（报告出品方/作者：德邦证券，冯俊）

核心观点

全球半导体设备支出进入上升周期。5G、物联网、大数据、人工智能以及汽车电子等新技术和新产品的应用，将带来庞大的半导体市场需求，行业将进入新一轮的上升周期。半导体设备位于产业链的上游，其市场规模随着下游半导体的技术发展和市场需求而波动。根据SEMI预测，年全球半导体设备市场规模达创纪录的亿美元，同比增长16%，年将达亿美元，同比增长4.4%，年仍旧保持增长态势，市场将达亿美元，同比增长5.8%。

半导体产业向中国转移，中国成为最大半导体设备市场。中国凭借低劳动力成本的优势，不断引进半导体产业先进技术，加大半导体产业人才培养，逐步承接了半导体低端封测和晶圆制造业务。随着全球电子化进程的开展，下游产业快速发展，不断推动中国半导体产业持续兴旺。中国大陆半导体设备市场规模在全球的占比逐年提升，SEMI预计年中国大陆半导体设备市场规模将达亿美元，同比增长34.6%，成为全球最大的半导体设备市场。在年晶圆厂密集的资本支出之后，SEMI预计中国大陆年半导体设备市场将小幅回落，市场规模为亿美元，同比下降7%。

半导体设备市场为海外厂商垄断，国产设备企业奋起直追。年国产半导体设备销售额为.82亿元，中国大陆年半导体设备市场规模.5亿美元，国产化率约17%，具备较大国产替代空间。在当前美国持续加强技术和设备封锁的情况下，半导体设备国产替代步伐正在加快。国产设备企业在政策和资金大力支持下，在刻蚀、薄膜沉积、测试等多个领域不断取得突破。

国产刻蚀设备、薄膜沉积设备和测试设备有望成为半导体设备国产化先锋。中微公司和北方华创分别在CCP和ICP刻蚀设备领域取得突破，部分产品已进入先进制程生产线验证；北方华创在PVD领域实现了国产高端薄膜制备设备零的突破，设备覆盖了90-14nm多个制程，沈阳拓荆CVD设备成功进入长江存储生产线。华峰测控模拟测试机国内市占率已达60%，后续SOC项目推进可能为公司带来新的增长空间。

1.半导体产业链解析

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体产品按照功能区分可以分为集成电路、光电子器件、分立器件和传感器等四大类。其中集成电路是半导体产业的核心，根据WSTS数据，年集成电路市场规模占到了半导体市场的82%。

半导体产业链可按照主要生产过程进行划分，整体可分为上游中游下游。以半导体中占比最高的集成电路产业为例，上游包括半导体材料、生产设备、EDA、IP核。EDA，即电子设计自动化（ElectronicsDesignAutomation），主要包括设计工具和设计软件。IP核（IntellectualPropertyCore）提供已经完成逻辑设计或物理设计的芯片功能模块，通过授权允许客户将其集成在IC设计中。中游包括设计、制造、封测三大环节。下游主要为半导体应用，主要包括3C电子、医疗、通信、物联网、信息安全、汽车、新能源、工业等。

1.1.半导体产业运作的两种模式：IDM和垂直分工模式

半导体产业运作主要有两种模式，即IDM模式和垂直分工模式。如前文所述，半导体整个制造过程主要包括芯片设计、晶圆制造和封装测试三大环节。所谓IDM（IntegratedDeviceManufacture）模式，即由一个厂商独立完成芯片设计、制造和封装三大环节，英特尔和三星是全球最具代表性的IDM企业。另一种模式为垂直分工模式，即Fabless（无晶圆制造的设计公司）+Foundry（晶圆代工厂）+OSAT（封装测试企业），Fabless是指专注于芯片设计业务，只负责芯片的电路设计与销售，将生产、测试、封装等环节外包的设计企业，代表企业有高通、英伟达、AMD等；Foundry即晶圆代工厂，指只负责制造、封测的一个或多个环节，不负责芯片设计，可以同时为多家设计公司提供服务的企业，代表企业有台积电、中芯国际等。OSAT指专门从事半导体封装和测试的企业。

在台积电成立以前，半导体行业只有IDM一种模式。IDM模式的优势在于资源的内部整合优势，以及具有较高的利润率。IDM模式贯穿整个半导体生产流程，不存在工艺流程对接问题，新产品从开发到面市的时间较短，且因为覆盖前端的IC设计和末端的品牌营销环节，具有较高的利润率水平。但其公司规模庞大、管理成本和运营费用较高，同时半导体生产需要庞大的资本支出，使得行业内只有极大的几家IDM企业能够生存。

半导体制造业具有明显的规模经济效应，扩大规模可以显著降低单位产品的成本，提高企业竞争力，降低产品价格，垂直分工模式应运而生。一方面，垂直分工模式使得Fabless投资规模较小，运行费用较低，因此涌现出了大量的优质的芯片设计企业。另一方面，Foundry能够最大化的利用产能，提高资本支出的收益率。但垂直分工模式可能会因芯片设计和生产无法顺利协同，导致芯片从设计到面市的时间过长，给芯片设计厂商造成损失。

1.2.硅片制造

半导体设备主要应用在半导体产业链中的晶圆制造和封装测试环节。硅片制造是半导体制造的第一大环节，硅片制造主要通过硅料提纯、拉晶、整型、切片、研磨、刻蚀、抛光、清洗等工艺将硅料制造成硅片，然后提供给晶圆加工厂。

半导体工业中有两种常用方法生产单晶硅，即直拉单晶制造法（CZ法）和悬浮区熔法（FZ法）。CZ法是硅片制造常用的方法，它较FZ法有较多优点，例如只有CZ法能够做出直径大于mm的晶圆，并且它的价格较为便宜。CZ法的原理是将多晶硅硅料置于坩埚中，使用射频或电阻加热线圈加热熔化，待温度超过硅的熔点温度后，将籽晶浸入、熔接、引晶、放肩、转肩等径等步骤，完成一根单晶硅棒的拉制。

单晶生长炉是生产单晶硅的主要半导体设备。目前全球的单晶生长炉主要由美国Kayex、德国PVATePla、日本Ferrotec等企业供应，国内的单晶生长炉企业主要包括晶盛机电、南京晶能、连城数控等。

单晶硅棒完成后，还需要经过一系列加工才能得到硅片成品，主要涉及的半导体设备有切片机、研磨机、湿法刻蚀机、清洗机、抛光机和量测机。目前上述硅片加工设备主要由日本、德国和美国厂商提供，国内仅有晶盛机电等少数厂家推出了部分硅片加工设备，市场占有率较低。

1.3.晶圆制造

晶圆制造是半导体制造过程中最重要也是最复杂的环节，整个晶圆制造过程包括数百道工艺流程，涉及数十种半导体设备。晶圆制造主要的工艺流程包括热处理、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨和清洗。

1.3.1.热处理工艺

热处理主要包括氧化、扩散和退火工艺。氧化是一种添加工艺，是将硅片放入高温炉中，加入氧气与之反应，在晶圆表面形成二氧化硅。扩散是通过分子热运动使物质由高浓度区移向低浓度区，利用扩散工艺可以在硅衬底中掺杂特定的掺杂物，从而改变半导体的导电率，但与离子注入相比扩散掺杂不能独立控制掺杂物浓度和结深，因此现在应用越来越少。退火是一种加热过程，通过加热使晶圆产生特定的物理和化学变化，并在晶圆表面增加或移除少量物质。

热处理工艺使用的半导体设备为氧化扩散设备，其实质为高温炉。高温炉分为直立式和水平式高温炉，高温炉主要包括五个基本组件：控制系统、工艺炉管、气体输送系统、气体排放系统和装载系统。高温炉必须具有稳定性、均匀性、精确的温度控制、低微粒污染、高生产率和可靠性。

氧化扩散设备主要由东京电子、科意半导体和应用材料供应，国内的氧化扩散设备生产商主要包括北方华创和屹唐半导体。从长江存储的招标情况来看，氧化扩散设备还是以国外厂商设备为主，国内厂商北方华创市占率逐年上升，截至今年10月，从设备数量来看，北方华创热处理设备在长江存储的占比已经超过了30%，屹唐半导体占比1%。

1.3.2.光刻工艺

光刻是将设计好的电路图从光刻版或倍缩光刻版转印到晶圆表面的光刻胶上，便于后续通过刻蚀和离子注入等工艺实现设计电路，是晶圆制造中最重要的技术。光刻工艺包括三个核心流程：涂胶、对准和曝光以及光刻胶显影。整个光刻过程需要经过八道工序：晶圆清洗、表面预处理、光刻胶自旋涂敷、软烘烤、对准、曝光、曝光后烘烤、显影、坚膜烘烤和图形检测。

光刻工艺流程中最核心的半导体设备是光刻机，光刻机是半导体设备中技术壁垒最高的设备，其研发难度大，价值量占晶圆制造设备中的30%。目前全球的高端光刻机由荷兰ASML公司垄断，ASML是全球最大的光刻机生产商，是全球唯一能够生产EUV光刻机的厂商，EUV光刻机是先进制程工艺中的核心设备。中低端光刻机除ASML外，还有日本的Canon和Nikon可以供应。

目前国内具备光刻机生产能力的企业主要是上海微电子装备有限公司。上海微电子装备(集团)股份有限公司(简称SMEE)主要致力于半导体装备、泛半导体装备、高端智能装备的开发、设计、制造、销售及技术服务。公司设备广泛应用于集成电路前道、先进封装、FPD面板、MEMS、LED、PowerDevices等制造领域。

在集成电路领域，上海微电子产品主要包括光刻机和晶圆对准及缺陷检测设备。公司的光刻机产品有SSX和SSB两个系列，其中SSX系列主要应用于IC前道光刻工艺，可满足IC前道制造90nm、nm、nm关键层和非关键层的光刻工艺需求；SSB系列光刻机主要应用于IC后道先进封装工艺。

除上海微电子生产光刻机整机以外，国内还有华卓精科和国科精密从事光刻机零部件的研发和生产。华卓精科以光刻机双工件台这一超精密机械领域的尖端产品为核心，并以该产品的超精密测控技术为基础，开发了晶圆级键合设备、激光退火设备等整机产品。国科精密致力于极大规模集成电路光刻投影光学、显微光学、多光谱融合成像探测、超精密光机制造与检测等领域的高技术研究，同时开展相应各类高端光学仪器与装备产品的研发工作，年公司研发的我国首套用于高端IC制造的NA0.75投影光刻机物镜系统顺利交付用户。

光刻工序所使用的半导体设备除了核心设备光刻机外，还需要涂胶显影设备。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，

包括涂胶机、喷胶机和显影机，在8英寸及以上晶圆的大型生产线上，此类设备一般都与光刻设备联机作业，组成配套的圆片处理与光刻生产线，与光刻机配合完成精细的光刻工艺流程。全球的涂胶显影设备基本上被TEL垄断，国内涂胶显影设备厂有沈阳芯源微和盛美股份。

1.3.3.刻蚀工艺

刻蚀是通过移除晶圆表面材料，在晶圆上根据光刻图案进行微观雕刻，将图形转移到晶圆表面的工艺。刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀，湿法刻蚀是利用化学溶液溶解晶圆表面的材料，干法刻蚀使用气态化学刻蚀剂与材料产生反应来刻蚀材料并形成可以从衬底上移除的挥发性副产品。由于等离子体产生促进化学反应的自由基能显著增加化学反应的速率并加强化学刻蚀，等离子体同时也会造成晶圆表面的离子轰击，故干法刻蚀一般都是采用等离子刻蚀。

集成电路芯片刻蚀工艺中包含多种材料的刻蚀，单晶硅刻蚀用于形成浅沟槽隔离，多晶硅刻蚀用于界定栅和局部连线，氧化物刻蚀界定接触窗和金属层间接触窗孔，金属刻蚀主要形成金属连线。

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。电容性等离子体刻蚀主要是以高能离子在较硬的介质材料上，刻蚀高深宽比的深孔、深沟等微观结构；而电感性等离子体刻蚀主要是以较低的离子能量和极均匀的离子浓度刻蚀较软的和较薄的材料。

原子层刻蚀（ALE）是指通过一系列的自限制反应去除单个原子层，不会触及和破坏底层以及周围材料的先进半导体生产工艺。原子层刻蚀可以实现精准的控制，具有优秀的各向异性，是未来刻蚀工艺的发展方向。

刻蚀工艺使用的半导体设备为刻蚀机。全球刻蚀设备行业的主要企业即泛林半导体(LamResearch)，东京电子(TEL)和应用材料(AMAT)三家。从全球刻蚀设备市场份额来看，三家企业的合计市场份额就占到了全球刻蚀设备市场的90%以上。其中泛林半导体独占52%的市场份额，东京电子与应用材料分别占据20%和19%的市场份额

国内的刻蚀设备企业主要有中微公司、北方华创、屹唐半导体和中电科。其中，中微公司、北方华创和屹唐半导体均以生产干法刻蚀设备为主，中电科除了生产干法刻蚀设备以外还生产湿法刻蚀设备。除上述企业外，国内还有创世微纳、芯源微和华林科纳等企业生产刻蚀设备。

国内刻蚀设备生产商中，中微公司在CCP刻蚀领域具备明显优势。在逻辑集成电路制造方面，公司的CCP刻蚀设备已经进入国际知名晶圆代工厂的先进制程生产线，用于7/5纳米器件的生产。在3DNAND芯片制造方面，公司的CCP刻蚀设备技术可应用于64层的量产，同时公司根据存储器厂商的需求正在开发96层及更先进的刻蚀设备和工艺。

北方华创主要覆盖ICP刻蚀设备，公司ICP刻蚀设备主要用于硅刻蚀和金属材料的刻蚀，28nm制程以上刻蚀设备已经实现产业化，在先进制程方面，公司硅刻蚀设备已经突破14nm技术，进入上海集成电路研发中心，与客户共同开展研发工作。

1.3.4.离子注入工艺

离子注入是一种添加工艺，利用高能量带电离子束注入的形式，将掺杂原子强行掺入半导体中，从而控制半导体的导电率。离子注入提供了比扩散过程更好的掺杂工艺控制，例如在扩散工艺中掺杂物的浓度和结深无法独立控制，而在离子注入中可以通过离子束电流和注入时间控制掺杂物浓度，通过离子的能量控制掺杂物的结深，因此离子注入是目前半导体行业中的主要掺杂方法。

离子注入所使用的半导体设备为离子注入机，离子注入机是非常庞大的设备，包括了气体系统、电机系统、真空系统、控制系统和最重要的射线系统。根据离子束电流和束流能量范围，一般可以把离子注入机分为低能大束流离子注入机、高能离子注入机和中低束离子注入机。

离子注入机可以应用在集成电路和光伏领域。在集成电路领域，全球的离子注入机为应用材料所垄断，其市场占有率达到了70%，其次为Axcelis，占据了近20%的市场份额。国内的离子注入机生产企业主要是凯世通和北京中科信，年12月凯世通宣布拟向芯成科技出售3款12英寸集成电路离子注入机，国产离子注入机迈出了关键一步。

1.3.5.薄膜沉积工艺

薄膜沉积是一种添加工艺，是指利用化学方法或物理方法在晶圆表面沉积一层电介质薄膜或金属薄膜，根据沉积方法可以分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。

CVD是利用气态化学源材料在晶圆表面产生化学反应过程，在表面沉积一种固态物作为薄膜层。CVD广泛应用在晶圆制造的沉积工艺中，包括外延硅沉积、多晶硅沉积、电介质薄膜沉积和金属薄膜沉积。常用的化学气相沉积工艺包括常压化学气相沉积（APCVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）和离子增强型化学气相沉积（PECVD）。

APCVD主要应用在二氧化硅和氮化硅的沉积，LPCVD主要应用于多晶硅、二氧化硅及氮化硅的沉积。PECVD通过等离子产生的自由基来增加化学反应速度，可以利用相对较低的温度达到较高的沉积速率，广泛应用于氧化硅、氮化硅、低k、ESL和其他电介质薄膜沉积。

CVD工艺使用的半导体设备是化学气相沉积设备，全球的化学气相沉积设备市场主要由应用材料、泛林半导体和东京电子所垄断，CR3为70%。从CVD设备种类来看，PECVD、APCVD和LPCVD三类CVD设备合计市场份额约占总市场份额的70%，仍旧是CVD设备市场的主流。

集成电路领域的国产CVD设备生产商主要有北方华创和沈阳拓荆。北方华创主要生产APCVD设备和LPCVD设备，沈阳拓荆则以PECVD为主，根据中国国际招标网数据，沈阳拓荆已有3台PECVD设备进入长江存储。

原子层沉积（ALD）是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。原子层沉积与普通的化学沉积有相似之处。但在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。ALD工艺可以更加精确控制薄膜的尺寸，对于DRAM，3DNAND和逻辑FinFET制造中越来越重要，可能成为未来薄膜沉积的核心工艺。

目前ALD设备尚未在集成电路行业中大规模使用，应用材料、泛林半导体和东京电子都已经推出了ALD设备，国内设备生产商在ALD设备方面也有布局。北方华创推出的ALD设备可以满足28-14nmFinFET和3DNAND原子层沉积工艺要求，目前正处于验证阶段。沈阳拓荆在已通过生产验证的PECVD平台上自主研发了原子层沉积设备，可应用于超大规模集成电路，OLED及先进封装领域

物理气相沉积（PVD）是另一种重要的薄膜沉积工艺，PVD是通过加热或溅射过程将固态材料气态化，然后使蒸汽在衬底表面凝结形成固态薄膜，常用的PVD工艺有蒸发工艺和溅镀工艺。

PVD工艺使用的半导体设备为PVD设备，全球PVD设备市场基本上为应用材料所垄断，其市场份额高达85%，其次为Evatec和Ulvac，市场份额分别为6%和5%。

国内在集成电路领域的PVD生产商主要为北方华创。北方华创突破了溅射源设计技术、等离子产生与控制技术、颗粒控制技术、腔室设计与仿真模拟技术、软件控制技术等多项关键技术，实现了国产集成电路领域高端薄膜制备设备零的突破，设备覆盖了90-14nm多个制程。根据公司

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