自主安全和国产替代背景下，半导体产业链本土化成为长期趋势。半导体行业有“一代设备、一代工艺、一代产品”的发展特征。作为一代工艺发展的前提，半导体设备的性能提升对所有下游变革起到决定性的先导作用，是实现自主可控国产化的关键领域。SEMI预计2025年全球300nm设备支出将首次超过1000亿美元，2027年将达到1370亿美元的历史新高。我国未来四年将保持每年300亿美元以上的投资规模，持续扩产12英寸晶圆代工产能。成熟制程产能占比快速提升，由此持续带来的高强度资本支出，有望为半导体设备带来广阔的需求空间。
资料来源：SEMI半导体设备是半导体产业发展的关键基石，泛指用于生产各类半导体产品所需的生产设备，支撑着年产值数千亿美元的半导体行业和数万亿美元的电子信息行业。典型的集成电路制造产线设备投资中，芯片制造及硅片制造设备投资占比约80%，是集成电路制造设备投资中的最主要部分。半导体设备主要分为前道工艺设备（晶圆制造）和后道工艺设备（封装测试）。前道晶圆制造分为7大工艺，分别为氧化/扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、清洗和金属化。相对应的专用半导体设备主要包括氧化/扩散设备、光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备等。后道设备包括减薄、划片、打线、Bonder、FCB、BGA 植球、检查、测试设备等。硅片在经过研磨，抛光，切片后形成硅晶圆片，也就是晶圆。典型的晶圆制造过程复杂耗时，需要花费6-8周的时间，涵盖350多道步骤。晶圆制造的工艺流程主要包括扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化。主要用到的核心设备有薄膜沉积设备、光刻设备和刻蚀设备。这三大设备的价值量占比远超其他设备，各自所占市场规模均接近20%。01 光刻设备
光刻工艺是半导体制造中价值量、技术壁垒和时间占比最高的部分之一。加上配套的涂胶显影设备和光刻工艺需要用到的掩模版、光刻胶等耗材，整体光刻工艺的费用约占芯片生产成本的1/3左右，耗费时间约占40%~00%。光刻机内部零件种类众多，且越高端的光刻机组成越复杂，如EUV内部零件多达8万件以上。主要组成系统包括：光源系统、光学系统（包括照明系统和投影物镜）、掩模台、掩模传输系统、工件台、晶圆传输系统、对准系统、调平调焦系统、环境控制系统、整机框架和减振系统、整机控制系统和整机软件等。其中光源、光学系统、双工件台为光刻机的三大核心部件，价值量占比约为15%、24%、12%。光刻机光源包括UV、DUV和EUV，其中EUV技术难度极高。光刻机光源供应几乎由美国Cymer和日本Gigaphoton垄断。目前Cymer（2013年被ASML收购）和日本的Gigaphoton近乎垄断全球光刻机的光源供应，且仅有Cymer能够量产EUV光源，Gigaphoton也已进入EUV光源量产机型商业化的验证阶段。国内仅科益虹源可提供DUV准分子激光光源（KrF、ArF）。投影物镜是光刻机中实现精准成像的关键部件，主要作用是将掩模图形按照一定缩放比例成像到硅片上。投影物镜构造复杂，通常由多枚镜片组成，如ASML的DUV光刻机镜头由29片镜片组成。投影物镜技术难度极高，国外光刻投影物镜的光学、结构设计专利主要集中于ASML、蔡司、Nikon和Canon，其中蔡司是全球唯一可提供EUV投影物镜的厂商。蔡司的半导体业务与ASML联系紧密，子公司Zeiss SMT是ASML光学部件的独家供应商，且ASML于2017年 收购了Ziess SMT 24.9%的股份并持有至今。国内相关研究集中在上海微电子、长春国科精密光学技术有限公司、北京国望光学科技有限公司、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等。光刻机企业往往具备高外采率以及与供应商共同研发的特点。目前全球从事光刻机制造的公司主要包括ASML、Nikon、Canon、上海微电子、Veeco、Suss等公司，其中ASML、Nikon和Canon三家占据了绝大部分光刻机市场。ASML在高端光刻机领域，特别是极紫外（EUV）光刻机方面，处于绝对领先地位，市场份额超过90%。中高端的ArF、ArFi、EUV光刻机市场均由ASML垄断，ASML是目前全球唯一能够生产EUV光刻机的厂商。EUV光刻机采用极紫外光源，具有更高的分辨率和更短的曝光时间，适用于制造7纳米及以下线宽的先进芯片。根据ASML最新的技术路线图，未来十年内光刻机产能将持续提升，目标2030-2035年各品类光刻机产能提升至目前的1.5-2倍。
国内方面，2023年以来上海、广东、北京、湖北和安徽等地从荷兰进口光刻机的规模快速增长。我国各省市光刻机的进口体量往往能够反映该地区晶圆厂未来的扩产倾向，光刻机的进口均价也可在一定程度上反映未来扩产制程的先进水平。当前海外出口管制逐步严苛，同时也为了满足国内高端芯片代工自给化的需求，光刻设备及零部件国产化的重要程度持续提升。国内对标产品为ASML的DUV光刻机：TWINSCANNXT:2000i。以NXT:2000i为例，各子系统拆分如下：上海微电子负责光刻机设计和总体集成，北京科益虹源提供光源系统，北京国望光学提供物镜系统，国科精密提供曝光光学系统，华卓精科提供双工作台，浙江启尔机电提供浸没系统；芯碁微装直写光刻。上海微电子自主研发的600系列光刻机（如SSA600/20型号）突破了外国光刻机的限制，可批量生产90纳米工艺的芯片，并且已经成功交付了首台28纳米工艺的国产沉浸式光刻机。苏大维格向上海微电子提供光刻机用的定位光栅产品；蓝英装备是全球领先的清洗系统和表面处理设备及解决方案提供商，是上海微电子的供应商；腾景科技的多波段合分束器产品已经进入上海微电子的供应链。华卓精科研制出国产光刻机双工作台系统，打破国外在这一领域的技术垄断；福晶科技是全球最大的LBO、BBO非线性光学晶体生产商，光刻机平行光源系统已应用于国产光刻机；茂莱光学提供精密的光学仪器，包括光刻机所需的透镜和投影物镜等组件；赛微电子主要提供光学器件、投影物镜等。晶方科技下属的荷兰ANTERYON公司服务于国际领先的光刻机厂商；奥普光电下属的长春光机所是国内光刻机技术研发的重要力量，长春光机所自上世纪九十年代起就专注于极紫外（EUV）光刻技术的研究，已取得了多项重大成果，包括国内第一套EUV光刻原理装置的研制和EUV光刻关键技术的研发等；同飞股份液体恒温设备在半导体制造设备领域主要应用于光刻机、刻蚀机等关键设备的温度控制。国内光刻机零部件环节众多，各细分领域都涌现出一批代表厂商。
数据来源：各公司官网，郭乾统《基于光刻机全球产业发展状况分析我国光刻机突破路径》，东吴证券
02 刻蚀设备
刻蚀工艺是指将经图形曝光并在半导体硅片表面的光刻胶微图形转移到光刻胶下层薄膜材料上，选择性刻蚀掉光刻胶下层材料上未被光刻胶掩蔽的部分。刻蚀设备与光刻、薄膜沉积并称为半导体制造三大核心设备。流刻蚀设备分为CCP（电容耦合等离子体）和 ICP（电感耦合等离子体），CCP占比47%，ICP在刻蚀机总量中占比53%。全球刻蚀设备市场格局高度集中，海外三大厂商寡头垄断，占据总市场份额的约90%。刻蚀设备是国内率先取得突破的半导体制造核心设备，中微公司、北方华创、屹唐股份等厂商在刻蚀设备引领国产替代。中微公司在刻蚀方面基本上全面覆盖，等离子体刻蚀设备已应用在国际一线客户从65纳米到14纳米、7纳米和5纳米及其他先进的集成电路加工制造生产线及先进封装生产线。在3DNAND中，中微公司等离子体刻蚀设备已应用于128层及以上的量产，新开发的用于超高深宽比掩膜刻蚀的ICP设备在生产线上验证顺利。北方华创与中微公司并列刻蚀设备双雄。ICP刻蚀国内领先、12寸CCP晶边刻蚀机Accura BE已经推出并量产，2024年3月发布12英寸双大马士革CCP刻蚀机；国内后起之秀厂商屹唐半导体的刻蚀干刻设备应用于三星电子、长鑫存储等客户。
03 薄膜沉积设备
薄膜沉积是指在基底上沉积特定材料形成薄膜，使之具有光学和电等方面的特殊性能。作为芯片结构内的功能材料层，薄膜性能直接影响电路图形转移质量和芯片芯能，除了与沉积材料有关，最主要受薄膜沉积工艺影响。按照工艺原理的不同可分为物理气相沉积（PVD）设备、化学气相沉积（CVD）设备和原子层沉积（ALD）设备。其中，CVD占沉积设备整体市场份额的64%，其技术路线较多且具有较好的孔隙填充和膜厚控制能力，是应用最广的沉积设备。全球薄膜沉积设备由国际巨头高度垄断，其中 PVD 领域应用材料一家独大，CVD、ALD领域为寡头垄断。CVD设备应用材料、泛林半导体、东京电子三家合计占有全球 70%市场份 额，整体保持稳定；ALD设备先晶半导体、东京电子合计占全球 75%市场份额。国内薄膜沉积设备主要厂商包括中微公司、拓荆科技、北创华创、盛美上海等。北方华创在PVD、APCVD以及用于功率等领域的PECVD、ALD等方面都有所布局，突破了多项核心技术，实现了对逻辑芯片和存储芯片金属化制程的全覆盖。拓荆科技是国内唯一一家产业化应用PECVD和SACVD设备的供应商。产品适配国内最先进的28/14nm逻辑芯片、19/17nmDRAM芯片及64/128层3D NAND FLASH晶圆制造产线，并应用于中芯国际、华虹集团、长江存储、厦门联芯、燕东微电子等国内主流晶圆厂，累计发货超150台。盛美上海前道大马士革ECD设备已实现批量订单，SiNLPCVD客户端进行量产认证。
04 涂胶显影设备
涂胶显影设备与光刻机紧密协作，是光刻工序中的核心设备。涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备，包括涂胶机、喷胶机和显影机。在光刻工序涂胶显影设备领域，日本处于全球领先地位，主要厂商包括日本东京电子（TEL）、日本DNS（Screen）等，均主要聚焦在前道晶圆加工领域。国产厂商芯源微是国内主要涂胶显影设备供应商，公司于2018年自主研发出首台国产高产能前道涂胶设备，并成功通过下游集成电路制造厂工艺验证。目前芯源微生产的前道涂胶显影设备已获得了多个前道大客户订单及应用，部分型号设备工艺水平已能够对标国际主流机台。整体来看，涂胶显影国产化率较低，替代空间十分广阔。
05 清洗设备
半导体清洗是针对不同的工艺需求对晶圆表面进行无损伤清洗以去除半导体制造过程中的颗粒、自然氧化层和抛光残留物等杂质的工序。为减少杂质对芯片良率的影响，实际生产中不仅需要提高单次清洗效率，还需在几乎所有制程前后进行频繁清洗。按照清洗原理划分，清洗工艺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。全球半导体清洗设备由日本公司DNS和TEL主导，两家市场份额占比合计约80%。我国半导体清洗领域的厂商包括盛美上海、北方华创、芯源微和至纯科技等。盛美上海单片清洗设备最高可单台配置18腔体，达到国际先进水平，目前正在拟研发的产品包括干法设备拓展领域产品和超临界CO2清洗干燥设备；芯源微的前道Spin Scrubber 清洗机设备目前已达到国际先进水平，成功实现进口替代。相比于其他半导体设备，清洗设备的技术门槛较低，国产化率超过了其他大部分设备，未来五年有望率先实现全面国产化。
06 CMP设备
化学机械研磨/化学机械抛光（CMP）是目前公认的纳米级全局平坦化精密加工技术。在硅片制造环节，在完成拉晶、硅锭加工、切片成型环节后，在抛光环节，为最终得到平整洁净的抛光片需要通过CMP设备及工艺来实现。在先进封装领域，硅通孔（TSV）技术、扇出（Fan Out）技术、2.5D 转接板（interposer）、3D IC等都需要使用CMP设备。
资料来源：华海清科全球CMP设备厂商中，美国厂商应用材料占据绝大部分份额约70%。国内CMP设备的主要供应商为华海清科、北京烁科精微电子装备有限公司和中电45所。华海清科是国内唯一一家能够提供12英寸CMP设备商业机型的制造商。2014年推出了国内首台拥有核心自主知识产权的12英寸CMP设备，打破了国际巨头在此领域数十年的垄断；新抛光系统架构CMP机台Universal H300已经实现小批量出货；客户包括中芯国际、长江存储、华虹集团等。
07 离子注入机
离子注入是一种掺杂技术，是将特定元素以离子形式加速到预定能量后注入至半导体材料之中，改变其导电特性并最终制成包括晶体管在内的集成电路基本器件。离子注入机设备十分庞大，包含几个子系统：气体系统、电机系统、真空系统、控制系统和最重要的射线系统。全球离子注入机市场，美国公司垄断绝大部分市场份额，应用材料(AMAT)占据了约70%的市场份额，垄断全球离子注入市场，此外，亚舍立(Axcelis)占据约20%的市场份额。日本也拥有日新、日本真空、住友重工等离子注入机知名厂商。国内企业中凯世通和中科信是集成电路离子注入机研发和生产领军厂商。2024年4月，凯世通半导体大束流离子注入机在客户工厂举行首台move in仪式。这是凯世通于2022年1月获得国内主流12英寸芯片制造厂近7亿元的设备订单后，仅用3个月的时间，完成该订单的首批多套设备顺利发货；2024年11月，凯世通成功向一家12英寸晶圆厂的新客户交付了首台低能大束流离子注入机。中科信已实现国产离子注入机28纳米工艺制程全覆盖，形成中束流、大束流、高能及第三代半导体等全系列离子注入机产品格局。
08 去胶设备
去胶是刻蚀或离子注入完成之后去除残余光刻胶的过程。全球干法去胶设备领域呈现多寡头竞争的发展趋势，前五大厂商的市场份额合计超过90%。国内厂商屹唐半导体市占率位居全球第一，已全面覆盖全球前十大芯片制造商和国内行业领先芯片制造商，当前已量产的干法去胶设备已可用于90-5纳米逻辑芯片、1Y到2X纳米（约14-29nm）系列DRAM芯片以及32-128层3D NAND芯片的生产；盛美上海的产品主要为湿法光刻胶剥离设备。
09 测试机&分选机
在芯片封装完成后，通过测试机和分选机的配合使用，对电路成品进行功能及稳定性测试，挑选出合格成品。测试机又称半导体自动化测试机，对芯片施加输入信号、采集输出信号，并将测试结果通过传送给探针台，探针台据此对芯片进行打点标记，形成晶圆的Map图。测试服务厂家主要分为两类：封测厂自有测试产线和专业的第三方测试公司。测试机国外公司主要有泰瑞达、爱德万、科休半导体，国内代表厂商主要是长川科技、华峰测控。国内技术难度较低模拟测试机已基本实现自产自用，但技术难度要求较高的SoC测试机、存储器测试机及RF测试机国产自给率仍然较低。在国内封测需求增加、产能吃紧以及价格上升的情况下，国内四大封测厂长电科技、通富微电、华天科技、晶方科技募资扩产有利拉动上游测试设备厂。分选机主要应用于芯片设计检验阶段和成品终测（FT）环节，是终测环节重要检测设备之一。国内分选机企业主要有长川科技（重力式和平移式分选机）、金海通（平移式分选机）、上海中艺（重力式分选机）、格朗瑞（转塔式分选机）、精测电子等。整体来看，我国半导体产业近年来高速发展，虽然在高端光刻机和量测/检测设备方面，国内替代进展相对缓慢，但在清洗、CMP、热处理等领域的国产化率已超30%。随着先进制程产品逐步成熟以及先进制程持续扩产，国产厂商设备有望持续提升整体国产化率。
来源：乐晴智库精选
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