2022年1月10整理發布：四大設備集成電路制造設備按類型

2022年1月10整理發布：一、四大設備，晶圓廠80%支出

集成電路制造設備按類型分為氧化/擴散爐、光刻機、刻蝕機、離子注入機、薄膜沉積設備、清洗設備與檢測設備等;按工藝分為成熟工藝設備和先進工藝設備兩種，成熟工藝設備包含 8 英寸、6 英寸等 90nm 以上技術節點，先進工藝設備以 12 英寸 90nm 以下技術節點為主。

▲集成電路產業鏈

▲集成電路制造流程及對應設備

晶圓廠 80%以上的投資用于購買集成電路設備、刻蝕設備、薄膜沉積設備(包含 CVD 設備與 PVD 設備)，光刻設備和清洗設備是四大主要設備，2019年四大主要設備投資規模占晶圓制造設備總投資的比例分別為 30%、25%、 23%、5%。清洗設備雖然投資占比較低，但清洗步驟數量約占所有芯片制造工序步驟的 30%以上，是晶圓制造中最重要的環節之一。

▲刻蝕，薄膜沉積，光刻與清洗設備是主要設備

1、需求：區域投資強勁和新型工藝驅動，需求逐年增加

在經歷 2019 年的短期下滑之后，在 5G、高性能運算的驅動下，全球半導體晶圓廠均開始加大資本開支。根據 SEMI 統計，2020 年全球半導體晶圓廠資本開支達 1069 億美元，同比增長 7.6%。預計 2024 年將達到 1276 億美元，2019-2024 年 CAGR 達 5.1%。上游設備廠商受益于晶圓廠擴產浪潮最為明顯。

▲全球半導體圓晶廠商資本開支

根據國際半導體產業協會(SEMI)統計，中國 2020 年集成電路設備銷售額達 187.2 億美元，同比增長 39%，首次成為全球最大的集成電路設備市場，2013-2020 年中國集成電路設備銷售額年均復合增長率達27.76%。

中國地區 2020 年集成電路設備銷售額排名第二，為 171.5 億美元，占全球集成電路設備市場銷售額的比例為 24.09%。中國地區在建晶圓廠數量也領先于其他地區，2021 年及 2022 年新建晶圓廠數量居全球首位，意味著國內對集成電路設備的需求進一步加大。

▲全球及半導體設備銷售額

▲2021 及 2022 新建圓晶廠數量

業界發展 3D 技術，采用多層堆棧技術將多顆集成電路立體封裝在一起，代替過去的一顆集成電路的功能，以實現更高的像素與更大的存儲容量。過去的圖像傳感集成電路將像素功能，內存功能與邏輯功能整合在一顆集成電路，難以在單位面積集成更多晶體管來提高像素。

如今業界采用三顆不同功能集成電路多層堆棧代替過去一顆集成電路，對集成電路設備需求出現了大幅增長。同時 3D NAND 存儲器也采用該結構以提升存儲容量。多層堆棧技術的大規模應用導致對設備的需求進一步加大。

14nm 及更先進制程的邏輯運算芯片為了追求更高速度與更低功耗，開始引入更為復雜的 FinFET(鰭式場效應晶體管)技術與 GAA(全包圍柵極晶體管)技術，復雜的晶體管結構導致了所有工藝步驟的增加，在刻蝕工藝方面尤為明顯，28nm 制程芯片需要 40 道刻蝕工藝步驟，5nm 制程芯片則需要高達160 道刻蝕工藝步驟，與之對應的則是對刻蝕設備需求的激增。

▲邏輯器件各制程刻蝕工藝步驟數

在近年來新能源汽車銷售量快速增長，預計到 2025 年全球新能源汽車滲透率超過 30%。隨著新能源汽車的電子化與智能化，車規芯片種類越來越多、性能越來越強。相比較消費電子注重性能功耗，車規級芯片更加強調可靠性、安全性和長效性。車規級芯片需要兼顧工藝成熟穩定與具有競爭力的價格優勢，8 英寸工藝設備成了當前汽車半導體的最佳選擇，適用于車規級芯片的成熟半導體設備需求愈發緊張。

▲2018-2025 年全球新能源汽車銷量和預測

2、供給：高度壟斷，成熟工藝和先進工藝均供不應求

目前全球集成電路設備市場集中度較高，以、荷蘭、為代表的前5 強企業壟斷了設備市場約 70%的份額。集成電路設備研發技術難度大、投入高、周期長，具備極高的門檻和壁壘，在全世界范圍內，行業集中度很高，行業頭部企業基本占據絕大部分市場份額。

近兩年因影響，歐美設備企業出現人力嚴重短缺，同時其上游零部件企業也因人力短缺而無法按時向設備企業交付關鍵零部件，導致部分設備因缺少部分零部件而無法完成組裝出貨。應用材料公司曾計劃于上海臨港建立集成電路設備工廠，因司法部阻撓而終止。

▲國際設備商設備交付周期

《瓦森納協定》全稱為《關于常規武器和兩用物品及技術出口控制的瓦森納安排》，目前共有包括、、英國、俄羅斯等 40 個成員國(注：沒有中國)。為了更好維護成員國的利益，協定一直對中國禁售最新的幾代設備。目前階段 EUV 光刻機等高端設備因《瓦森納協定》而對中國禁售。

集成電路設備的技術壁壘非常高且國內設備商起步較晚，在光刻、電鍍銅、特殊低介電系數薄膜等領域高端工藝領域與國際公司尚有較大差距，替代能力不足。

▲不同工藝設備國產化率

晶圓廠成本支出 80%為設備成本，國際設備供應商傾向于研發和生產用于更先進工藝的 12 英寸設備以獲取更高利潤，與此同時已于 20 年前陸續放棄應用于成熟制程的 8 英寸晶圓設備的生產， 目前市場上流通的 8 英寸設備絕大多數是二手翻新設備，因新能源汽車芯片等中低端芯片需求強烈而再無更多8 英寸設備進入市場，導致二手 8 英寸設備價格節節攀升，大部分設備近三年漲幅 100%以上。

國際設備供應商雖然意識到目前 8 英寸設備嚴重供不應求且利潤率較高，但 12 英寸晶圓因可以產出更多顆芯片，經濟性更佳，長期看 8 英寸設備被 12英寸設備取代的概率很高，所以依然沒有重啟 8 英寸設備生產的意愿。

與此同時，國內設備供應商如拓荊科技、中微公司等已掌握絕大部分成熟制程設備所需的技術，其產品已陸續被成熟制程晶圓廠如中芯天津、中芯紹興等大量采購。在國產替代方面，成熟制程的設備公司正在不斷擴大市場份額，率先取得突破。

二、國內設備商的崛起機會

全球半導體設備公司集中在五家頭部企業：的應用材料(AppliedMaterials，AMAT)、泛林半導體(Lam)與科磊(KLA)、荷蘭的阿斯麥(ASML)與東京電子(TEL)。各企業在細分領域分別處于龍頭地位。

▲各領域不同設備公司市場份額

各領域歐美及設備公司高度壟斷，國產設備不斷進步，在國內晶圓廠的市場份額越來越高。更有部分優質國產設備企業，開始積極拓展海外市場，目前已獲得國際領先晶圓廠的訂單。

▲半導體設備年國產化率

1、清洗設備展露頭角

全球半導體清洗設備主要由、等國外企業供應，合計占比超過80%。其中，廠商迪恩士處于絕對領先地位，市場份額超過50%。其次是東京電子、泛林等，市場份額30%-40%。其余的為韓國廠商 SEMES 和 Mujin。目前，中國能提供半導體清洗設備的企業較少，主要包括盛美上海、北方華創、芯源微及至純科技。

其中盛美為國內半導體清洗設備的行業龍頭企業，主要產品為集成電路領域的單片清洗設備，其中包括單片清洗設備、單片背面清洗設備、單片刷洗設備、槽式清洗設備和單片槽式組合清洗設備等，產品線較為豐富;北方華創可提供多種類型的單片清洗和槽式清洗設備，已廣泛應用于集成電路、半導體照明、先進封裝等領域;至純科技具備生產 8-12 英寸高階單片濕法清洗設備和槽式濕法清洗設備的相關技術;芯源微目前產品用于集成電路制造領域的單片式刷洗領域。

以盛美為例，研發出 SAPS、TEBO 等清洗技術，成功解決兆聲波清洗不均勻和易損傷兩大難題。相比傳統的兆聲波清洗方法，盛美首創的 SAPS 技術將兆聲波能量發生器和晶圓之間的間隙做周期性變化，達到了對晶圓表面兆聲波能量分布的精確控制，有效解決了兆聲波能量在晶圓表面分布不均勻的難題。同時 TEBO 清洗技術使得兆聲波清洗產生的氣泡不會爆炸，實現了硅片均勻和無損的兆聲波清洗重要突破。目前盛美已成為國產清洗設備領域頭部企業，且已通過韓國海力士驗收。

▲全球清洗設備行業廠商市占率

2、刻蝕設備，國產設備在成熟工藝取得突破

根據 Gartner 統計數據，2020 年全球干法刻蝕設備行業市場集中度較高，CR3 達到 90.24%，其中泛林半導體以 46.71%的市場份額排在第一位。中微公司、北方華創、屹唐股份市場份額分別為 1.37%、0.89%、0.1%，與泛林半導體、東京電子、應用材料的市場份額相比，差距較大。目前，中微公司、北方華創、屹唐股份等企業尚處于追趕階段，全球市場占有率較低。

▲全球干法刻蝕設備市場格局

▲長江存儲 2017-2021 年設備招標刻蝕設備各廠商中標項目數量

在邏輯集成電路制造環節，中微公司 12 英寸高端刻蝕設備已運用在國際知名客戶 65nm 到 5nm 等先進的芯片生產線上;同時已開發出小于 5nm 刻蝕設備用于若干關鍵步驟的加工，并已獲得行業領先客戶的批量訂單。在 3DNAND 芯片制造環節，中微公司 CCP 設備可應用于 64 層和 128 層等成熟工藝的量產，正在開發的新一代產品能涵蓋 128 層及以上關鍵刻蝕應用以及相對應的極高深寬比的刻蝕設備和工藝。

此外，ICP 設備進展順利，已經在多個邏輯芯片和存儲芯片廠商的生產線上量產，截止 2020 年底，中微公司的 ICP 設備 Primo Nanova 已有 55 個反應臺在客戶端運轉，經過客戶驗證的應用數量也在持續增加。中微公司也在持續探索 5nm 以下的邏輯芯片、1X nm 的DRAM 芯片和 128 層以上的 3D NAND 芯片等產品的 ICP 刻蝕需求，并進行高產出的 ICP 刻蝕設備的研發。

以 3D NAND 存儲器為例, 其立體結構最依賴于刻蝕機而不是光刻機來實現，由于中微的刻蝕設備可以實現國產替代，故放棄刻蝕設備對華出口的管控，長江存儲可以購買到最先進刻蝕設備，也是長江存儲技術持續進步并躋身 3D NAND 產品全球第一梯隊的根本保證。

3、薄膜沉積設備，國內公司在特殊工藝領域已迎頭趕上

薄膜沉積設備市場規模持續增長。根據 Maximize Market Research 數據統計，2020 年全球半導體薄膜沉積設備市場規模為 172 億美元，2017-2020年全球半導體薄膜沉積設備市場規模年復合增長率為 11.2%，MaximizeMarket Research 預計 2021 年全球半導體薄膜沉積設備市場規模將達到 187億美元。薄膜沉積設備主要負責各個步驟當中的介質層與金屬層的沉積，包括CVD(化學氣相沉積)設備，PVD(物理氣相沉積)設備和 ALD(原子層沉積)設備等。

全球 CVD 市場上，應用材料占據龍頭地位，市場份額 30%，其次是泛林半導體和東京電子，市場集中度較高。國內市場上，北方華創的LPCVD，以及沈陽拓荊的 PECVD，已通過主流晶圓代工廠驗證，開始進行小批量生產交付。目前全球 PVD 市場高度壟斷，應用材料占 85%的市場份額。國內企業北方華創實力領先， 2019 年北方華創 PVD 份額 3%，與國際領先公司差距較小。ALD 領域作為新興領域，國內公司與國外巨頭起步時間較為接近，國外公司技術壁壘并不高，國內公司在國內晶圓廠有一定滲透率。

拓荊科技主要產品包括等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)設備、原子層沉積(ALD)設備和次常壓化學氣相沉積(SACVD)設備三個產品系列，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。產品已適配國內最先進的 28/14nm 邏輯芯片、19/17nm DRAM 芯片和 64/128 層 3D NAND FLASH 晶圓制造產線。

▲長江存儲 2017-2021 年設備招標薄膜沉積設備各廠商中標項目數量合計

▲全球 CVD 設備市場規模

▲全球 PVD 設備市場規模

4、光刻設備技術壁壘較高，國內公司仍需不斷積累

光刻機由荷蘭 ASML、尼康與佳能三家巨頭壟斷，對于先進制程所需要的 EUV 高端光刻機，更是只有 ASML 一家公司能夠提供。國內光刻機公司上海微電子尚未取得突破。根據 ASML、佳能及尼康公司公告顯示，2020 年全球光刻機銷量 413 臺，同比增長 15%，中低端市場需求量不斷增長，主要受封裝而非制造的推動，因封裝相比制造，對光刻機分辨率要求低很多，較低的技術壁壘導致競爭者數量較多，尼康與佳能憑借價格優勢占據封裝市場主導地位。而光刻機行業市場銷售規模增量主要來自于高性能 EUV 光刻機，超高端和高端產品 EUV 與 ArF 光刻機銷售額占光刻機市場銷售額的 81%。

▲全球光刻機年度銷量，2021-2025 年預測

光刻機波長越短，分辨率越高，不斷降低波長也成了光刻機研發的首要目標。目前最成熟的、應用于深紫外曝光技術的準分子激光器主要有兩種，一種是采用氟化氪氣體的準分子激光器(KrF)，光源波長為 248nm;另一種是采用氟化氬氣體的準分子激光器(ArF)，光源波長為 193nm。而應用于高端制程的 ASML EUV 極紫外光刻機是波長為 13nm 的光輻射，技術壁壘非常高，其他業內公司短期內無法趕超。