徐习瑶：半导体三大核心设备解析

  此前在重要会议开幕会上有关领导表示，科技政策要聚焦自立自强，要完善新型制，发挥好政府在关键核心技术攻关中的组织作用，突出企业科学技术创新主体地位。集成电路是我国战略性、基础性和先导性产业，作为先进制造业、数字化的经济的基石，多方代表对其发展提出了宝贵的建议，涉及产业链各环节。看好国内半导体企业从部分产品国产替代进入全产业链协同高质量自主化发展的新阶段。上一篇我们帮大家梳理了作为半导体基石之一的各个细分方向的关键材料，今天我们具体来看看半导体设备方面的逻辑。

  设备处于半导体产业链上游环节市场空间的最广阔，战略价值最重要的一环。从总的来看，中国大陆的半导体设备行业，同全球半导体设备行业一样，享受着本土晶圆厂扩产，地方规划重点扶持的政策福利。从国内市场而言，供应链结构合理化和地缘的需求，带来了国内设备市场国产替代的动能。因此，国产设备商享有晶圆厂扩产+国产化提速的双重增速。

  根据SEMI2022 年7 月中旬发布的报告预测，半导体制造设备全球总销售额预 计将在 2022 年再次突破记录达到 1175 亿美元，比 2021 的 1025 亿美元增长 14.7%， 并预计在 2023 年增至 1208 亿美元。全球半导体设备作为一个具有非常明显的周期性特点的行业，将实现罕见的连续四年的迅速增加。本轮的半导体设备周期在全世界内延续的时长超出预期。

  半导体设备分为前道设备和后道设备，其中前道设备占据了整个市场的80%-85%，这里面光刻机，刻蚀机和薄膜设备是价值量最大的三大环节，各自所占的市场规模均达到了前道设备总量的20%以上。因此， 全球半导体设备前十名厂商之中，有多家是平台型企业，横跨多个半导体工艺环节。

  光刻机也叫曝光系统，是制造芯片的核心装备之一。光刻机用来将掩模版上的电路图形通过曝光的方式转移到晶圆上，与相片的冲印有相似之处。光刻曝光的过程可以简单描述为在晶圆上方放置掩模版（Mask）, 使用光刻机对准掩模版，进行紫外线曝光。通过这样的方式将掩模版上的图形转移到晶圆，为后面的刻蚀步骤做准备

  光刻机成本极高，先进制程光刻机的单台价值量在亿欧元以上级别，是集成电路制造领域的核心设备。在7nm以下先进制程的芯片生产中，需要用波长13.5nm 的极紫外光刻机。而此外最先进的 DUV 光刻机，能够达到的最先进制程水平为 28nm。 浸没式 DUV 光刻机通过在水中折射的方式，将波长为 193nm 的光源折射成等效 132nm 波长，需要经过多次曝光，并要求有极高的对准精度。目前我国在光刻机层面的国产替代需求较大，国产替代率较低。我国目前中科院光电所研发出365nm 波长的近紫外光 DUV 光刻机设备。上海微电子已有生产前道90nm制程的光刻机，后道先进封装光刻机也已经实现出货。

  刻蚀是半导体制造工艺中的重要环节，和光刻环节类似，最大的作用也是转移掩模版上的图形到晶圆上。是光刻之后用化学或物理方法从晶圆表面去除部分材料的过程。刻蚀设备按照刻刻蚀方式能分为湿法刻蚀和干法刻蚀，但是湿法刻蚀由于刻蚀的精度较低，在制程不断微缩的情境下，逐渐法刻蚀取代，在部分制程要求不太精密的芯片上在使用湿法刻蚀。而按照蚀对象划分可大致分为介质刻蚀和导体刻蚀（导体刻蚀又可大致分为金属刻蚀和硅刻蚀）。这两类刻蚀对象分别对应了CCP和ICP刻蚀设备。CCP和ICP的市场规模近年来此消彼长。

  国产厂商在刻蚀设备领域较早的实现了突破。无论是中微公司，北方华创，嘉芯半导体等在国产线的出货量逐渐增大。中微公司的CCP刻蚀机，在 2020 年，已经做到了部分存储，逻辑产线的第三大供应商，在部分产线%以上的市占率。现阶段，刻蚀设备的整体国产化率达到了 20%，下游晶圆厂仍有持续替代的意愿和空间，预计刻蚀设备的终局国产化率可以达到 70%以上，28nm 以上制程工艺覆盖完备，几家重点公司进入国内存储+逻辑大厂产线开始加速放量。

  薄膜沉积技术用于制造微电子器件上的薄膜，主要是通过物理或化学方法，将适当化学反应源激活，并将由此形成的离子原子等吸附聚集在衬底表面，从而在衬底之上形成一层薄薄的膜，比如二氧化硅薄膜，多晶硅薄膜，金属薄膜等。这些薄膜辅助构成了制作集成电路的功能材料层。

  薄膜沉积设备目前是半导体前道设备中市场空间最大的细分赛道，而且随着芯片的结构越来越复杂，3D FLASH 堆叠层数的增加，价值量占比也正在同步提升。

  薄膜沉积设备大致可大致分为CVD 化学气相沉积设备，PVD 物理气相沉积设备和 外延设备三大类。CVD 占据了接近一半的市场占有率，CVD 中又可以细分为 APCVD， LPCVD, PECVD，ALD，SACVD，MOCVD 等。常压（AP）CVD 和低压（LP）CVD 的制程对 应在微米级别。等离子体 CVD（PECVD）和原子层沉积ALD是应用较为广泛的沉积设备，多用于 90nm 以下各种逻辑芯片，存储芯片的生产。

  在薄膜设备的国产化进程方面，拓荆科技在CVD 领域，北方华创在 PVD 领域都 已经有了一定的市场占有率。中微公司，盛美上海，万业企业等公司的产品也正在薄膜沉积领域布局，但薄膜设备整体的国产化率依然较低，2021 年在 10%左右，距薄 膜设备的终局国产化率远期仍有数倍的替代空间。随着长鑫二期，长存二期，中芯京城，中芯集成，晶合集成等几大晶圆厂的陆续招标扩产，前期验证导入完成之后， 薄膜沉积设备的放量速度会变快。

  我国正开启晶圆制造产能大规模扩张的周期，在国际环境不确定性增加、政策、资本、本土客户的支持下，我国国产半导体设备在本土客户验证和导入进度得到提速。产品已通过验证、正在或即将量产导入的本土公司有望在本轮国内晶圆制造产能扩张周期内实现业绩显著提升。

  【参考资料】华安证券胡杨2022年9月7日 《半导体设备需求强劲，国产设备加速推进》

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