2020年半导体设备行业报告：国产替代

2020 年 06 月 30 日 内容目录 一、中芯国际上市，加速设备国产替代进程.5 二、设备市场：大陆需求快速增长，国产替代提速.6 2.1 全球设备市场回暖，受益于制程进步、产能投放 .6 2.2 前道设备占主要部分，测试需求增速最快 .10 2.3 全球市场受海外厂商误导，前五大厂商市占率较高.12 2.4 国内需求爆发，国产替代进展加速 .14 三、光刻机：半导体制程工艺核心环节，将掩膜板图形缩小.16 四、涂胶显影：与光刻机配合，实现图形转移.19 五、刻蚀设备：等离子刻蚀复杂程度高，且步骤逐渐增加.23 六、薄膜设备：用于沉积物质，在设备市场占比较高.28 七、清洗设备：去除晶圆片表面杂质，各制程前后均需使用.30 八、掺杂设备：改变表层电导率/形成 PN 结，实现器件.30 九、氧化形成器件，快速退火修复晶格.32 十、过程控制：制造过程的准确性检测.33 十一：测试设备：用于测试晶圆片及成品 .36 十二、投资建议.38 十三、风险提示.38 图表目录 图表 1：募集资金用途（单位：万元） .5 图表 2：中芯国际重要的产业链地位.5 图表 3：中芯国际一站式的解决方案.5 图表 4：中国“芯”阵列 .6 图表 5：全球半导体设备销售额（十亿美元） .7 图表 6：全球半导体设备销售额（十亿美元） .7 图表 7：半导体设备市场增速周期性.7 图表 8：海外半导体设备龙头营业收入增速跟踪.8 图表 9：海外半导体设备龙头 GAAP 净利润（百万美元）.8 图表 10：晶圆代工企业资本开支（百万美元） .9 图表 11：全球半导体资本开资（百万美元）.9 图表 12：100K 产能对应投资额要求（亿美元）.10 图表 13：半导体制造领域典型资本开支分布.10 图表 14：全球半导体设备按工艺流程划分（百万美元） .11 图表 15：全球半导体前道设备划分（百万美元） .11 图表 16：全球半导体测试设备划分（百万美元） .12 图表 17：集成电路前道工艺对应设备.12 图表 18：AMAT、LAM、TEL 主导大部分前道工艺 .13 图表 19：全球半导体设备厂商排名（百万美元） .13 图表 20：五大设备厂商行业格局（百万美元） .13 图表 21：国内晶圆厂投资规模（亿元） .14 图表 22：国产设备替代进程 .15 P.2请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 23：全球晶圆厂资本开支（百万美元）.15 图表 24：国内晶圆厂内资投资需求（亿元）.16 图表 25：国内晶设备厂商空间测算（亿元）.16 图表 26：光刻机技术特点 .17 图表 27：光刻机技术路径 .17 图表 28：光刻机技术示意图 .17 图表 29：EUV 目标市场范围.18 图表 30：Foundry 和 DRAM 精度仍然会不断提升 .18 图表 31：两次技术分水岭奠定光刻机格局 .19 图表 32：光刻工艺流程.20 图表 33：半导体图案转移关键步骤 .20 图表 34：光刻胶原理 .21 图表 35：光刻胶市场规模 .21 图表 36：光刻胶生产企业 .21 图表 37：涂胶显影市场（百万美元）.22 图表 38：涂胶显影市场格局 .22 图表 39：去胶机市场（百万美元） .23 图表 40：刻蚀工艺分类.24 图表 41：刻蚀类别 .25 图表 42：刻蚀设备步骤增加 .25 图表 43：刻蚀市场主要驱动力将来自于存储.26 图表 44：多重成像技术.26 图表 45：刻蚀步骤逐渐增加 .27 图表 46：干法刻蚀市场（百万美元）.27 图表 47：刻蚀在晶圆设备市场比重提升 .27 图表 48：薄膜设备分类.28 图表 49：CVD、PVD 占晶圆设备比 .28 图表 50：典型 CVD 工艺流程.29 图表 51：2018 年沉积设备市场结构（百万美元）.29 图表 52：清洗原理 .30 图表 53：清洗环节 .30 图表 54：扩散与离子注入 .31 图表 55：掺杂形成不同器件 .31 图表 56：离子注入机市场空间（百万美元）.32 图表 57：离子注入市场份额 .32 图表 58：SiO2 的用途 .32 图表 59：RTA 修复晶格缺陷 .33 图表 60：氧化/扩散/热处理市场（百万美元） .33 图表 61：区分过程控制（检测、测量）和 ATE（测试） .34 图表 62：不同环节关键过程控制指标.34 图表 63：过程控制细分市场（百万美元） .35 图表 64：2018 年过程控制市场格局科磊 WFE 收入拆分 .35 图表 65：科磊产品系列.35 图表 66：上海精测产品布局 .35 图表 67：集成电路生产及测试具体流程图 .36 图表 68：集成电路测试设备主要功能.36 P.3请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 69：全球半导体 ATE 测试设备市场.37 图表 70： 泰瑞达和爱德万半导体设备业务收入（亿美元） .37 图表 71：2018 年中国集成电路测试设备的市场结构 .37 P.4请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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。 图表 1：募集资金用途（单位：万元） 序号 1 项目名称募集资金投资额 800,000.00 拟投入资金比例 40.00%12 英寸芯片 SN1 项目 先进及成熟工艺研发项目储备资金 补充流动资金 2400,000.0020.00% 3800,000.0040.00% 合计 2,000,000.00100.00% 资料来源：中芯国际招股说明书，国盛证券研究所 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。 图表 2：中芯国际重要的产业链地位图表 3：中芯国际一站式的解决方案 资料来源：公司官网、国盛证券研究所资料来源：公司官网、国盛证券研究所 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。 P.5请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 4：中国“芯”阵列 资料来源：国盛电子整理、国盛证券研究所 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。20202022 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 500600 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 500600亿，大陆占比 2025%。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%） 。 P.6请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 5：全球半导体设备销售额（十亿美元） 资料来源：wind，国盛证券研究所 图表 6：全球半导体设备销售额（十亿美元） 资料来源：wind，国盛证券研究所 半导体设备行业呈现明显的周期性，受下游厂商资本开支节奏变化较为明显。 图表 7：半导体设备市场增速周期性 资料来源：wind，国盛证券研究所 P.7请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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。 图表 8：海外半导体设备龙头营业收入增速跟踪 资料来源：彭博、公司官网，国盛证券研究所 图表 9：海外半导体设备龙头 GAAP 净利润（百万美元） 资料来源：彭博、公司官网，国盛证券研究所 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 150160 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。 P.8请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 10：晶圆代工企业资本开支（百万美元） 资料来源：彭博、公司官网，国盛证券研究所 “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； 53nm 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。 图表 11：全球半导体资本开资（百万美元） 资料来源：SEMI，国盛证券研究所 P.9请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 12：100K 产能对应投资额要求（亿美元） 资料来源：SEMI，国盛证券研究所 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 7080%，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%。 图表 13：半导体制造领域典型资本开支分布 资料来源：gartner、国盛证券研究所 P.10请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 14：全球半导体设备按工艺流程划分（百万美元） 资料来源：gartner、国盛证券研究所 测试需求增长更快。半导体设备 20132018 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%） 。 图表 15：全球半导体前道设备划分（百万美元） 资料来源：gartner、国盛证券研究所 P.11请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 16：全球半导体测试设备划分（百万美元） 资料来源：gartner、国盛证券研究所 图表 17：集成电路前道工艺对应设备 资料来源：芯源微、国盛证券研究所 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%。 P.12请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 18：AMAT、LAM、TEL 主导大部分前道工艺 资料来源：中微公司公告，国盛证券研究所 图表 19：全球半导体设备厂商排名（百万美元） 资料来源：彭博、公司公告、国盛证券研究所 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。 图表 20：五大设备厂商行业格局（百万美元） 资料来源：彭博、公司公告、国盛证券研究所 P.13请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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，20202022 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。 20202022 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。 图表 21：国内晶圆厂投资规模（亿元）（20202022 年为预测数据） 资料来源：集微网、公司公告、国盛证券研究所 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。 P.14请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 22：国产设备替代进程 资料来源：公司公告、国盛证券研究所 制程越高，设备投资额占比越高。设备投资一般占比 7080%，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。 图表 23：全球晶圆厂资本开支（百万美元） 资料来源：中微公司公告、国盛证券研究所 P.15请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 24：国内晶圆厂内资投资需求（亿元） 资料来源：公司公告、国盛证券研究所 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。 图表 25：国内晶设备厂商空间测算（亿元） 资料来源：公司公告、国盛证券研究所 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*(/NA)。CD 为关键尺寸，为了降低 CD，有三种方式：（1）降低波 长；（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。 请仔细阅读本报告末页声明 P.16 2020 年 06 月 30 日 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。 图表 26：光刻机技术特点 资料来源：维基百科、国盛证券研究所 图表 27：光刻机技术路径（2020 年后为预测情况） 资料来源：ASML、国盛证券研究所 图表 28：光刻机技术示意图 资料来源：维基百科、国盛证券研究所 P.17请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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 1.52 台 EUV。 预 估 TSMC N7 使用 7 层 ；N5 使用 14 层 。ASML 预估 EUV 层数 1020 层，目前工艺总层数多达 400600 层。 图表 29：EUV 目标市场范围（2020 年后为预测情况） 资料来源：ASML、国盛证券研究所 图表 30：Foundry 和 DRAM 精度仍然会不断提升（2020 年后为预测情况） 资料来源：ASML、国盛证券研究所 光刻机发展历史，两次技术分水岭奠定格局变化。20032004 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。 P.18请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 31：两次技术分水岭奠定光刻机格局 资料来源：集微网、国盛电子整理、国盛证券研究所 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。 P.19请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 32：光刻工艺流程 资料来源：百度文库、国盛证券研究所 图表 33：半导体图案转移关键步骤 资料来源：百度文库、国盛证券研究所 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。 P.20请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 34：光刻胶原理 资料来源：百度文库、国盛证券研究所 图表 35：光刻胶市场规模 资料来源：中国产业信息网、国盛证券研究所 图表 36：光刻胶生产企业 资料来源：中国产业信息网、国盛证券研究所 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 P.21请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 胶显影设备市场 8.96 亿美元，2023 年将达到 10.26 亿美元。 图表 37：涂胶显影市场（百万美元）（20202023 年为预测数据） 资料来源：gartner、国盛证券研究所 图表 38：涂胶显影市场格局 资料来源：gartner、国盛证券研究所 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 50300mm 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 P.22请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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。 图表 39：去胶机市场（百万美元）（20202023 年为预测数据） 资料来源：gartner、国盛证券研究所 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） P.23请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 40：刻蚀工艺分类 资料来源：维基百科、国盛证券研究所 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。 P.24请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 41：刻蚀类别 资料来源：维基百科、国盛证券研究所 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。 图表 42：刻蚀设备步骤增加 资料来源：中微公司公告、国盛证券研究所 P.25请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 43：刻蚀市场主要驱动力将来自于存储 资料来源：中微公司公告、国盛证券研究所 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。 图表 44：多重成像技术 资料来源：中微公司公告、国盛证券研究所 P.26请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 45：刻蚀步骤逐渐增加（步骤数量） 资料来源：digitimes、国盛证券研究所 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。 图表 46：干法刻蚀市场（百万美元）（20202023 年为预测数据） 资料来源：gartner、国盛证券研究所 图表 47：刻蚀在晶圆设备市场比重提升 资料来源：gartner、国盛证券研究所 P.27请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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。 图表 48：薄膜设备分类 资料来源：gartner、国盛证券研究所 图表 49：CVD、PVD 占晶圆设备比 资料来源：gartner、国盛证券研究所 P.28请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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。 图表 50：典型 CVD 工艺流程 资料来源：维基百科、国盛证券研究所 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。 图表 51：2018 年沉积设备市场结构（百万美元） 资料来源：gartner、国盛证券研究所 P.29请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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。 图表 52：清洗原理 资料来源：盛美公司公告、国盛证券研究所 图表 53：清洗环节 资料来源：盛美公司公告、国盛证券研究所 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 P.30请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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。 图表 54：扩散与离子注入 资料来源：维基百科、国盛证券研究所 图表 55：掺杂形成不同器件 资料来源：维基百科、国盛证券研究所 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。 P.31请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 56：离子注入机市场空间（百万美元）（20202023 年为预测数据） 资料来源：gartner、国盛证券研究所 图表 57：离子注入市场份额 资料来源：gartner、国盛证券研究所 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。 图表 58：SiO2 的用途 资料来源：百度文库、国盛证券研究所 P.32请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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（4001300）。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。 图表 59：RTA 修复晶格缺陷 资料来源：百度文库、国盛证券研究所 图表 60：氧化/扩散/热处理市场（百万美元） 资料来源：gartner、国盛证券研究所 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。 P.33请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 61：区分过程控制（检测、测量）和 ATE（测试） 资料来源：gartner、国盛电子整理、国盛证券研究所 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。 图表 62：不同环节关键过程控制指标 离子注入 扩散薄膜CMP蚀刻 光学显影 质量检验 薄膜厚度 金属介电层 1 2 3 4 5 6 7 8 9 片电阻 薄膜应力 折射率 掺质浓度 未图案化的表面缺陷 图案化的表面缺陷 临界尺寸 阶梯覆盖 10 重迭对准 11 电容电压 12 接触角度 资料来源：gartner、国盛证券研究所 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。 P.34请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 图表 63：过程控制细分市场（百万美元）（20202021 年为预测数据） 资料来源：gartner、国盛电子整理、国盛证券研究所 图表 64：2018 年过程控制市场格局科磊 WFE 收入拆分 资料来源：gartner、国盛电子整理、国盛证券研究所 图表 65：科磊产品系列 资料来源：公司官网、国盛证券研究所 图表 66：上海精测产品布局 资料来源：公司官网、国盛证券研究所 P.35请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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。 图表 67：集成电路生产及测试具体流程图 资料来源：华峰测控招股说明书、国盛证券研究所 图表 68：集成电路测试设备主要功能 测试机分选机探针台 芯片设计 晶圆制造 晶圆样品、封装样品测试 晶圆样品、封装样品测试 晶圆样品、封装样品测试 晶圆片测试-传送、标记 传送、标记、分选、收料 或编带 封装测试封装成品测试- 资料来源：华峰测控招股说明书、国盛证券研究所 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 P.36请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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。 图表 69：全球半导体 ATE 测试设备市场图表 70： 泰瑞达和爱德万半导体设备业务收入（亿美元） 资料来源：SEMI、VLSI、国盛证券研究所资料来源：wind、公司官网、SEMI、国盛证券研究所 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%。 图表 71：2018 年中国集成电路测试设备的市场结构 资料来源：SEMI、国盛证券研究所 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 P.37请仔细阅读本报告末页声明 2020 年 06 月 30 日 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 中芯国际回归 A 股，国产晶圆制造崛起。中芯国际在国内芯片产业链地位中占有举足轻 重的地位。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，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。 设备厂商国产替代明显加速。全球半导体设备市场约 500600 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。 国内晶圆厂投资金额快速增长。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。将根据统计，20202022 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。 20202022 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。 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%。 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。 设备国产化率较低，海外龙头垄断性较高。中芯国际上市，长存、长鑫投建需求放量， 共同带动国内市场快速增长。我国半导体设备市场仍非常依赖进口，国内厂商潜在收入 目标空间较大。 重点推荐：中微公司、北方华创、精测电子、长川科技、华峰测控、至纯科技、万业企 业；建议关注：盛美半导体。 十三、风险提示 1）国产替代进展不及预期：全球国产设备新技术难度较高，验证周期较长，具有一定的 不确定性 P.38请仔细阅读本报告末页声明