半导体设备发展基本情况及特点

半导体设备发展基本情况及特点 一、 半导体设备发展基本情况及特点 半导体设备主要包括前道工艺设备和后道工艺设备，前道工艺设备为晶圆制造设备，后道工艺设备包括封装设备和测试设备，其他类型设备主要包括硅片生长设备等。其中晶圆前道工艺设备整体占比超过80%，是半导体设备行业最核心的组成部分。 从晶圆厂的投资构成来看，刻蚀设备、光刻设备、薄膜沉积设备是集成电路前道生产工艺中最重要的三类设备。其中，薄膜沉积设备投资额占晶圆厂投资总额的16%，占晶圆制造设备投资总额的21%。 二、 半导体设备定义及产业链 半导体专用设备泛指用于生产各类半导体产品所需的生产设备，属于半导体行业产业链的支撑环节。在整个芯片制造和封测过程中，会经过上千道加工工序，细分又可以划分出百种不同的机台，占比较大市场份额的主要有：光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、分选机、探针台等。 半导体设备产业链中，上游为零部件和系统软件；中游为半导体设备，光刻机、刻蚀机、离子注入机、涂胶显影设备、氧化炉、CMP/CVD/PVD设备、质检及电学检测设备等；下游为半导体产品，主要包括分立器件、光电子器件、传感器和集成电路。 三、 半导体设备行业发展现状 （一）市场规模 中国半导体设备的市场规模增速明显，从2017年的554．18亿元增长至2019年的905．70亿元。2020年，中国半导体设备市场亦保持快速增长趋势，销售额为1260．62亿元，同比增长达39．2%，成为全球第一大半导体设备市场；2021年，中国半导体设备市场连续增长，销售额为1993．35亿元，同比增长达58．1%，连续两年成为全球第一大半导体设备市场。2022年中国半导体预计将继续增长，规模达到2745．15亿元。 （二）市场结构 从细分产品来看，光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备为半导体设备主要核心设备，分别占比24%、20%、20%。其次为测试设备和封装设备，分别占比9%、6%。 （三）进口情况 中国半导体设备行业整体国产化率的提升还处于起步阶段，目前国内半导体生产厂商所使用的半导体设备仍主要依赖进口。根据中国电子专用设备工业协会的统计，2021年半导体设备进口46894台，合计进口额1147．96亿元，同比分别增长84．3%和56．4%。 （四）国产化率情况 中国设备产业未来10年，第一步将迎接中国半导体产业对设备投资需求成倍的增长，同时目标将国产化率从平均5%~10%，提升到70%~80%以上甚至更高；第二步中国设备技术能力与国际厂商同台竞技之后，实现打开国门走向世界。 只有在设备上拥有核心技术升级与迭代能力，才能真正实现半导体制造上实现超越，国产化率是当务之急，也势不可挡。 薄膜沉积是晶圆制造的三大核心步骤之一，薄膜的技术参数直接影响芯片性能。半导体器件的不断缩小对薄膜沉积工艺提出了更高要求，而ALD技术凭借沉积薄膜厚度的高度可控性、优异的均匀性和三维保形性，在半导体先进制程应用领域彰显优势。 用于薄膜沉积的技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）。其中ALD技术是一种将物质以单原子膜的形式逐层镀在基底表面的方法，能够实现纳米量级超薄膜的沉积。目前ALD技术可以细分为TALD、PEALD、SALD等，制备的薄膜类型包括氧化物、氮（碳）化物、金属与非金属单质等，涵盖介电层、导体和半导体。ALD反应的自限制性和窗口温度较宽的特征，使其生长的薄膜具有很好的台阶覆盖率、大面积均匀、致密无孔洞等优势，且厚度等沉积参数易于精确控制。ALD技术特别适合复杂形貌、高深宽比沟槽表面的薄膜沉积，被广泛应用于High-K栅介质层、金属栅、铜扩散阻挡层等半导体先进制程领域。 2020年，全球ALD设备市场规模约占薄膜沉积设备整体市场的11%。从晶圆厂设备投资构成来看，薄膜沉积设备投资额占晶圆制造设备总投资额的比重约达25%。随着全球和国内晶圆厂的加速建设和扩产，以及半导体器件结构向更细微演进，ALD设备市场空间广阔。 根据SEMI，全球晶圆产能2022年将增长8%，2020年至2024年期间，中国大陆和中国台湾将分别增加8家和11家300mmFab厂，合计约占全球新增数量的50%。在Fab厂设备投资额构成中，前道晶圆制造设备占比高达80%，其中薄膜沉积设备投资额约占晶圆制造设备的25%。MaximizeMarketResearch统计显示，2017至2020年全球半导体薄膜沉积设备市场规模从125亿美元增至172亿美元，CAGR达11．2%，预计2025年可达340亿美元。根据Gartner统计，2020年ALD设备市场规模约占薄膜沉积设备的11%，SEMI预测，受益于半导体先进制程产线数量增加，2020年至2025年全球ALD设备销售额CAGR将达到26．3%，远高于PVD和PECVD设备的增速，市场前景可观。 半导体ALD设备市场由海外厂商高度垄断。2020年，我国薄膜沉积设备国产化率为8%，虽然较2016年的5%有所提升，但总体水平尤其是中高端设备的国产占比仍然较低。 在国际市场，ASMI、TEL、Lam、AMAT等知名半导体厂商均提供ALD设备，其中ASMI为全球ALD设备市场龙头企业，公司在ALD技术领域持续深耕，通过跨国并购拓展并巩固了ALD业务，2020年ALD设备销售额市占率高达55%。在国内市场，经营薄膜沉积设备业务的公司主要包括拓荆科技、微导纳米、中微公司、盛美上海、北方华创，目前具备半导体ALD技术产业化能力的企业仍然较少。建议关注在ALD设备领域取得较大进展的拓荆科技、微导纳米。 四、 晶圆扩产与驱动，份额提升贡献主要增量 半导体设备市场空间广阔。2019年-2021年，受到下游应用需求的驱动以及疫情对行业供需关系的影响，全球半导体设备市场经历了一轮高景气周期。2022年，半导体设备市场规模有望再创新高。根据SEMI的数据，2022年，全球半导体设备销售额有望达1143．4亿美元，同比增长11．24%，以2021年中国市场的占比测算，预估2022年中国半导体设备市场规模有望达329．48亿美元，同比增长11．24%。 半导体设备公司的增量将更多地来源于市场份额的提升。在半导体设备整体市场规模保持稳定的过程中，产业链公司的增量将更多地来源于市场份额的提升。市场份额的提升主要由三个因素驱动：产品的竞争力、所处细分市场的份额或空间、品类扩张能力。其中，产品的竞争力是公司立足于市场获取份额的基础，所处市场的份额或空间将决定公司高速成长的持续性，而品类扩张能力能够持续拓展公司的成长边界。 在市场国家战略产业自主可控等多重因素的驱动下，中国大陆晶圆制造及其配套设备环节的加速发展势在必行。中国大陆是全球最大的电子终端消费市场和半导体销售市场，吸引着全球半导体产业向大陆的迁移。从产业链配套层面来看，在中游晶圆制造环节，中国具备成为全球最大晶圆产能基地的潜力。特别是在中国打造制造强国的战略下，政府在产业政策、税收、人才培养等方面大力支持和推进本土半导体制造的规模化和高端化。近年来，中美贸易摩擦凸显出供应链安全和自主可控的重要性和急迫性，晶圆制造及其配套设备等产业环节作为半导体产业的基石，加速发展势在必行。 根据ICInsights的数据，2021年，全球晶圆产能约2160万片/月（8寸约当），同比增长3．78%，中国大陆晶圆产能350万片/月（8寸约当），同比增长9．92%，在全球的占比约16．2%。根据SIA的数据，伴随着中国大陆晶圆产能的持续快速扩张，2030年，大陆晶圆产能在全球的占比有望达24%，届时将成为全球最大的晶圆产能区域市场。中国大陆晶圆产能的持续扩张，有望持续拉动上游配套半导体设备的市场需求。 内资晶圆产线产能距离规划仍有较大的提升空间，国产半导体设备的订单增量前景广阔。目前，内资晶圆产线仍然是国产半导体设备的消费主力，从远期内资晶圆产线的建设情况来看，国产半导体设备的需求前景更为乐观。根据各公司官网的不完全统计，目前，内资晶圆产线的总产能约为162．5万片/月（8寸约当），而各条产线的规划总产能约为454．5万片/月（8寸约当），现有产能距规划产能仍有较大的扩充空间，因此，内资晶圆产能的大幅扩张，有望为国产半导体设备公司带来广阔的订单增量。 当前半导体设备国产化率仍处于非线性提升区间，驱动的份额提升，将为行业贡献可观的成长速度和空间。对于国产半导体设备厂商而言，其驱动力除了行业规模的自然扩张，还包括在国内市场的。根据中国电子专用设备工业协会的数据，2021年，国产半导体设备销售额为385．5亿元，同比增长58．71%，占大陆半导体设备销售额的比例为20．02%。 以半导体晶圆制造设备为例，当前的国产设备对28nm及以上制程的工艺覆盖度日趋完善，并积极推进14nm及以下制程的工艺突破，产品正处于验证密集通过、开启规模化起量的成长阶段。并且，各大半导体设备厂商基于产品上线量产的契机，也在与客户密切开展工艺设备的合作研发、已有产品的迭代和细分新品类的扩充，利于产品竞争力和市场拓展的继续深入。所以，目前的半导体设备国产化率仍处于非线性增长区间，未来国产设备有望加速渗透。 假设2025年，该统计口径下的中国大陆半导体设备市场的国产化率提升至50%，则2021-2025年，国产半导体设备销售额的CAGR近30%。并且，对于65-40nm等国内配套较成熟的制程，本土半导体设备供应商的单一供应比例最高已达80%，足见设备国产化有较高的成长空间。丰富的半导体工序催生出众多的半导体设备类型，从硅片制造、芯片设计、晶圆制造、封装和测试，配套的半导体设备品类多元，各个领域间具备较高的技术和市场壁垒。 布局刻蚀、沉积等大赛道的设备厂商，具备更为广阔的收入空间。通过对半导体设备市场竞争格局的分析可知，营收在百亿美金量级的龙头公司，其业务结构基本覆盖了半导体设备细分市场规模前三大的品类：刻蚀、光刻和沉积。鉴于此，对于本土半导体设备厂商而言，在刻蚀和沉积等大赛道深入布局的公司，具备更为广阔的远期收入空间，未来的发展前景十分广阔。 在各类细分赛道布局领先的设备厂商，有望率先卡位供应链优势位置。半导体设备市场细分品类众多，目前，本土半导体设备产业仍处于成长早期，在各个细分赛道率先卡位并建立竞争优势的设备厂商，有望在下游客户端抢占更优势的生态位-包括先发的研发验证机会、领先的供应份额以及积累更丰富的量产经验，从而在细分品类中建立起更高的竞争壁垒。在工艺技术方面，目前，国产半导体设备厂商在刻蚀、沉积、清洗、涂胶显影、CMP、离子注入以及测试机、分选机、探针台等核心工艺环节已取得长足进步，并且与海外传统厂商形成了初步的技术对标。 具体到产品方面，在前道领域，28nm及以上的制程范围，国产半导体设备厂商实现了工艺、技术和产品的大部分覆盖；在新技术节点上，国产半导体设备厂商配套14nm及以下制程的逻辑工艺、128层3DD工艺以及17nmDRAM工艺开展产品验证和合作研发。同时，以北方华创、中微公司、盛美上海为代表的国产半导体设备公司不断完善产品的平台化布局，可服务市场规模快速扩张，远期收入空间不断打开。另一方面，以拓荆科技、华海清科、芯源微、万业企业等为代表国产半导体设备公司在各自专长的领域内已占据了领先的供应份额，不断夯实技术和市场壁垒。目前，国产半导体设备厂商的产品已在中芯国际、华虹半导体、长江存储、合肥长鑫等晶圆产线快速起量，市场份额持续提升。在后道领域，国产半导体设备厂商在测试机、分选机、探针台等设备方面的配套较前道更为完善，并且以长川科技、华峰测控为代表的国产半导体设备厂商在SoC测试机、存储测试机、探针台等高端新品研发和市场拓展也快速推进，整体已在后道设备市场具备一定的市场份额优势。 根据国产半导体设备公司2021年的收入测算，目前，国产半导体设备在清洗、CMP、刻蚀、测试机、分选机等设备市场的国产化率已突破双位数，而在沉积、离子注入、探针台等领域也取得一定的国产化突破。整体而言，随着细分品类的市场份额