半导体制造设备之争 | 除光刻机慢条斯礼，其余队列狂飙突进

导读：半导体设备是微电子制造的核心，关乎半导体产业链安全，是国家竞争力的最重要的战略价值之一。从2018年美帝国主义向中国发起贸易战，被卡脖子开始，中国半导体悍然觉醒，加紧了全球最全的设备布局。从整体来看，受本土晶圆厂扩产以及国家重点规划扶持的政策红利，中国大陆的半导体设备行业快速成长。国有率已从零/几迅速提升到今天20%左右，但与世界先进制程，仍存在不少差距。

WSTS预测，2022-2025年全球半导体总营收将达到5,801/5,566/6,018/6,377亿美元。SEMI预计2022年全球半导体设备市场规模有望进一步增长至1,085亿美元（其中前道设备948亿美元）。

在近几年国内晶圆厂快速扩张动能驱动下，据中金预测：预计2022年国内前道制造设备市场规模接近250亿美元高位。但考虑半导体周期进入下行阶段以及美国法案对先进工艺产线扩张的限制，该机构认为中国大陆前道设备需求仍有望保持在中高水平，预计2023、2024年国内前道设备需求在200亿美元附近。

资料来源：SEMI，中金公司研究

全球半导体设备生产厂商主要集中在欧洲、美国和日本，中国半导体设备整体国产化率为20%，仍有待提高。中国大陆作为全球最大的半导体市场，设备支出在全球的占比将达到28%。预估未来几年，国内的设备采购预计在200亿美元至300亿美元之间。主要支出厂商为中芯国际、华虹、长江存储、长鑫存储。

半导体制造设备可以分为前道设备和后道设备。其中，前道制造设备主要包括光刻机、涂胶显影设备、刻蚀机、去胶机、薄膜沉积设备、清洗机、CMP设备、离子注入机、热处理设备、量测设备；国内半导体设备公司已覆盖刻蚀机、薄膜沉积、清洗等大部分主要前道设备，部分公司已经量产28nm制程设备，并发力14nm制程设备，极个别企业往5nm钻。

长期以来，全球半导体设备市场目前主要由国外厂商主导，美国、日本、欧洲、韩国企业拥有经济、科技与产业的先发优势，市占率依然维持在80%左右，数据显示2021年全球前十大半导体设备厂商均为境外企业，市占率合计达83.2%，其中前五大设备厂商市占率合计达73.4%。预计2022年前五大设备厂商地位仍不可撼动，将为行业奉献75%的营收，前十大厂商依旧维持高位垄断。除光刻机以外，PVD、Track、CMP、离子注入、电镀还处于寡头垄断均高于60%的局面。

年幼的中国大陆设备厂家后知后觉，被迎头痛击之后才发现脑壳也可以留血，但好歹有国家做后盾，可以再爬起来大干一场。在02专项的支持下，设备领域的国产替代从零开始突破，后起之秀不断涌现，在半导体产业链上的布局最全。尤其在2018年被迫打响贸易战到现在，我们的核心装备企业，沉心磨砺，攻坚克难，国有率已从零/几迅速提升到今天20%左右。综合各机构调研，目前从国产厂商份额角度看，大致分为十个梯队：

第一梯队是去胶设备，国产化率超过80%；
第二梯队是热处理设备，国产化率30%-40%；
第三梯队是清洗设备与CMP设备，国产化率20%-30%；
第五梯队是刻蚀设备、离子注入设备，国产化率在10-20%左右的水平；
第六梯队是PVD设备，国产化率10%-15%；
第八梯队是CVD\ALD设备与量测设备产化率为5%-10%；
第九梯队是涂胶显影设备国产化率为1%-5%；
第十梯队前道高端光刻机国产化≥0。

北方华创、中微公司、盛美、屹唐、华海清科、拓荆科技、万业企业等等一众前道制造设备企业，从一出生就面临世界最强大的竞争对手，然而我们不信天由命，不甘自堕落，统一阵线，突破封锁，在关键核心技术装备成功打入国际晶圆大厂，赢得客户认可。

随着中国半导体设备制造商持续扩充产能、加大研发以及拓宽品类，中国半导体设备行业有望充分受益。我们也要深刻认识到，在与国际巨头通常竞争中，我们仍是新兵蛋子，仍需要烈火的洗礼。在产业链安全面前，中国本土的半导体设备厂商的市占率有待提高，国产替代空间仍较大。只有拥有革命性、颠覆性技术的公司才能引领中国半导体以真猛士姿态在枪林弹雨中行进。未来十年，中国必将成为全球半导体芯片制造的中心，也一定会诞生数家在全球有影响力的寡头企业。

光刻机

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光刻环节是晶圆制造中最核心工艺，占晶圆制造耗时40%-50%，占芯片成本30%。作为光刻工艺的核心设备，光刻机结构复杂、成本极高，占晶圆制造设备投资23%。

谁能够生产出更先进的芯片，谁就能够获得更多的订单、更高昂的利润。目前最先进的生产工艺当中，没有任何一家芯片生产厂可以绕开它。在光刻机领域内，全球仅有ASML、日本的佳能、尼康、上海微电子四家企业可以独立研发制造，其中，ASML是光刻机制造技术最先的厂商，垄断了几乎所有的中高端市场。

ASML是目前世界上唯一使用极紫外光的光刻机制造商。ASML的EUV光刻机的10万多个零件，涉及到来自超过40多个国家的5000多家供应商。在EUV的制造产线上，ASML技术占比仅有10%左右。在EUV的多项核心技术专利方面，ASML并没有绝对的话语权。在美国的干预之下，自EUV光刻机始终进入不了大陆市场。

图源：ASML官网

光刻机与芯片制程的工艺是相对应的。UV（i-line）光刻机用于0.35um工艺。DUV光刻机用于7-180nm。EUV光刻机用于7nm及以下。EUV 代表“极端紫外线”。它指的是光的波长。芯片生产中使用的深紫外（DUV）光的波长为248和193nm，而EUV光刻中使用的光的波长为13.5nm。

为了服务三星、台积电、英特尔未来2纳米及以下进程， ASML正在将极紫外光的力量驾驭到极致，当前，ASML全力研制下一代的EUV系统——拥有更大数值孔径(0.55)的high-NA EUV设备，允许更紧密的电路图案（2nm及以下）和更高的生产效率，在分辨率和套刻精度上的性能表现将比目前的EUV系统高70%，据外媒报道，高NA EUV光刻机系统的单台造价将在300亿到350亿欧元之间，约合人民币2195到2561亿元。

一台EUV光刻机的核心组件有双工作台、光源系统、曝光系统、浸没系统、物镜系统、光栅系统，以及诸多配套设施的协同。受《瓦森纳协议》等国外技术管制影响，国产高端光刻机无法像ASML通过全球并购合作实现，只能走独立攻关的道路。芯片制程是反映芯片先进程度最直接的指标，国产商用28nm VS 巨头量产3nm，我们的中国芯到底是落后了一轮甲子年。

上海微电子前道系列光刻机，代表了目前产业化最高水平。图源：上海微电子官网

在02专项的十三五规划中，突破28nm浸没式光刻机及核心组件被列入战略目标，我们以举国之力攻关，光刻产业链顶尖企业相互配合。上海微电子装备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，启尔机电提供浸没系统。虽然关键组件取得重大突破，然而已过验证期限两年，我们至今没有收到28纳米光刻整机验收的胜利消息。

目前，上海微电子是国内光刻机制造技术最先进的厂商。目前封装光刻机已研发成功，并量产，已经占国内市场80%以上的份额，2021年推出的2.5D\3D先进封装光刻机已获得大量全球订单，2022年和2023年的生产交付任务很重。ArF 90nm前道光刻机也已量产交付。数据显示，其研发制造的光刻机拿下了国内80%的市场，并占领了全球四成的封装光刻机市场。而在高端光刻机方面，上海微电子正全力推进，相信不负众望。

涂胶显影设备

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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，主要通过机械手使晶圆在各系统之间传输和处理，从而完成晶圆的光刻胶涂覆、固化、显影、坚膜等工艺过程。包括涂胶机、喷胶机和显影机。根据主流光刻技术发展路线可分为I-line、KrF、ArF、ArFi、EUV等光刻胶的涂胶显影工艺。

根据VLSI数据，2021年约为23.24亿美元，预计到2023年将上升至24.76亿美元。光刻工序涂胶显影设备95%上市场被日本TEL、日本DNS、德国SUSS、中国台湾ELS、韩国CND等瓜分。

在国内涂胶显影设备市场，海外品牌占据市场垄断地位，日本东电电子公司TEL占据90.0％的份额。我国涂胶显影设备企业数量微小，芯源微主导涂胶显影Track设备的国产化，盛美上海、众鸿电子紧随其后并有新品上市。

随着本土企业自主研发能力不断提升，下游行业快速发展，我国涂胶显影设备国产化进程将进一步加快。

刻蚀机

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刻蚀，是与光刻紧密相连的步骤。刻蚀一般用光刻胶的图形作为掩膜，在衬底上一种有选择的去除除未被掩蔽的薄膜层，完成图案从光刻胶到晶圆上的转移。刻蚀设备也是掌握半导体市场命脉的关键点。

刻蚀机是芯片制造过程中的核心设备之一，在刻蚀机中，闪电、极光也都是等离子体会轰击在晶圆表面，将原子直接打出，或发生化学反应与晶圆上的材料形成新的化合物挥发，实现刻蚀。刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀，后者占据绝对主流。按照刻蚀材料划分，刻蚀工艺包括介质刻蚀和导体刻蚀，导体刻蚀又分为硅刻蚀和金属刻蚀。

目前等离子刻蚀是晶圆制造中使用的主要刻蚀方法，电容性等离子刻蚀（CCP）和电感性等离子刻蚀（ICP）是两种常用的等离子刻蚀方法。CCP、ICP是先进干法刻蚀设备的主流技术路径，是应用最为广泛的刻蚀设备，随着芯片的加工制造变得越来越精细，出现了原子层刻蚀（ALE）能够精确控制刻蚀深度，成为未来技术升级趋势。原子层刻蚀（ALE）可以分为等离子体ALE和高温ALE。

图源：LAM

工艺制程不断迭代，刻蚀布骤不断增加。20纳米工艺需要的刻蚀步骤约为50次，而10纳米工艺和7纳米工艺所需刻蚀步骤则超过100次。刻蚀的价值量处在不断提升的过程中，市场需求量也在提升。

同光刻机一样，全球刻蚀设备市场行业集中度很高，由美日厂商主导。根据Gartner数据显示，泛林半导体（Lam Research）、东京电子（TEL）、应用材料（AMAT）三家占到了全球刻蚀设备90%以上的市场份额。据 SEMI预测，2022年全球刻蚀设备规模将达到250.8亿美元，国内刻蚀设备市场规模将达到 75.24 亿美元。另据Gartner预测，2022年全球刻蚀机的市场规模将达到184亿美元。

据中国采招网统计，目前国内的蚀设备市场国产化率约25%，主要由中微、北方华创和屹唐股份占大头。中电科、创世威纳、芯源微企业也生产刻蚀设备。刻蚀机尤其是介质刻蚀机，是我国最具优势的半导体设备领域，也是国产替代占比最高的重要半导体设备之一。目前中国最先进的刻蚀工艺是中微公司5nm节点刻蚀机，在台积电美国工厂批量应用。

政策的推动和研发的进步下，各企业所生产的产品在主要客户的市场占有率稳步提升，刻蚀设备国产替代仍有提升空间。

去胶设备

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去胶设备主要用于曝光后将光刻胶从晶圆上移除，以此来保证晶圆顺利进入下一步制造步骤。有图形化薄膜清除完整性、对标底层材料的选择比、相应的底层材料表面保护、晶圆颗粒污染控制等严格技术指标。干法去胶为当前主流技术，干法去胶设备应用也不断扩大，覆盖表面清洁、精细表面处理等。

国际上主流的去胶设备生产商主要集中在中国、韩国、日本和美国。屹唐股份全球市占率为30%以上。国外厂商有比思科、日立高新、泛林半导体、泰仕半导体。

薄膜沉积设备

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在刻蚀之后的一个环节，就是薄膜沉积。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、电学等方面的特殊性能。薄膜沉积的质量直接影响着芯片或器件的性能。

薄膜沉积设备作为晶圆制造的核心设备之一，薄膜沉积设备的设计制造涉及化学、物理、工程等多门学科的跨界综合运用。根据工作原理不同，薄膜沉积设备分为物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和外延等，28nm及以下工艺的产线还需要用到更先进的原子层沉积（ALD）设备。按设备形态的不同可分为批量式（管式）和空间型（板式）两种技术路线。

Olympia ALD 系统图源：Applied Materials

目前，全球薄膜沉积市场被应用材料（AMAT）、泛林半导体（Lam）、东京电子（TEL）、先晶半导体（ASMI）等国际巨头占据，据SEMI测算2021年全球半导体薄膜沉积设备市场空间超200亿美元，2022年有望达250亿美元，2021年大陆薄膜沉积设备销售额约为54亿美元，2025年将增长至95亿美元。

半导体行业的薄膜沉积设备中，PVD设备与 CVD设备均已初步实现国产化，但薄膜沉积设备国产化率估计仅5-10%。ALD设备作为先进制程所必需的工艺设备，在国内尚未大规模应用。基于当前供应链安全考虑，国内设备制造商将有更大的表现机会。

清洗设备

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清洗是贯穿晶圆制造的重要工艺环节。在集成电路生产中，由于晶圆片表面沾污问题，导致50%以上的材料被损耗掉和80%的芯片电学失效，引入多样组合清洗方式，极大提升了硅晶圆表面清洁度，清洗是制程中将一个重复进行的清洗过程，大概占据总工序的30％。

半导体晶圆清洗工艺细分为RCA清洗法、稀释化学法、IMEC清洗法、超声波清洗法、气相清洗法、等离子清洗法等，可归纳为湿法和干法两种。湿法清洗是目前主流技术路线，占芯片制造清洗步骤数量的90%以上。

随着线宽微缩，晶圆制造的良率随着线宽缩小而下降，而提高良率的方式之一就是增加湿法工艺。湿法工艺大约100多个步骤，而到了20nm及以下节点时，湿法工艺上升到250多个步骤以上。

湿法清洗按数量批次分为批量清洗与单硅片清洗。在90-65nm工艺中，为节约成本、提高效率，通常以槽式设备清洗为主；而在更低线宽nm级工艺中，对杂质的容忍度较低，工艺越先进，单片清洗技术的占比往往越高。因此先进制程中，单片清洗逐渐取代槽式批量清洗，并且占据最高的市场份额。

图源：东方金荣

在双碳目标下，半导体清洗技术转向环保清洗正成为一种趋势。这类清洗方案清洗：激光去除雾气残留；干冰去除颗粒杂质和有机物残留；等离子去除有机、金属残留物，天然氧化物；蒸汽清洗，通过蒸发清洗剂产生的蒸汽分离污染物。极紫外光或臭氧清洁来剥离晶圆污染物。

根据Gatner数据，2021年全球半导体清洗设备市场规模达到39.18亿美金，预计至2022年增长至43.24亿美金。2021年我国半导体清洗设备市场规模为15亿美金，占全球规模的39.28%。预计2022年我国半导体清洗设备行业市场规模有望达到150亿元。

在全球清洗设备市场市场集中度较高，日本DNS公司占据40%以上的市场份额；东京电子20%-26%；韩SEMES16%，LAM占12%，盛美4%。国内的清洗设备领域主要有盛美半导体、北方华创、芯源微、至纯科技。

相比于其他半导体设备领域，清洗设备为国产化率提升最快的领域。根据国际招标网数据统计，2017年至2022年间，我国清洗设备国产化率已经达到了34.41%。清洗设备的技术难度越来越大，其市场空间逐年扩大。国产设备凭借在兆声波和单硅片清洗技术的突破，中标数量逐年递增。

CMP设备

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化学机械平坦化，（Chemical mechanical polishing，简称CMP），也称化学机械抛光/研磨，是一种高度精确的抛光工艺。通过纳米级粒子的物理研磨作用与抛光液的化学腐蚀作用的有机结合，以获得优异的平面度。

CMP设备包括抛光、清洗、传送三大模块，在工作中关键难点在于精密的机械控制，核心挑战是平整度、均匀性和进程自动检测控制。是集成电路制造设备中较为复杂和研制难度较大的专用设备之一。

图源：EBARA

随着摩尔定律的延续，当制造工艺不断向先进制程节点发展时对CMP技术的要求相应提高、步骤也会不断增加，例如制程节点发展至7nm以下时，芯片制造所需的抛光步骤将增加至30余步，大幅刺激了集成电路制造商对CMP设备的采购和升级需求。下游需求旺盛，中国大陆晶圆厂积极扩产，设备与耗材市场同步增长。国内市场规模，2020为4.2亿美元，2021年为4.9亿美元，2022年将增长至5.3亿美元。

长期以来，全球 CMP 设备市场由应用材料和日本荏原机械两家龙头企业垄断90%以上。近几年来，国内CMP设备团队如中电45 、烁科精微、华海清科、杭州众硅，已经形成国产替代体系。

离子注入设备

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离子注入是晶圆制造掺杂核心工艺，技术壁垒仅次于光刻、刻蚀、薄膜沉积。

离子注入机，作为集成电路前道核心设备之一，是一种高压小型加速器，主要是由离子源、离子引出和质量分析器、加速管、扫描系统、工艺腔等几个成分组成，主要被应用在半导体、光伏领域。据离子束电流和束流能量范围，离子注入机可分为三大类：大束流离子注入机、中低束流离子注入机、高能离子注入机。根据 Gartner 市场数据显示，大束流离子注入机占比61%，中低束流离子注入机占比 20%、高能离子注入机分别占比18%。从价值量占比来看，离子注入机在晶圆制造工艺设备的市场规模中占 3%左右。目前本土晶圆厂一般会将7%~10%的设备开支用于离子注入机。

图源：Axcelis

半导体离子注入机市场主要由美国企业主导，AMA、Axcelis和SMIT三家垄断，份额占比90%以上。国产离子注入机的发展处于起步阶段，前道国产化率最低的环节之一。离子注入机国产化依赖于万业企业（凯世通）和中科信，为国内12英寸主流芯片制造厂批量供应半导体离子注入机，应用在28nm成熟制程产线。

受全球半导体以及光伏产业发展影响带动，离子注入机市场需求持续攀升。受益于晶圆厂逆周期大规模扩产，中国大陆离子注入机需求快速放量。据东吴证券中性预估，2022-2026年中国大陆新增12英寸晶圆产能扩产对离子注入设备的需求将达到520亿元。

热处理设备

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在半导体工艺中，热处理是不可或缺的重要工艺之一。热处理过程是指将晶圆放置在充满特定气体的环境中对其施加热能的过程，包括氧化/扩散/退火等按照设备形态划分，

热处理设备可以分为立式炉、卧式炉以及快速热处理炉。长期以来，全球热处理设备整体市场主要以美日企业为主，应用材料、东京电子、日立国际电气形成垄断格局。近年来，国内企业后发制人，屹唐和北方华创产品互补、蓄力创新，已具备相当强的国际竞争力，在细分市场领域显著增长。

过程检测设备

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检测设备，主要用于检测产品在生产过程中和产成后的各类性能是否达到设计要求。检测设备范围较广，相对应的机台也较多客户需求多样化，因此检测设备往往存在非标定制化的特点。

检测设备，主要涉及工艺检测、晶圆检测、终测，国内公司目前主要涉足于晶圆检测和终测环节，其价值量整体半导体制造设备投资的9%左右。据SEMI统计，前道测试设备又可以分为量测设备、缺陷检测设备、过程控制软件三部分。其中，量测设备占前道检测设备的34%，缺陷检测设备占55%。

晶圆制造检测环节：图源：KLA

前道检测设备注重过程工艺监控，几乎运用在每一道制造工序中。其主要用于晶圆加工环节，是一种物理性、功能性的测试，用以检测每一步工艺后产品的加工参数是否达到设计的要求，并查看晶圆表面上是否存在影响良率的缺陷等，确保将加工产线的良率控制在规定的水平之上。

目前全球半导体检测设备行业呈现美日企业垄断格局。科磊半导体、应用材料、日立、雷泰光电、创新科技占比超过80%以上。

随着制程精进，其测试更复杂，测试时间拉长，检测设备对良率提升的贡献与日俱增，市场增长迅猛，根据 VLSI Research的统计，2021年年全球半导体检测与量测设备市场规模为84.4亿美元，2022预测值为92美元。另据SEMI，测试设备占半导体设备的8%左右，2021年全球测试设备市场规模约为72亿美元，预计2022年将增长12.1%至88亿美元。

检测设备相对于中前道的光刻、刻蚀设备来说，制造技术难度相对低，可以实现进口替代，国内企业在前道测量检测环节不断有新产品突破，且国产替代空间巨大。