原标题 中金 | 半导体设备系列：国内前道设备厚积薄发，加速成长
来源 中金点睛
原创 李学来 胡炯益 彭虎
近年来国内半导体设备厂商的技术水平实现快速突破。我们认为在国内外半导体行业扩产背景下，国内半导体前道设备厂商迎来发展机遇。
摘要
根据SEMI数据，2020年全球半导体设备市场规模为712亿美元，全球半导体前道设备市场规模为612亿美元。我们看到全球半导体行业2H20开始由于芯片缺货，各厂商加大资本开支，行业重新进入上行周期。SEMI预计2021/2022年全球半导体设备市场规模有望达到953/1，013亿美元，其中前道设备市场规模为817/869亿美元。
中国大陆半导体设备市场规模过去几年穿越周期持续增长。根据SEMI数据，2015年中国大陆半导体设备市场规模为49亿美元，2020年达到187亿美元。参照全球半导体设备市场构成，我们测算2020年中国大陆半导体前道设备市场规模约为161亿美元。在晶圆代工/存储器国产化趋势下，我们认为国内晶圆厂商有望在未来几年维持高资本开支，驱动国内半导体设备市场规模保持增长。
半导体设备前道设备技术壁垒高，国内厂商不断取得突破，缩小与海外厂商差距。近年来，随着政策支持以及国内下游需求增加，国内厂商技术水平正在加速追赶。国内头部前道设备厂商整体水平达到28nm制程，并在14nm/7nm/5nm制程实现了部分设备的突破。
根据芯谋研究，2020年中国大陆半导体前道设备采购额中，国产设备比例仅为7%，而美国/日本设备比例为53%/17%。虽然目前国内半导体设备厂商的市场占有率低，但国产替代市场空间广阔。通过分析长江存储、华虹集团、上海积塔等厂商招标情况，我们看到国内厂商在清洗设备、刻蚀设备等细分领域已取得一定突破。当前国内28nm及以上成熟制程扩产规模较大，国内设备厂商迎来市占率提升的关键期。
风险
国内半导体设备厂商研发进展不及预期，半导体设备国产化率不及预期，国内晶圆厂商资本开支不及预期，中美贸易摩擦加剧。
正文
什么是半导体前道？
半导体前道工艺概述
芯片制造可分为硅片生产、前道工艺（晶圆制造）、后道工艺（封装测试）等步骤。其中，前道工艺是最为复杂步骤，前道工艺制造先进集成电路器件的过程如同建造一个几十层的微观楼房，需要一层一层建造微观结构，举例来看，若要建立60层的复杂结构，需要约1，000个加工步骤，涉及光刻、刻蚀、薄膜沉积、清洗、化学机械抛光、涂胶显影、热处理、离子注入、检测等不同的工序。
图表：芯片制造过程
资料来源：《半导体制造技术导论》，中金公司研究部
相对应地，半导体前道设备可以划分为光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备、清洗设备、CMP设备、涂胶显影设备、热处理设备、离子注入设备、检测设备等种类。
新兴的半导体“中道工艺”
传统封装（后道工艺）通常采用引线键合，随着封装技术朝小型化、高密度、多功能的方向发展，非采用引线键合的先进封装成为封装行业的发展趋势之一。以Bumping工艺、TSV工艺等典型的先进封装技术为例，它们也采用了类似前道工艺中所使用的光刻、刻蚀等技术，但在精度等方面又有所区别，既不算严格意义上的前道工艺，也不是传统意义上的后道工艺，通常被称作“中道工艺”。（由于“中道工艺”设备供应商基本和前道设备供应商重合，且台积电、中芯国际等前道晶圆厂商也涉及这部分先进封装业务，大部分的“中道”设备销售量也通常在统计时计入前道设备，为方便讨论，本报告也将“中道”纳入前道范畴）
前道设备市场概览
全球前道设备市场：周期成长，海外厂商占据主要份额
全球半导体设备市场具有周期成长的特点。根据SEMI数据，2020年全球半导体设备销售额达712亿美元。2019年由于存储市场疲软，半导体行业进入下行周期，半导体设备市场也有所下降。2020年由于芯片供给紧张，全球晶圆厂商加大资本开支扩建产能，半导体行业重新进入上行周期。其中，前道设备占据半导体设备绝大多数金额。根据SEMI数据，2020年全球半导体前道设备市场销售额612亿美元，占总设备销售额86.0%。
SEMI预计2021年全球半导体设备市场规模有望增长34%至953亿美元，到2022年全球半导体设备市场有望突破1，000亿美元，主要驱动力来自于半导体行业扩张周期下全球半导体厂商资本开支不断增加。对应地，SEMI预计2021年全球半导体前道设备有望同比增长33%至817亿美元，到2022年全球半导体前道设备市场有望达到869亿美元。
图表：全球半导体设备市场规模与增速情况
资料来源：SEMI，中金公司研究部
按照地域拆分，根据SEMI数据，2020年全球半导体设备销售额从高至低分别为中国大陆（26.3%）、中国台湾（24.1%）、韩国（22.6%）、日本（10.6%）、北美（9.2%）和欧洲（3.7%）。
中国大陆、中国台湾、韩国是半导体设备三大重要下游市场。得益于近几年来中国大陆晶圆厂积极扩产，中国大陆于2020年第一次成为全球半导体设备第一大下游市场。短期来看，我们认为未来几年，随着存储器行业的复苏，韩国有望再次成为全球半导体设备最大下游市场。长远来看，我们认为随着中国大陆晶圆制造等产能不断提升，中国大陆有望长期维持全球半导体设备第一大下游市场地位。
光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备是半导体前道设备中最为核心的3类设备。结合SEMI及Gartner数据，我们测算出2020年光刻设备占半导体前道设备价值量21.9%，刻蚀设备占半导体前道设备价值量20.2%，薄膜沉积设备占半导体前道设备价值量19.1%。
图表：全球半导体设备销售额按地域拆分
资料来源：SEMI，中金公司研究部
图表：2018-2020年全球各细分半导体前道设备市场占比
资料来源：SEMI，Gartner，中金公司研究部
半导体前道设备行业集中度高，美欧日把控不同细分领域龙头位置。从市场份额来看，近年来设备行业竞争格局稳定，设备的细分子领域呈现寡头垄断格局。
以Applied Materials（应用材料）、ASML（阿斯麦）、Lam Research（泛林半导体）、Tokyo Electron（东京电子）、KLA-Tencor（科磊半导体）为代表的海外半导体设备巨头较早进入市场，拥有深厚的技术积累、稳定的客户关系、领先的市场品牌及雄厚的资金实力等资源，在全球半导体设备市场中占据领先地位。根据Gartner数据，2020年全球前五大半导体设备厂商分别为Applied Materials、ASML、Lam Research、Tokyo Electron及KLA-Tencor，对应市场份额分别为18.61%、18.12%、14.98%、13.42%及6.45%，销售额合计达464.57亿美元，占市场总额的71.60%，形成较高的行业集中度。
其中，Applied Materials被业界誉为“半导体设备超市”，其产品服务覆盖领域包括等离子体刻蚀、单晶圆热处理、化学气相薄膜沉积、物理气相薄膜沉积、外延薄膜沉积、离子注入、检测等；ASML专攻光刻设备，通过多年的研发与技术积累，在光刻设备这一细分市场已经形成主导地位；Lam Research、Tokyo Electron和KLA-Tencor也不断丰富拓展其产品线，在等离子体刻蚀、薄膜沉积、热处理、清洗、显影、检测等领域拥有较为成熟的产品。
图表：2020年全球前五大半导体设备厂商营业收入及市场份额
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：全球各细分半导体前道设备市场规模（2020A）
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：全球各细分半导体前道设备市场竞争格局（2020A）
资料来源：Gartner，中金公司研究部
中国大陆前道设备市场：穿越周期，规模持续成长
近年来，中国大陆半导体行业持续处于高速发展，中国大陆半导体设备市场在过去几年也持续保持了同比正向增长。根据SEMI数据，2020年中国大陆半导体设备销售额为187亿美元。
图表：中国大陆半导体设备市场规模与增速情况
资料来源：SEMI，中金公司研究部
在国产替代趋势下，国产半导体设备已经取得重大进展，整体水平达到28nm制程，并在14nm和7nm制程实现了部分设备的突破。先进制程产线为了保证产品良率，中国大陆晶圆厂仍以采购海外设备为主，我们认为待国产设备通过客户验证且下游客户产能顺利爬坡后，国产设备占比有望提升；而在中低端制程，国产化率有望得到显著提升。
各前道设备巡礼
前道设备#1：光刻机
光刻机的工作原理是利用光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的晶圆曝光，光刻胶见光后会发生性质变化，从而使光罩上的电路图复印到晶圆上，形成电子线路图。
光源是光刻机的核心零部件之一，光源波长越短，光刻机分辨率越高，制程工艺越先进。根据光源波长不同，光刻机可以细分为EUV光源光刻机、DUV光源光刻机（ArF、KrF）、汞灯光源光刻机（I线、G线）。最早光刻机的光源是采用汞灯产生的紫外光源（UV），从G线一直发展到I线，波长缩小到365nm。随后出现准分子激光的深紫外光源（DUV）将波长进一步缩小到ArF的193nm。之后，业界开始采用极紫外光源（EUV）进一步提供更短波长的13.5nm光源。目前，EUV光刻机可应用在7nm以下的最高端工艺上，而目前只有荷兰ASML一家能够提供可供量产用的EUV光刻机。
图表：光刻机分类
资料来源：半导体行业观察，中金公司研究部
根据Gartner数据，2020年全球光刻机市场规模131亿美元，ASML、Nikon和Canon占据全球光刻机90%以上市场份额。其中，ASML是全球绝对龙头，市占率为75%，并几乎占据全部高端光刻机（EUV）市场；Nikon和Canon产品主要为中低端机型，分别占据13%和6%的市场份额。国内光刻机企业中上海微电子正在加速追赶：2017年6月，公司EUV光刻关键技术研究完成验收；2018年3月，公司承担的02专项90nm光刻机样机研制项目顺利通过验收；目前公司正在攻关28nm光刻机。
图表：2018-2020年全球光刻机市场规模
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2020年全球光刻机市场竞争格局
资料来源：SEMI，中金公司研究部
前道设备#2：刻蚀机
光刻机的工作原理是利用光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的晶圆曝光，光刻胶见光后会发生性质变化，从而使光罩上的电路图复印到晶圆上，形成电子线路图。刻蚀工艺的目的是把图形从光刻胶转移到待刻蚀的薄膜上。
目前主流的刻蚀设备有CCP（电容耦合等离子体）刻蚀机和ICP（电感耦合等离子体）刻蚀机两类：
► CCP刻蚀机：利用电容耦合产生等离子体，这种等离子密度较低，但能量较高，适合刻蚀氧化物、氮氧化物等较硬介质材料和掩膜等。
► ICP刻蚀机：利用电感耦合产生等离子体，这种等离子密度高，能量较低，但调控起来更灵活，可独立控制离子密度和能量，适合刻蚀单晶硅、多晶硅、金属等硬度不高或比较薄的材料。
图表：刻蚀机分类
资料来源：头豹研究院，中金公司研究部
根据Gartner数据，2020年全球刻蚀机市场规模123亿美元：其中，导体刻蚀设备市场规模45亿美元，介质刻蚀设备市场规模78亿美元。2020年全球刻蚀设备行业前三名为Lam Research、Tokyo Electron、Applied Materials，三者总共占据90%以上市场份额。中国大陆企业中，中微公司的CCP刻蚀机接近全球一流水平，目前已经进入台积电最新工艺产线，北方华创的ICP刻蚀机在中国大陆技术领先。
图表：2018-2020年全球刻蚀设备市场规模
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2020年全球刻蚀设备竞争格局
资料来源：Gartner，中金公司研究部
前道设备#3：薄膜沉积设备
薄膜沉积主要是在晶圆上沉积各种材料的薄膜，主要方法有化学气相沉积、蒸发、溅射等：
► 物理气相沉积（PVD）：在真空状态下，加热源材料，使原子或分子从源材料表面逸出从而在衬底上生长薄膜的方法。物理气相沉积的主要方法有，真空电子束或电阻蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。
► 化学气相沉积（CVD）：使气态物质在固体的表面上发生化学反应并在该表面上沉积，形成稳定的固态薄膜的过程。主要分为四个重要的阶段：1）反应气体向基体表面扩散；2）反应气体吸附于基体表面；3）在基体表面上产生的气相副产物脱离表面；4）留下的反应物形成覆层。采用等离子和激光辅助等技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行。常用的CVD设备包括PECVD、SACVD、APCVD、LPCVD等，适用于不同工艺节点对膜质量、厚度以及孔隙沟槽填充能力等的不同要求。
► 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，使这种方式每次反应只沉积一层原子。ALD设备沉积的薄膜具有非常精确的膜厚控制和非常优越的台阶覆盖率，对于多维结构体表面精确成膜需求具有不可替代的应用。基于此，在28nm以下关键尺寸缩小的双曝光工艺方面取得了越来越广泛的应用。
图表：ALD、PVD、CVD工艺对比
资料来源：前瞻产业研究院，中金公司研究部
目前，CVD设备广泛应用于半导体工艺中各种薄膜沉积，如外延硅沉积、多晶硅沉积、电介质薄膜沉积和金属薄膜沉积。根据Gartner数据，2020年CVD设备（包含ALD设备）市场规模占薄膜沉积设备市场规模比例为64%，领先于其他类型薄膜沉积设备，PVD设备占比为25%，MOCVD设备占比为3%；Nontube CVD设备市场规模占CVD设备市场规模比例为86%；Plasma CVD设备市场规模占Nontube CVD设备市场规模比例为63%，ALD设备占比为24%。
图表：2020年薄膜沉积设备市场结构
资料来源：Gartner，中金公司研究部
根据Gartner数据，2020年全球CVD设备（包含ALD设备）市场规模为84.2亿美元，全球PVD设备市场规模为30.9亿美元。根据Gartner数据，2020年Applied Materials占据全球CVD设备市场份额28%，占主导地位，Lam Research和Tokyo Electron紧随其后。国内企业中北方华创的LPCVD、拓荆科技的PECVD已经通过国内主流晶圆厂验证，开始出货销售。根据Gartner数据，2020年Applied Materials占据全球PVD设备市场份额86%，市场集中度较高。国内企业北方华创占比2%，公司28nm氮化钛硬掩膜（Hardmask PVD）、Al-Pad PVD设备已进入国内主流12英寸晶圆厂商供应链。
图表：2018-2020年全球CVD设备市场规模
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2020年全球CVD设备市场竞争格局
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2018-2020年全球PVD设备市场规模
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2020年全球PVD设备市场竞争格局
资料来源：Gartner，中金公司研究部
前道设备#4：检测设备
集成电路检测是保证产品良率和成本管理的重要环节。集成电路的测试主要包括芯片设计中的设计验证、晶圆前道加工中的晶圆检测和晶圆后道加工中的成品测试。其中，前道检测设备的目的是检查每一步制造工艺后，晶圆的加工参数是否达到设计要求或者是否存在缺陷，主要运用光学、电子束量等检测手段，属于物理性检测。前道检测设备根据功能可分为量测类、缺陷检测类；根据技术原理分为光学检测设备、电子束检测设备和其他检测设备。
► 量测类设备：主要用来测量薄膜厚度、关键尺寸、套准精度、膜应力、掺杂浓度等指标以确保产品参数符合设计要求，对应的设备有椭圆偏振光谱仪、四探针、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、热波系统、相干探测显微镜等。
► 缺陷检测类设备：主要用于检测并定位晶圆表面的杂质颗粒沾污、机械划伤等缺陷，可按使用场景再分为光罩/掩模检测、晶圆表面缺陷检测（无图形晶圆检测/图形化晶圆检测）、晶圆表面缺陷复查，对应的设备有光学显微镜、扫描电子显微镜等。
从细分领域价值占比的角度来看，根据智研咨询，2020年图形化晶圆检测设备的占比最高（32%），排名第二第三的分别是掩膜检测（15%）和膜厚量测（12%）。
图表：前道检测设备分类
资料来源：《纳米集成电路制造工艺》，中金公司研究部
根据Gartner数据，2020年全球晶圆前道检测设备市场规模约为72亿美元。全球晶圆前道检测设备的供应商相对集中，主要有KLA-Tencor和Applied Materials，2020年两者的市场占有率分别为53.6%和11.3%。
图表：2018-2020年全球前道检测设备市场规模
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2020年全球前道检测设备市场竞争格局
资料来源：Gartner，中金公司研究部
前道设备#5：清洗设备
晶圆清洗是指去除晶圆表面在半导体制造过程中产生的颗粒、自然氧化层、金属污染、有机物、牺牲层、抛光残留物等杂质。根据清洗介质不同，半导体清洗技术主要分为湿法清洗和干法清洗两种工艺路线。
► 湿法工艺是使用各种化学药液与晶圆表面各种杂质粒子发生化学反应，生成溶于水的物质，再用高纯水冲洗，依次去除晶圆表面各种杂质。氧等离子通过化学反应可使非挥发性有机物变成易挥发的H2O和CO2，氢等离子通过化学反应可以去除金属表面氧化层，通常用于清洁金属表面，在清洗过程中避免金属氧化。
► 干法工艺是不采用溶液的清洗技术，通过等离子体清洗技术、气相清洗技术或束流清洗技术来去除晶圆表面的杂质。一般用于去除氧化物、环氧树脂溢出或是微颗粒污染物。
在集成电路制造的先进工艺中，单片清洗设备已取代槽式设备成为主流，主要由于单片清洗能够在整个制造周期提供更好的工艺控制，改善单个晶圆和不同晶圆间的均匀性，提高产品良率；更大尺寸的晶圆和更先进的工艺对于杂质更敏感，槽式清洗出现交叉污染的概率更大。
图表：半导体清洗设备分类
资料来源：盛美上海招股说明书，中金公司研究部
根据Gartner数据，2020年全球清洗设备市场规模35亿美元。全球清洗设备前三家Screen、Tokyo Electron和Lam Research占比接近90%，马太效应显著，行业高度集中。其中Screen占比近50%，处于决定领先地位。国内企业中，盛美上海是国产清洗设备的龙头厂商，主流产品客户包括中芯国际、长江存储、SK Hynix等。
图表：2018-2020年全球半导体清洗设备市场规模
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2020年全球半导体清洗设备市场竞争格局
资料来源：Gartner，中金公司研究部
前道设备#6：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。工艺过程主要是通过机械手使晶圆在各系统之间传输和处理，完成晶圆的光刻胶涂覆、固化、显影、坚膜等工艺过程。该设备决定光刻工序细微曝光图案的形成，以及后续蚀刻和离子注入等工艺中图形转移的结果。是集成电路制造过程中不可或缺的关键工艺步骤。
图表：涂胶、显影工艺简介
资料来源：芯源微招股说明书，中金公司研究部
根据Gartner数据，2020年全球涂胶显影设备市场规模24亿美元，Tokyo Electron全球市占率超过90%。国内最有竞争力的公司为芯源微，其涂胶显影设备已从后道先进封装领域、LED领域拓展到MEMS、化合物、功率器件等领域，客户覆盖台积电、长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技、华灿光电、乾照光电、澳洋顺昌、中芯绍兴、中芯宁波等国内一线厂商。
图表：2018-2020年全球涂胶显影设备市场规模
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2020年全球涂胶显影设备市场竞争格局
资料来源：Gartner，中金公司研究部
前道设备#7：CMP设备
CMP（Chemical Mechanical Polishing，即化学机械抛光），是集成电路制造过程中实现晶圆表面平坦化的关键工艺。CMP结合化学腐蚀和机械研磨技术，先使用含有氧化剂、络合剂的抛光液在晶圆表面生成一层较软的钝化层，再通过磨粒与抛光垫对钝化层进行机械去除，“软化-剥离”过程循环往复，最终使被抛光的晶圆表面实现高度平坦化、低表面粗糙度和低缺陷的要求。
按硅片尺寸分，CMP设备有适用于12英寸和8英寸两类，12英寸CMP设备是业界公认的衡量一个厂家CMP设备研发技术水平的标杆产品。目前90nm以下工艺的高端市场普遍采用12英寸硅片进行加工，12英寸与8英寸相比直径增长50%、面积扩大125%，对抛光精度的要求更高，因此需要使用更先进的抛光头超精密分区压力控制技术和终点检测技术。
按薄膜种类分，主要分为金属薄膜、氧化硅薄膜及硅薄膜三大类CMP技术，应用于逻辑、DRAM及NAND芯片的制备过程。
图表：CMP细分领域
资料来源：各公司官网，中金公司研究部
根据Gartner数据，2020年全球CMP设备市场规模为16亿美元。目前全球CMP设备市场主要由海外厂商占据，Applied Materials和Ebara的全球市占率合计超过90%，14nm以下先进制程生产线上所应用的CMP设备更是仅由这两家国际巨头提供。国产设备厂商方面，主要有华海清科，目前公司产品已进入国内主流晶圆厂商供应链。
图表：2018-2020年全球CMP设备市场规模
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2020全球CMP设备市场竞争格局
资料来源：Gartner，中金公司研究部
前道设备#8：热处理设备
热处理工艺主要有：氧化/扩散/退火，所使用到的半导体设备有卧式炉/立式炉/快速热处理（RTP）设备等。半导体制备过程所处的超净间寸土寸金，目前更节约空间的立式炉已逐步替代卧式炉；不同于卧式炉/立式炉的批量处理方式，RTP采用的是单片热处理方式。
► 氧化是指加入氧气在晶圆表面反应生产一层二氧化硅，从而实现表面钝化、绝缘及防止掺杂物进入硅面的效果。
► 扩散是实现掺杂工艺的方法之一，指利用热扩散原理，使杂质元素在高温的作用下掺入硅衬底中，实现工艺要求的浓度分布，形成有效的PN结，目前离子注入已逐步取代扩散成为了主流的掺杂方法。
► 退火是指通过加热使晶圆产生特定的物理、化学变化，并在晶圆表面增加或移除少量物质，实现消除晶格缺陷和消除硅结构晶格损伤的目的，常用于离子注入工艺之后。
根据Gartner数据，2020年全球半导体热处理设备市场规模为15亿美元，其中快速热处理设备市场规模为7亿美元，氧化/扩散设备市场规模约6亿美元。目前，Applied Materials、Tokyo Electron、Kokusai三家海外企业占据全球热处理设备市场绝大多数份额，三者市占率合计约80%，其中Applied Materials单家的市场占有率更是达到了40%。在全球快速热处理市场，2020年Applied Materials以69%的市占率位列第一，屹唐股份（Mattson）以12%的市占率位列第二，另外3家主要的厂商分别为Hitachi、Veeco以及Screen，前5大厂商几乎占据了全球快速热处理设备市场的全部份额。国内主要热处理设备的生产厂商有北方华创、屹唐半导体，北方华创的立式炉/卧式炉达到国产半导体设备领先水平，屹唐半导体在2016年收购以RTP为主导产品的Mattson后已有设备进入了5nm逻辑芯片量产产线。华卓精科也具有UPEALA-200/300系列热处理设备。
图表：2019-2020年全球热处理设备市场规模
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2020年全球热处理设备竞争格局
资料来源：Gartner，中金公司研究部
前道设备#9：离子注入设备
一般而言，硅单晶（最原始不含杂质）导电性能很差，只有当硅中加入少量杂质，使其结构和电导率发生改变时，硅才成为真正有用的半导体。目前掺杂主要有高温热扩散法和离子注入法两种，离子注入占据着主流地位。其原理是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得较高的动能后，注入到硅中而实现掺杂。
离子注入设备按照能量高低可以分为低能量/高能量，按照束流大小可以分为中低束流/大束流。常用的生产型离子注入机主要有三种：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，其中低能大束流离子注入机和高能离子注入机制造技术难度相对更高。
随着先进制程发展，对离子注入机的要求也更高。为适应FinFET及3D NAND Flash需求，离子注入机需要具备更精确注入，更精确控制束斑形状及注入剂量，以及高温注入能力以降低注入导致晶格缺陷等。
图表：离子注入设备分类
资料来源：《离子注入机通用规范》，中金公司研究部
根据Gartner数据，2020年全球离子注入设备市场规模14亿美元。全球90%以上的市场被Applied Materials、Axcelis、Sumitomo这三家海外企业占据，市场集中度高。目前凯世通（万业企业）和中科信（电科装备）已具备集成电路用离子注入机的研发和生产能力，在中低束流和高能量这两类离子注入设备上都有所进展。凯世通的光伏离子注入机领先，IC离子注入机在国内12英寸晶圆厂及主流存储芯片厂成功验证并形成销售。2020年，中科信自主研制出了高能离子注入机，填补了国内高能离子注入机的空白。
图表：2018-2020年全球离子注入设备市场规模
资料来源：Gartner，中金公司研究部
图表：2020年全球离子注入设备竞争格局
资料来源：Gartner，中金公司研究部
投资亮点
投资亮点#1：先进制程与存储技术升级驱动设备投资提升
半导体设备是半导体制造的上游环节，我们认为，芯片厂商对于性能、功耗、存储容量等指标的需求不断提升，推动半导体制造技术持续发展，进而为半导体设备催生量价齐升的投资机会。
► 逻辑方面，随着台积电、三星等厂商不断突破摩尔定律边界，目前台积电基于EUV的7nm、5nm平台已成为其营收主力，并计划于2022年前投产3nm；
► DRAM方面，为了获得更快的速度与更低的能耗，DRAM随着摩尔定律一步一步缩小自身尺寸，目前行业前三甲三星、SK海力士与镁光都处于完成1Y制程并向1Z制程的转换阶段，我们认为未来随着EUV光刻机的引入，制程可进一步缩小至10nm量级；
► NAND方面，由于平面微缩极限的到来，NAND转向3D结构发展，目前64层产品已在各大境外厂商普及，三星、镁光及东芝/西数也将计划陆续推出128层NAND芯片，并积极布局192层等更高堆叠层数产品。
图表：全球半导体行业逻辑器件、存储器件技术演进
资料来源：各公司官网，中金公司研究部
根据Tokyo Electron预计，随着逻辑代工从14/16nm向5nm先进制程发展，设备投资金额有望由130亿美元增长54%至200亿美元；而3D NAND随着堆叠层数增长所需设备投资额同样增长迅速，相比48层，128层NAND设备投资额有望增长82%至80亿美元，主要来自刻蚀设备需求的提升；DRAM相较NAND与逻辑设备投资额随技术提升相对平缓，1Z制程所需设备投资额将达到72亿美元，相比2Z制程的59亿美元提升22%。
图表：半导体制造设备投资额随技术迭代不断提升
资料来源：Tokyo Electron等公司官网，中金公司研究部
投资亮点#2：全球尤其是大陆晶圆厂持续扩产，驱动设备市场快速增长
根据SEMI，2020年全球晶圆厂商资本开支1069亿美元，SEMI预计2024年全球半导体晶圆厂商资本开支有望达到1276亿美元，其中：中芯国际2021年CAPEX 43亿美元；华虹半导体2021年CAPEX 13亿美元；台积电2021年CAPEX 300亿美元；联电2021年CAPEX 15亿美元；世界先进2021年CAPEX 2亿美元。
图表：2018-2024E全球晶圆厂CAPEX
资料来源：SEMI，中金公司研究部
图表：2018-2021E全球主要晶圆厂CAPEX
资料来源：Bloomberg，中金公司研究部
晶圆厂扩产带来的设备投资增长是带动设备厂商业绩增长的直接动力。根据SEMI数据，2017-2020年间全球新建与开始运营的晶圆产线中，中国大陆占比最高，达到42%，我们认为，近年来中国大陆积极投产晶圆产线，为北方华创等国产半导体设备商提供了强有力的本土需求。
图表：2017-2020年全球新建与开始运营晶圆产线占比（按地域拆分）
资料来源：SEMI，中金公司研究部
图表：2017-2020年全球各地开始投产的Fab数量
资料来源：SEMI，中金公司研究部
投资亮点#3：进口替代率持续上升
中国半导体制造厂商与国产设备商进行技术合作，提升设备投资的进口替代率水平，是驱动中国半导体设备行业发展的又一重要动力。一方面，Applied Materials、Lam Research、KLA-Tencor等美国半导体设备领域拥有举足轻重的地位，中美贸易摩擦的频繁反复为制造厂商的供应链安全带来不确定；另一方面，存储器由于标准化程度较高，长江存储等国产存储器厂商存在追求性价比的需求，与国产设备厂商合作有望帮助制造厂商压低成本，提升价格竞争力。
目前国内半导体设备厂商的市场占有率仍然较低。根据芯谋研究，2020年中国大陆半导体前道设备采购额中，国产设备比例仅为7%，而美国/日本设备比例为53%/17%。细分来看，我们通过分析长江存储、华虹半导体、华力微、上海积塔2021年至今公开招标情况看到国内厂商在清洗设备、CMP设备、刻蚀设备等细分领域市占率已取得一定突破，但在薄膜沉积设备、检测设备、光刻设备等细分领域市占率依然较低。
当前，国内半导体设备厂商正迎来发展关键时间节点。我们看到国产刻蚀设备、清洗设备等产品已经基本能够满足28nm及以上成熟制程技术要求。根据我们产业链调研，我们也看到部分国内产线在组线过程中采购了较大比例的国产设备。我们认为一旦这些产线投产后顺利运行，将进一步验证国产半导体设备的可靠性，中芯国际、华虹半导体、长江存储、合肥长鑫等厂商在扩产计划中也将加速导入国产半导体设备比例。
图表：2020年中国大陆前道设备采购额按国别拆分
资料来源：芯谋研究，中金公司研究部
责任编辑：王涵
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