半導體設備行業深度研究：光刻機、薄膜沉積、刻蝕機、清洗等
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（報告出品方/作者：方正證券，陳杭、胡園園）
1 半導體前道設備詳解
光刻機：半導體工業皇冠上的明珠
光刻機是光刻工藝的核心設備，也是所有半導體制造設備中技術含量最高的設備，包含上萬 個零部件，集合了數學、光學、流體力學、高分子物理與化學、表面物理與化學、精密儀器 、機械、自動化、軟件、圖像識別領域等多項頂尖技術。
作為整個芯片工業制造中必不可少的精密設備——光刻機，其光刻的工藝水平直接決定芯片 的制程和性能水平，因此光刻機更是被譽為半導體工業皇冠上的明珠。
光刻機：發展歷程
ASML成立于1984年，當時正是日本半導體如日中天的時代。日本半導體的成功背后，是尼康 和佳能兩大光學巨頭的光刻設備，以及東京電子、日立、迪恩士等一系列配套廠商的支持。
1994年ASML的市場份額只有18%，但設計超前的8英寸PAS5500以及1995年IPO給ASML帶 來了機遇。臺積電、三星和現代（后來的Hynix）率先決定幾乎全部改用ASML的機器，而1995 年東芝、西門子和IBM聯盟考慮到和佳能的合作，開始沒有選擇ASML。
最后的結局是：堅持尼康佳能的日系半導體廠商真正開始了長達數十年的衰敗，而押寶ASML的 三大東亞廠商迅速崛起直到今天稱霸。
ASML最先進的浸沒式光刻系統：DUV——全球工藝集大成者
TWINSCAN NXT:2000i DUV（雙工作臺深紫外光刻機）是ASML最先進的浸沒式光刻系統 ，是極紫外光刻機EUV前的重要過渡產品，也是后期7nm/5nm產能的重要補充。
光刻機：量價齊升
受益于下游需求旺盛，光刻設備有望量價齊升帶動市場空間不斷增長。
價：隨著芯片制程的不斷升級，IC前道光刻機制造日益復雜，其價格不斷攀升。先進制程發 展使得晶體管成本降低，但是光刻機價格不斷增高。2018年7nm EUV光刻機平均每臺價格 達到了1.2億歐元。
量：晶圓尺寸變大和制程縮小將使產線所需的設備數量加大，性能要求變高。12寸晶圓產線 中所需的光刻機數量相較于8寸晶圓產線將進一步上升。同時預計2020年隨著半導體產線得 到持續擴產，光刻機需求也將進一步加大。
涂膠顯影：涂膠+烘烤+顯影
涂膠顯影設備包括涂膠機、噴膠機、顯影機，是光刻工序中與光刻機配套使用的設備，是集 成電路制造的核心設備。涂膠顯影設備可以應用于集成電路制造前道晶圓加工領域，以及后 道先進封裝領域，其中，應用于集成電路制造前道晶圓加工環節的前道涂膠顯影設備更多， 市場份額占比更大。
涂膠顯影設備主要由涂膠、顯影、烘烤三大系統組成，通過圓片傳遞機械手，使圓片在各系 統之間傳輸和處理，完成圓片的光刻膠涂覆、固化、光刻、顯影、堅膜的工藝過程。
早期或較低端集成電路工藝中，主要使用獨立機臺（Off-line），隨著集成電路工藝的提升， 目前200mm及以上的生產線大多采用與光刻機聯機的設備（In-line），與光刻機配合工作。
涂膠顯影：25億美金市場空間，東京電子壟斷90%
據統計，全球前道涂膠顯影設備銷售額由2013年的14.07億美元增長至2018年的23.26億美 元，年復合增長率達10.58%，預計2023年市場規模約24.76億美元。
全球涂膠顯影設備被日本東京電子高度壟斷，其全球市占率近90%；其余主要廠商還有日本 SCREEN、中國臺灣億力鑫、德國蘇斯微、韓國CND等。中國本土涂膠顯影設備生產企業 主要為芯源微，在國內市場中的份額占比為4%左右。據統計，中國大區（含中國臺灣地區） 2018年前道涂膠顯影設備規模8.96億美元，預計2023年將達到10.26億美元。
刻蝕工藝：90%以上為干法刻蝕
刻蝕是利用化學或者物理的方法將晶圓表面附著的不必要的材質進行去除的過程。刻蝕工藝 可分為干法刻蝕和濕法刻蝕。目前應用主要以干法刻蝕為主，市場占比90%以上。濕法刻蝕 在小尺寸及復雜結構應用中具有局限性，目前主要用于干法刻蝕后殘留物的清洗。
刻蝕設備：微縮化+3D化，推動刻蝕用量增加
先進制程以多重模板工藝為依托從而實現更小微觀尺寸，凸顯刻蝕設備重要性。由于波長 限制，14納米及以下邏輯器件微觀結構的加工無法通過光刻機來實現，必須依靠多重模板 技術，進一步提升刻蝕技術及相關設備的重要性和需求量。
NAND閃存進入3D、4D時代，采用縮小單層上線寬和增加堆疊層數的方法來增加集成度， 要求刻蝕技術實現更高的深寬比。刻蝕技術需要在氧化硅和氮化硅一對的疊層結構上，加 工40:1到60:1的極深孔或極深的溝槽。目前，3D96層與128層閃存均已進入量產階段。從 2D NAND過渡到3D NAND，刻蝕設備的投資占比顯著提升，從20%提高至50%。
刻蝕設備競爭格局：日美廠商頭部集中、中國廠商崛起
全球市場行業集中度高，技術壁壘顯著。全球刻蝕機市場長期一直被泛林半導體、東京電 子、應用材料三大巨頭占據，2019年合計市場占比約90%，行業集中度高。2019年，細分 介質刻蝕機市場中，東京電子處于領先地位，市占率達到52%，國內中微公司市占率也已 達到3%。
國內刻蝕機市場，國產廠商表現亮眼。泛林半導體依舊在國內刻蝕機市場中保持領先地位 ，2019年市占率52%；而國產廠商中，中微公司已占據20%市場份額，排名第二，北方華 創則占據6%市場份額；中微領軍國內介質刻蝕，北方華創則領軍國內硅刻蝕。（報告來源：未來智庫）
沉積設備：CVD應用逐步增加
薄膜沉積工藝中由于CVD技術路線較多，具有較好的孔隙填充和膜厚控制能力，CVD在金 屬沉積方面的應用正在增加。
沉積設備：線寬微縮+結構3D化，催生成倍需求
邏輯芯片：摩爾定律下需要采用多重曝光工藝，重復多次薄膜沉積和刻蝕工序以實現更小線寬 ，由此帶動薄膜沉積設備需求成倍增加。對比中芯國際180nm和90nm產線設備用量，PVD和 CVD需求均增長近4-5倍。
存儲芯片：NAND 制造工藝從2D向3D轉化，堆疊層數也從32/64層向128/196層發展，產品 結構和層數的復雜化同樣催生更多薄膜沉積設備需求。
離子注入：較小制程下的摻雜方法
摻雜是把雜質引入半導體材料的晶體結構中，以改變它的電學性能。硼、磷、砷、銻是半導 體制造中最常見的四種雜質。
摻雜的原因有很多，例如硼和磷雜質擴形成硅器件的多數載流子，形成硅片的導電層，也可 以改變材料的性能，摻雜還可以提高多晶硅柵電極的電導率。
在晶片制造中，有兩種方法可以引入雜質元素，即熱擴散和離子注入，隨著特征尺寸的不斷 減小，現代晶片制造幾乎所有摻雜工藝都是用離子注入實現的。
熱處理設備市場：氧化/擴散爐遠期市場規模7.1億美元
近年來，半導體熱處理設備市場規模保持平穩增長。根據Gartner統計數據，2020年全球熱處 理設備市場規模合計15.37億美元，其中氧化/擴散設備市場規模約5.52億美元。
下游對于半導體產品性能需求的不斷提升，將對上游熱處理設備市場產生拉動效應，在此趨 勢下，熱處理設備預計將獲得更大的發展空間，2025年熱處理設備市場規模有望達到19.91 億美元，氧化/擴散設備市場規模將達到7.10億美元。
清洗工藝：干法清洗 VS 濕法清洗
清洗工藝 ：主要用于去除芯片制造中上一道工序所遺留的超微細顆粒污染物、金屬殘留、 有機物殘留物，去除光阻掩膜或殘留，也可根據需要進行硅氧化膜、氮化硅或金屬等薄膜 材料的濕法腐蝕，為下一步工序準備好良好的表面條件。
清洗設備需求：遠期41億美元全球空間
根據Gartner 統計數據，2018年全球半導體清洗設備市場規模為34.17億美元，2019和 2020年受全球半導體行業景氣度下行的影響，有所下降，分別為31.7和33.4億美元，隨 著全球半導體行業復蘇，全球半導體清洗設備市場將呈逐年增長的趨勢，2025年預計全 球半導體清洗設備行業將達到40.7億美元。
CMP拋光工藝：耗材成本占比68%
化學機械拋光（CMP）是半導體集成電路 制造前道工序和先進封裝環節的必備環節， 指用化學腐蝕及機械力對加工過程中的硅晶 圓或其它襯底材料進行平坦化處理。
CMP工藝的原理是將機械力作用于圓片表 面，同時由拋光液中的化學物質與圓片表面 材料發生化學反應來增加其拋光速率。
CMP市場主要分為設備和耗材（拋光液、 拋光墊），其中CMP耗材占接近68%， CMP設備為32%。
檢測和量測設備：2022年中國檢測和量測設備市場規模近34億美金
半導體檢測設備是芯片良率控制的關鍵，分為（1）前道量測設備（工藝流程控制設備）和 （2）后道測試設備（自動檢測設備ATE）。前道量測設備主要用于晶圓加工環節，目的是 檢查每一步制造工藝后晶圓產品的加工參數是否達到設計的要求或者存在影響良率的缺陷， 屬于物理性的檢測；后道測試設備主要是用在晶圓加工之后、封裝測試環節內，目的是檢查 芯片的性能是否符合要求，屬于電性能的檢測。
2 半導體設備需求拆解
臺積電：22年將是強勁增長的年份
臺積電2021年資本支出300億美元，22年資本支出將達到400-440億美元，其中大部分（70~80%）將 集中于先進技術產品線，涵蓋了 7nm、5nm、3nm 和 2nm 芯片制造工藝。
公司預計2022年將是又一個強勁增長的年份。對于2022全年，臺積電預計整個半導體市場將增長約9%， 代工行業的增長預計將接近20%，公司將有信心跑贏代工行業20％的增速。
中芯國際：半導體行業仍然供大于求
中芯國際2021年資本支出45億美元，22年資本支出預計將達到50億美元。
公司表示半導體行業仍處于供大于求的狀態，部分應用領域整體需求增速放緩，產能全面短 缺逐步向安全性、結構性短缺轉變。
華虹半導體：22年的需求依舊十分強勁
公司2021年資本開支9.39億美元，21Q4產能利用率超100%。
擴產方面，公司從2021年年中開始實施94.5K的擴產，首臺設備預計2022年3月份搬入，2022年底之前， 預計95%以上的設備可以投入使用。隨著設備的搬入、調試的完成，公司將在2022年底實現94.5K的產 能。
設備投資成本：28nm約8億美元/萬片
先進制程投資成本高，研發進程緩，成熟制程在成本控制方面更具優勢。根據IBS統計，隨 著技術節點的不斷縮小，集成電路制造的設備投入呈大幅上升的趨勢。以5納米技術節點為 例，其投資成本高達數百億美元，是14納米的兩倍以上，28納米的四倍左右。格羅方德和 聯電均已宣布暫緩10nm以下制程的研發。
中芯京城：76億美元擴產10萬片/月
中芯京城項目，總投資76億美元，分兩期建設。一期計劃于2024年完工，建成后將達成每 月約10萬片12吋晶圓產能。
長江存儲：20萬片/月產能待擴
長江存儲國家存儲器基地項目由紫光集團、國家集成電路基金、湖北省科投集團和湖 北省集成電路產業基金共同投資建設。
此項目規劃共投資約1697億元，分兩期建設3D NAND Flash芯片工廠，兩期達產產能30 萬片/月。
華潤微：重慶擴產12吋晶圓
華潤微與大基金二期聯手，預計投75.5億元擴產晶圓；建成后預計將形成月產3萬片12吋中 高端功率半導體晶圓生產能力，并配套建設12吋外延及薄片工藝能力。
士蘭微：8吋、12吋二期待擴
8吋：2019年，公司公告擬投資15億元啟動8吋二期擴產，計劃新增年產能43.2萬片，即3.6 萬片/月；2020年底，士蘭微實現8吋產能6萬片/月。
12吋：士蘭微12吋產線一期于2020年底正式投產，月產能4萬片/月，現處于爬坡中。2021 年5月，公司公告啟動12吋二期建設，預計新增年產24萬片高壓集成電路和功率器件芯片。
第三代半導體 ：2020年694億元投資
據CASA Research統計，2020年共有24筆第三代半導體投資擴產項目， 披露的投資擴產金額達到694億元， 較2019年同比增長161%；其中， SiC涉及金額550億元，GaN涉及金 額144億元。
全球產能分布：中國大陸聚焦28納米以上成熟制程
根據2020年全球各地區晶圓產能按制程拆分來看，受臺積電和三星驅動，全球10納米以下 產能主要位于中國臺灣及韓國，其中中國臺灣產能占比90%以上。
美國產能則主要集中在10納米到22納米。中國大陸在28nm以上制程的占比最高，其中在28 納米-45納米已經成為全球僅次于中國臺灣的第二大產能供給地。
競爭形勢嚴峻，國產替代迫在眉睫。
各國政府積極向有芯片制造能力的廠商拋出橄欖枝，鼓勵廠商在本土設廠，如2020年臺積電 在美國支持下決定赴美投資120億美元生產世界最先進的5納米芯片。臺積電、三星電子規劃 在美國建設新的晶圓代工廠，爭奪美國300多億美元的政府補貼。
3 半導體設備大廠復盤
中外對比：產品線對比
行業三大龍頭企業產 品線主要集中在半導 體設備和FPD設備，涵 蓋的工藝技術較為全 面。其中泛林半導體 只經營半導體業務， 東京電子和應用材料 還涉及顯示器設備。
國內領先企業目前具 備的技術種類略少于 行業龍頭企業。中微 公司主要聚焦刻蝕產 品和MOCVD設備；北 方華創涵蓋的業務相 對更多，除半導體業 務外，還涉及真空光 伏設備與新能源鋰電 設備。
全球前十大半導體設備廠商：兼收并購助力企業平臺化
由于半導體設備行業具有技術壁壘高、 投資周期長等特性，半導體設備廠商往 往會采用并購手段來進行產品線豐富與 市場擴張。
1996年至2020年，全球前10大半導體 設備廠商合計發起92次并購，其中并購 次數最多的是全球市占率約8%的科磊半 導體，共發起并購28次。市占率約23% 的全球龍頭應用材料則發起并購21次。
景氣度：營收規模持續擴大
擴產高需求拉動下，龍頭設備廠商營收規模持續擴大。ASML 22Q1營收負增長主要是公司 采取了快速出貨模式，即為使客戶盡快開出產能，取消廠內測試環節，直接運設備到客戶端 進行測試驗收，然后確認收入，導致部分訂單延遲到22Q2確認收入。
需求：供不應求向上游蔓延，零部件交期拉長
設備高需求，疊加疫情等因素，半導體行業供不應求進一步向上游零部件蔓延。疫情前，零部件平均交 期約為3個月，而現階段，根據Nikkei數據，閥門、泵類交期尤為長，已達12-15個月，石英件、EFEM 等的交期也接近10個月，稍短一點的O-ring交期在5個月左右，交期都大幅拉長。（報告來源：未來智庫）
4 國產半導體設備機遇
國產生態：產品平臺化+泛半導體全覆蓋
半導體設備的兩大必然趨勢：1、產品的平臺化：前道工藝設備全覆蓋（除光刻、量測設備 外）。2、泛半導體領域全覆蓋：泛半導體技術的同源性導致了產品矩陣必須要擴充到LCD 、LED、第三代半導體等多重領域。
拓荊科技：PECVD+SACVD+ALD
拓荊科技成立于2010年，主營半導體薄膜沉積設備，PECVD、ALD、SACVD三個產品系列已廣泛應用于 國內晶圓廠14nm及以上制程集成電路制造產線，并已展開 10nm 及以下制程產品驗證測試；且公司是目 前國內唯一一家產業化應用PECVD、SACVD設備的廠商。
屹唐半導體：覆蓋刻蝕、去膠、熱處理設備
屹唐半導體自主研發并制造集成電路生產所需的設備，主要包含以下產品：干法去膠設備、 干法刻蝕設備、高選擇比刻蝕和原子層級表面處理設備、快速熱處理和毫秒級退火設備。
營收：2021年行業增速56%，2022年1-10進一步放量
2021年，主要國產半導體設備廠商合計銷售額約240億元，實現同比56%的高速增長。
其中，北方華創、中微公司、盛美上海等在原有成熟設備基礎上進一步放量；萬業企業旗下 凱世通實現離子注入機0-1突破；芯源微多款前道涂膠顯影設備在客戶端進展順利。
2022年，下游擴產及國產化持續帶動下，國產設備廠商將進一步實現1-10放量。
盈利：盈利能力顯著提升
業績方面來看，北方華創、中微公司、盛美上海、華峰測控、長川科技、芯源微的扣非后歸 母凈利潤增速均顯著高于收入增速，得益于規模化放量和產品結構優化，前道半導體設備公 司盈利能力有明顯提升。
報告節選：
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