道、封装、测试 分别为 15%、11%、16%。增速最快的子项目分别为刻蚀设备（CAGR 24%）和存储测 试设备（CAGR 27%）。
2.3 全球市场受海外厂商误导，前五大厂商市占率较高
全球设备五强占市场主导角色。全球设备格局竞争，主要前道工艺（刻蚀、沉积、涂胶、 热处理、清洗等）整合成三强 AMAT、LAM、TEL。另外，光刻机龙头 ASML 市占率 80%+；过程控制龙头 KLA 市占率 50%。ASML、AMAT、LAM Research、TEL、KLA 五大厂商 2019 年半导体设备收入合计 472 亿美元，占全球市场约 78%。
综合看下来，设备五强市场在各赛道合计市占率基本在 50%以上。AMSL 优势在光刻方 面遥遥领先；AMAT 优势在产品线广，沉积（CVD、PVD）市占率高；LAM 优势在刻蚀领 域；TEL 优势在小赛道如涂胶、去胶、热处理；KLA 优势在过程控制。
2.4 国内需求爆发，国产替代进展加速
国内晶圆厂投资金额即将进入高峰期。中国半导体设备市场 2019 年四个季度投资增速 同比-11%/-11%/-14%/59%。20Q1 预计继续保持高增速。根据统计，2020~2022 年国 内 晶 圆 厂 总 投 资 金 额 约 1500/1400/1200 亿 元 ， 其 中 内 资 晶 圆 厂 投 资 金 额 约 1000/1200/1100 亿元。2020~2022 年国内晶圆厂投资额将是历史上最高的三年，且未 来还有新增项目的可能。
设备国产化率较低，海外龙头垄断性较高。我国半导体设备市场仍非常依赖进口，从市 场格局来看，细分市场均有较高集中度，主要参与厂商一般不超过 5 家，top3 份额往往 高于 90%，部分设备甚至出现一家独大的情况，目前国内厂商目标市场主要是国内晶圆 厂需求，尤其是内资投建的需求。
国内国产化逐渐起航，从 0 到 1 的过程基本完成。中微公司介质刻蚀机已经打入 5nm 制程。北方华创硅刻蚀进入 SMIC 28nm 生产线量产。Mattson（屹唐半导体）在去胶设 备市占率全球第二。盛美半导体单片清洗机在海力士、长存、SMIC 等产线量产。沈阳拓 荆 PECVD 打入 SMIC、华力微 28nm 生产线量产，2018 年 ALD 通过客户 14nm 工艺验 证。精测电子、上海睿励在测量领域突破国外垄断。
制程越高，设备投资额占比越高。设备投资一般占比 70~80%，当制程到 16/14nm 时， 设备投资占比达 85%；7nm 及以下占比将更高。光刻、刻蚀、沉积、过程控制、热处理 等均是重要投资环节。
设备国产化率较低，海外龙头垄断性较高。我国半导体设备市场仍非常依赖进口，目前 国内厂商目标市场主要是国内晶圆厂需求，尤其是内资投建的需求，潜在收入目标空间 较大。
三、光刻机：半导体制程工艺核心环节，将掩膜板图形缩小
光刻是将掩膜板上的图形曝光至预涂了光刻胶的晶圆表面上。光刻胶（正胶）受到照射 的部分，将发生化学变化，从而易溶于显影液。
瑞利公式：CD=k1*(λ/NA)。CD 为关键尺寸，为了降低 CD，有三种方式：（1）降低波 长λ；（2）提高镜头的数值孔径 NA；（3）降低综合因素 k1。
生产参数：（1）分辨率：可达的最小光刻图形尺寸；（2）套准精度：图形尺寸在亚微米 数量级上，套刻误差在特征尺寸 10%；（3）产率：对给定掩膜板，每小时能曝光的晶片 数量。
方案升级：接触式——接近式——步进式。
光源升级：1985 年之前，以 g 线（436nm）为主，最小线宽为 1um 以上；1985 年以后， 出现少量 i 线（365nm）光刻机，最小线宽 0.5um；1990 年开始出现 DUV 光刻机，最 小线宽为 0.25um；踏入 21 世纪，193nm 的深紫外线开始使用。
EUV 的采用利好光刻、过程控制（ASML、KLA）。根据 ASML，45K/M 的 logic 产能， 每一层需要一台 EUV；100K/M 的 DRAM 产能，每一层需要 1.5~2 台 EUV。预估 TSMC N7 使用 7 层；N5 使用 14 层。ASML 预估 EUV 层数 10~20 层，目前工艺总层数多达 400~600 层。
光刻机发展历史，两次技术分水岭奠定格局变化。2003~2004 年为第一个分水岭：ASML 选择浸润式，Nikon 选择 157nm。2010 年为第二个分水岭：EUV 量产，差距拉大。
四、涂胶显影：与光刻机配合，实现图形转移
涂胶显影设备（Track 或 Coater&Developer）是与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影 设备，包括涂胶机（涂布机、匀胶机，Spin Coater）、喷胶机（适用于不规则表面晶圆 的光刻胶涂覆，Spray Coater）、显影机（Developer）。此类设备一般与光机联机作业（In Line），组成配套的晶圆片处理、光刻生产线。
涂胶：在结净干燥的圆片表面均匀的涂一层光刻胶。常用的方法是把胶滴在圆片上，然 后使圆片高速旋转，液态胶在旋转中因离心力的作用由轴心沿径向飞溅出去，受附着力 的作用，一部分光刻胶会留在圆片表面。
显影：用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶的可溶解区域。常用方法是将显影液喷洒 到高速旋转的圆片上，与光刻胶发生反应后形成相应的图形，然后喷洒清洗液去除显影 液及光刻胶，再喷洒定影液进行定影，经过告诉旋转甩干后，将圆片传输到烘烤单元进 行坚膜。目的是将掩膜板团复制到光刻胶上。
光刻胶主要是作为将光刻掩膜板上的图形转移到晶圆片上的媒介。正性光刻胶之曝光部 分发生光化学反应会溶于显影液，负性光刻胶之曝光部分因交联固化而不溶于显影液。
先进工艺大多采用正胶。负胶应用早，但分辨率不如正胶，在亚微米级别以后主要采用 正胶。
根据 Gartner，2018 年晶圆设备涂胶显影市场约 22.6 亿美元，占半导体设备比重为 4%。市场由日韩厂商主导：东京电子一家独大，占涂胶显影市场 90%；剩下市场 SCREEN（日）、 SEMES（韩）合计约占 10%。根据 VLSI 数据，2018 年中国大区（含中国台湾）前道涂胶显影设备市场 8.96 亿美元，2023 年将达到 10.26 亿美元。
去胶（strip）：在完成图形转移后，需要将光刻胶完全去除，以避免残留的光刻胶影响 后续工艺质量。去胶机主要用于圆片刻蚀后其表面作为阻挡层的光刻胶的去除，适用于 50~300mm 圆片的处理。
去胶方法：湿法去胶（有机溶剂去胶、无机溶剂去胶）、干法去胶等。主流方法是干法去 胶，通过等离子体将光刻胶去除。
Mattson：1988 年在硅谷成立，主要产品干法去胶（Dry Strip）、干法刻蚀（Dry Etch）、 快速热处理（RTP）、毫秒级快速热处理（MSA）等。干法去胶和快速热处理设备排名世 界第二，毫秒级快速热处理设备在其细分领域也是世界前三。2016 年，亦庄国投通过屹唐半导体，以 3 亿美元收购 Mattson。2017 年实现创纪录的营收（2.52 亿美元）和盈利 （2.05 千万美元），产品进入 5nm 逻辑和最先进存储芯片生产线。2018 年 9 月，屹唐 半导体在北京亦庄的制造基地完成投产，10 月份第一批机台下线。
五、刻蚀设备：等离子刻蚀复杂程度高，且步骤逐渐增加
刻蚀是用化学、物理、化学物理结合的方法有选择的去除（光刻胶）开口下方的材料。被刻蚀的材料包括硅、介质材料、金属材料、光刻胶。刻蚀是与光刻相联系的图形化处 理工艺。
湿法刻蚀：用液体化学剂去除衬底表面的材料。早期普遍使用，在 3um 以后由于线宽控 制、刻蚀方向性的局限，主要用干法刻蚀。目前，湿法刻蚀仍用于特殊材料层的去除和 残留物的清洗。
干法刻蚀：常用等离子体刻蚀，也称等离子体刻蚀，即把衬底暴露于气态中产生的等离 子，与暴露的表面材料发生物理反应、化学反应。
刻蚀主要参数：刻蚀速率、均匀性、选择比（对不同材料的刻蚀速率比）、刻蚀坡面（各 向异性、各向同性）
应用最广泛的刻蚀设备是 ICP 与 CCP，技术发展方向是原子层刻蚀（ALE）。
CCP：能量高、精度低，主要用于介质材料刻蚀（形成上层线路）——诸如逻辑芯片的 栅侧墙、硬掩膜刻蚀、中段的接触孔刻蚀、后端的镶嵌式和铝垫刻蚀等，以及 3D 闪存 芯片工艺（氮化硅/氧化硅）的深槽、深孔和连线接触孔的刻蚀等。2015 年 20 亿美元， TEL、LAM 合计市占率达 80%以上。
ICP：能量低、精度高，主要用于硅刻蚀和金属刻蚀（形成底层器件）——硅浅槽隔离 （STI）、锗（Ge）、多晶硅栅结构、金属栅结构、应变硅（Strained-Si）、金属导线、金 属焊垫（Pad）、镶嵌式刻蚀金属硬掩模和多重成像技术中的多道刻蚀工艺。
ALE：未来技术发展方向，能精确刻蚀到原子层（约 0.4nm），具有超高刻蚀选择率。应 用广泛。
光刻技术中许多先进制程涉及多重图形技术。即使是 EUV，波长为 13.5nm，要实现 7nm 的精度，仍需要依靠多重图形技术，即多次刻蚀。因此制程升级，精度越高，需要的刻 蚀复杂度、步骤数量也在提升。
产业发展趋势：（1）0.13um 工艺的铜互连技术出现时（300mm 时代），金属刻蚀比例 下降，介质刻蚀的比例大幅上升。（2）30nm 之后的，多重图像技术、软刻蚀应用的提 升，硅刻蚀（ICP）的占比快速提升。（3）数十层的金属互联层（后道工艺，BEOL），精 度一般在 20nm 以上的以 CCP 为主；CMOS 核心器件（前道工艺，FEOL）线宽比较少， 往往使用 20nm 以下的 ICP。（4）EUV 在 foundry/DRAM 的采用，使得刻蚀步骤减少；3D Nand 采用，使得刻蚀步骤增多，高深宽比刻蚀需求增多。
刻蚀设备市场在晶圆设备的比重不断提升，2017 年成为占比最高的设备，重要性不断 增强。2011 年以来，刻蚀在晶圆设备的占比从 11%逐渐提升到 20%。刻蚀设备市场基 本是法刻蚀设备，其中介质刻蚀和硅/金属刻蚀各占约一半。
六、薄膜设备：用于沉积物质，在设备市场占比较高
薄膜生长：采用物理或化学方法使物质附着于衬底材料表面的过程，常见生长物质包括 金属、氧化物、氮化物等不同薄膜。根据工作原理不同，薄膜沉积生长设备可分为：物 理气相沉积(PVD)、化学气相沉积（CVD）和外延三大类。
在半导体领域，薄膜主要分给绝缘薄膜、金属薄膜。大部分绝缘薄膜使用 CVD，金属薄 膜常用 PVD（主要是溅射）。
薄膜设备中，CVD 使用越来越广泛。2018 年晶圆设备市场，沉积设备占比为 22%，CVD 占 15%，PVD 占 4%，其他还有 ECD、MOCVD、SOD、外延等。
CVD：用于沉积介质绝缘层、半导体材料、金属薄膜。（1）微米时代，化学气相沉积多 采用常压化学气相沉积（APCVD）设备，结构简单。（2）亚微米时代，低压化学气相沉 积（LPCVD）成为主流，提升薄膜均匀性、沟槽覆盖填充能力。（3）90nm 以后，等离 子增强化学气相沉积（PECVD）扮演重要角色，等离子体作用下，降低反应温度，提升 薄膜纯度，加强薄膜密度。（4）45nm 以后，高介电材料（High k）和金属栅（Metal Gate）， 引入原子层沉积（ALD）设备，膜层达到纳米级别。——（1）高介电材料（High k）替 代 SiO2，用于制备 MOS 器件的栅介质层，需要引入 ALD。（2）多晶硅同步地被替代为 金属栅（Matal Gate）电极，也用 ALD 设备制备。
2018 年薄膜沉积设备达到 132 亿美元，占晶圆设备约 22%。薄膜沉积中 84%是 CVD；CVD 中 82%是非管式 CVD；Nontube CVD 中最主流的设备是等离子体 CVD、LPCVD、 ALD 等。
Non-Tube 市场前五强 AMAT（28%）、Lam（275）、TEL（18%）、Hitachi（11%）、ASM （6%），都是半导体设备领域较强的综合厂商。高端领域 ALD 受垄断由 ASM（29%）、 TEL（27%）、Lam（20%）主导。
七、清洗设备：去除晶圆片表面杂质，各制程前后均需使用
清洗机是将晶圆表面上产生的颗粒、有机物、自然氧化层、金属杂质等污染物去除，以 获得所需洁净表面的工艺设备。从工艺应用上来说，清洗机目前已广泛应用于集成电路 制造工艺中的成膜前/成膜后清洗、等离子刻蚀后清洗、离子注入后清洗、化学机械抛光 后的清洗和金属沉积后清洗等各个环节。
升级方向：高效且无损。在过去的 25 年中，随着制程升级，晶圆湿法清洗变得越来越 复杂和高效。清洗需要强力有效，还要减少对晶圆表面的损伤。
清洁步骤占半导体工艺所有处理步骤 1/3，最多已经达到 200 次。几乎所有制程的前 后都需要清洗环节。
八、掺杂设备：改变表层电导率/形成 PN 结，实现器件
掺杂工艺（Doping）：将杂质原子掺入特定的半导体区域中，形成 PN 结、电阻、欧姆 接触等。基底材料通常是硅，注入的杂质离子包括硼离子、磷离子、砷离子、铟离子、 锗离子等。
扩散（Diffusion）：通过高温热处理作用将扩散源（固态源、液态源、气态源等）扩散 到圆片衬底上，也称为热扩散。扩散工艺设备简单、扩散速率快、掺杂浓度高，但扩散温度高、控制精度低，离子注入出现逐渐被其替代。
离子注入（Ion Implantation）：使具有一定能量的带电粒子（离子）高速轰击硅衬底 并将其注入硅衬底的过程。优点：温度较低、准确控制浓度和深度、重复性好。离子注 入过程会造成晶格损伤，所以需要 RTP。
离子注入（掺杂）市场大约 15 亿，应用最广泛的是大束流设备，占整体市场约一半。全球离子注入市场主要由 AMAT（美，主要产品中/高速流、超高剂量离子注入）、Axceils （美，主要产品高能离子注入）、SEN（日，主要产品中/高速流离子、高能离子注入） 占据。
九、氧化形成器件，快速退火修复晶格
氧化（Oxidation）：通过热氧化方法在硅片表面形成二氧化硅，常用于 MOS 器件的栅介 质，还可用于器件保护和隔离、表面钝化处理、离子注入掩蔽层、扩散阻挡层、缓冲层 等。
快速热处理（Rapid Thermal Process）：设备对离子注入后的圆片进行快速热退火（RTA）， 将圆片加热至某一温度（400~1300℃）。退火的主要作用是消除晶格缺陷、晶格损伤， 此外也用于除氧、除金属杂质、清楚表面吸附物质、改善表面粗糙程度等。退火工艺是 与其他工艺（离子注入、薄膜沉积、金属硅化物形成）结合一起，最常见的是离子注入。
十、过程控制：制造过程的准确性检测
过程控制：每道制程工艺后，都必须进行尺寸测量、缺陷检测等，用于工艺控制、良率 管理，要求快速、准确。
尺寸测量：测量关键尺寸（CD critical dimension）、膜厚度（thickness）、应力（stress）、 折射率（refractive index）、阶梯覆盖（step coverage）、接触角度（contact-angle）… 无图形缺陷检测：颗粒（particle）、残留物（residue）、刮伤（scratch）、警惕原生凹坑 （COP）等等。
有图形缺陷检测：短线（break）、线边缺陷（bite）、桥接（bridge）、线形变化（Deformation） 等等。
2019 年全球检测、量测设备市场约 60 亿美元，其中中国大陆市场 13 亿美元。根据 TSMC 测算，随着制程微缩、3D 堆叠，测量、检测设备未来有希望翻倍到 120 亿美元。KLA 在大多细分领域具有明显优势，此外 AMAT、Nano、ASML、Nova、Hitachi 也有所 布局。
十一：测试设备：用于测试晶圆片及成品
半导体测试包括晶圆允收测试（WAT）、晶圆检测（CP）、成品测试（FT） 。WAT 环 节涉及测试机、分选机、探针台；CP 由测试机、探针台搭配完成；FT 涉及测试机、分 选机搭配完成。
晶圆检测（CP）是指在晶圆完成后进行封装前，通过探针台和测试机的配合使用，对晶 圆上的裸芯片进行功能和电参数测试。
成品测试（FT）是指芯片完成封装后，通过分选机和测试机的配合使用，对封装完成后 的芯片进行功能和电参数测试。
测试机行业面临的测试任务日益复杂，测试机的测试能力和配置需求都在提高。随着集 成电路管脚数增多、测试时间增长，包括华峰测控在内的测试机企业越来越多地采用多 工位并测的方案来降低测试时间，推出测试覆盖面更广、资源更多的测试设备，不断提 高测试系统的可靠性和稳定性，以降低客户平均到每颗器件的测试成本。
测试技术要求不断提高。测试产品技术发展趋势主要包括：（1）并行测试数量和测试速 度的要求不断提升；（2）功能模块需求增加；（3）对测试精度的要求提升；（4）要求使 用通用化软件开发平台；（5）对数据分析能力提升
半导体测试设备市场呈现寡头垄断格局。集成电路检测在测试精度、速度、效率和可靠 性等方面要求高。全球先进测试设备制造技术基本掌握在美国、日本等集成电路产业发达国家厂商手中，市场格局呈现泰瑞达、爱德万、科休、科利登等四家厂商寡头垄断。各家厂商在检测设备侧重点也有所区别，如泰瑞达（Teradyne）主要产品为测试机，爱 德万（Advantest）主要产品为测试机和分选机，科利登（Xcerra）主要产品为测试机， 东京电子（Tokyo Electron）主要产品为探针台，北京华峰主要产品为测试机，上海中艺 主要产品为分选机。爱德万和泰瑞达在全球测试设备合计市场份额达到 70%以上。
全球半导体测试设备市场保持稳步增长，其中测试机占比最高。根据 VLSI，全球半导体 后道测试设备市场（含测试机、分选机、探针台）规模约 50 亿美元。检测设备市场空 间大，包括 CP 测试和 FT 测试在内的半导体测试设备占半导体设备市场空间 15%~20%。整个测试设备市场中，测试机比重最高，分选机与探针台相对较少。测试机按测试对象 包括模拟、混合、数字、SOC、存储器测试机等市场。
随着国内封测厂陆续投入新产线，产能实现扩张，将持续带动国内半导体测试设备市场 高速增长。根据 SEMI，2018 年国内集成电路测试设备市场规模约 57.0 亿元，集成电路 测试机、分选机和探针台分别占比 63.1%、17.4%和 15.2%，其它设备占 4.3%。
国内半导体测试设备市场也由海外大厂主导。在测试设备细分领域，目前国内市场仍主 要由美国泰瑞达（Teradyne）、日本爱德万（Advantest）、美国安捷伦（Agilent）、美国 科利登（Xcerra）和美国科休（Cohu）等国际知名企业所占据。这些厂商也会通过设立全资或合资子公司，推进大陆半导体测试市场的业务。
十二、投资建议（详见报告原文）
……
（报告观点属于原作者，仅供参考。报告来源：国盛证券）
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