2020年國產半導體設備產業刻蝕機光刻技術市場格局研究行業報告（22頁）.docx

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1、2020年深度行業分析研究報告目錄1.半導體設備推動芯片制造業的發展.41.1半導體設備推動摩爾定律的實現.41.2不同的設備在芯片制造過程中分工明確.41.3半導體設備市場高度集中.61.3.1市場空間隨下游半導體變化.61.3.2細分領域市場多為寡頭壟斷.72.半導體設備行業需要理解的三個問題.102.1為何設備企業在客戶集中度很高的情況下仍擁有定價權？.102.1.1工藝復雜和分工細化提升設備廠商話語權.102.1.2設備廠商承擔了晶圓廠的前期研發任務.102.1.3設備定制化帶來極高客戶粘性和轉換成本.102.2為何光刻一家獨大，刻蝕寡頭壟斷？.112.2.1光刻和刻蝕技術更替的差異帶

2、來市場格局不同.112.2.2光刻：新舊技術替代帶來完全壟斷.112.2.3刻蝕：新舊技術共存形成寡頭競爭.122.3為何近些年來刻蝕設備的價值占比不斷上升？.152.3.1光刻機的技術瓶頸推動刻蝕機市場發展.152.3.2芯片設計的變化帶來刻蝕設備需求的提升.163.展望未來，國產半導體設備正在逆襲.173.1工程師紅利助力我國企業的追趕式研發.173.2半導體產業鏈中國轉移和存儲器國產化是重大機遇.183.2.1半導體產業鏈轉向中國，突破國內客戶是第一步.183.2.2存儲器國產化為我國刻蝕機廠商帶來機遇.203.2.3從專一突破到平臺整合是我國企業應借鑒的成長之路.21插圖目錄圖1：晶圓

3、加工過程示意圖.5圖2：典型晶圓加工廠的廠房區域布局.6圖3：全球半導體設備銷售額和集成電路銷售額（單位：億美元）.7圖4：2017年半導體設備和晶圓廠設備市場份額.7圖5：2018年光刻機市場份額.8圖6：2018年刻蝕機市場份額.8圖7：2018年CVD市場份額.8圖8：2018年PVD市場份額.8圖9：2017年CMP市場份額.8圖10：離子注入機全球市場份額.8圖11：前道晶圓檢測設備市場份額.9圖12：2017年后道檢測設備市場份額.9圖13：典型的CMOS剖面示意圖和部分刻蝕工藝的作用.13圖14：1988-2002年全球刻蝕設備銷售額（單位：百萬美元）.14圖15：1988-20

4、02年全球刻蝕設備份額變化.14圖16：2007-2018年全球刻蝕設備份額變化.14圖17：2001-2017年各類設備在晶圓廠中的價值占比.15圖18：全球刻蝕市場規模（億美元）.15圖19：利用刻蝕提升制造精度的方法示意圖.16圖20：不同制程中刻蝕工藝的步驟數示意圖.16圖21：2DNAND和3DNAND設備價值占比.17圖22：2DNAND和3DNAND示意圖.17圖23：LamResearch歷年下游客戶占比.17圖24：全球的半導體設備銷售額和中國大陸半導體設備銷售額（億美元）.19圖25：中國芯片市場規模和中國芯片本土制造市場規模（億美元）.20圖26：長江存儲刻蝕機中標總數量

5、占比（截止2020年2月底）.21圖27：長江存儲介質刻蝕設備中標數量占比（2020年2月底）.21圖28：長江存儲硅刻蝕設備中標數量占比（2020年2月底）.21表格目錄表1：單個芯片集成元件數量的演進.4表2：2018年前六大半導體設備公司主要產品分布.9表3：全球前六大半導體設備廠商歷年市場份額.9表4：歷代主流光刻機的主要特點.12表5：2019年前道光刻機全球出貨量.12表6：兩種主要等離子干法刻蝕技術的對照.13表7：部分半導體設備的海外領先企業和國內追趕企業.18表8：2018年底全球晶圓加工產能分布（8寸當量）.19rQrOoOtPmRtNpNoPsNyRnO9P9R8OpNn

6、NtRrRkPrRoNkPnPuMaQpPxPNZrNsMvPmMzQ1.半導體設備推動芯片制造業的發展1.1半導體設備推動摩爾定律的實現半導體是指在某些條件下導電某些條件下不導電的一類材料，生活中常用“半導體”一詞來泛指半導體電子元器件。集成電路是最重要的一類半導體器件，又稱為芯片。1906年美國人德福雷斯特（LeeDeForest）發明了世界上第一個真空三極管，1947年貝爾實驗室發明了固態晶體管，1957年位于美國加州的仙童半導體公司（FairchildSemiconductor）制造出第一個商用平面晶體管。1959年，仙童公司和德州儀器公司（TexasInstruments）分別在硅片

7、和鍺片上完成了微縮電路的制造，集成電路就此誕生。自問世以來，單個芯片上集成的元件數量不斷增長。1965年英特爾（Intel）創始人之一戈登摩爾（GordonMoore）提出，在價格不變的情況下一塊集成電路上可容納的元器件的數目將每18-24個月增加一倍，性能也將提升一倍，這就是著名的摩爾定律。自20世紀60年代到21世紀的前十幾年，摩爾定律完美詮釋了集成電路的發展歷程。摩爾定律的背后是半導體設備的不斷精進。集成電路多以單晶硅為基底材料，成千上萬的元器件和導線經過一些列工藝被“雕刻”在硅片上，完成這些“雕刻”步驟的工具就是半導體設備?！暗窨獭本鹊奶嵘龓碓骷叽绲目s小，現今的晶工藝尺寸是以納

8、米級計量的。集合了全球頂尖制造技術的半導體設備在過去半個世紀中不斷推動著人類工業文明的進步。表1：單個芯片集成元件數量的演進分類誕生時間元件數量小規模集成電路（SSI）20世紀60年代前期2100中規模集成電路（MSI）20世紀60年代中期1001000大規模集成電路（LSI）20世紀70年代前期100010萬超大規模集成電路（VLSI）20世紀70年代后期10萬100萬特大規模集成電路（ULSI）20世紀90年代前期100萬1000萬巨大規模集成電路（GSI）20世紀90年代中期1000萬以上資料來源：研究所1.2不同的設備在芯片制造過程中分工明確半導體設備主要可以分為前道設備和后道設備，前

9、道設備是指晶圓加工設備，后道設備是指封裝測試設備。前道設備完成芯片的核心制造，后道設備完成芯片的包裝和整體性能測試，因此前道設備通常技術難度更高。圖1：晶圓加工過程示意圖資料來源：半導體制造技術，研究所前道的晶圓加工工藝包括氧化、擴散、退火、離子注入、薄膜沉積、光刻、刻蝕、化學機械平坦化（CMP）等，這些工藝并不是單一順序執行，而是在制造每一個元件時選擇性地重復進行。一個完整的晶圓加工過程中，一些工序可能執行幾百次，整個流程可能需要上千個步驟，通常耗時六到八個星期。這些工藝的大體作用如下：w氧化、退火工藝的主要作用是使材料的特定部分具備所需的穩定性質；w擴散、離子注入工藝的主要作用是使材料的特

10、定區域擁有半導體特性或其他需求的物理化學性質；w薄膜沉積工藝（包括ALD、CVD、PCD等）的主要作用是在現有材料的表明制作新的一層材料，用以后續加工；w光刻的作用是通過光照在材料表面以光刻膠留存的形式標記出設計版圖（掩膜版）的形態，為刻蝕做準備；w刻蝕的作用是將光刻標記出來應去除的區域通過物理或化學的方法去除，以完成功能外形的制造；wCMP工藝的作用是對材料進行表面加工，通常在沉積和刻蝕等步驟之后；w清洗的作用是清除上一工藝遺留的雜質或缺陷，為下一工藝創造條件；w量測的作用主要是晶圓制造過程中的質量把控。集成電路就在沉積、光刻、刻蝕、拋光等步驟的不斷重復中成型，整個制造工藝環環相扣，任一步驟

11、出現問題，都可能造成整個晶圓不可逆的損壞，因此每一項工藝的設備要求都很嚴格。如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻機是打草稿的畫筆，刻蝕機則是雕刻刀，沉積的薄膜則是用來雕刻的材料。光刻的精度直接決定了元器件刻畫的尺寸，而刻蝕和薄膜沉積的精度則決定了光刻的尺寸能否實際加工，因此光刻、刻蝕和薄膜沉積設備是芯片加工過程中最重要的三類主設備，占前道設備的近70%。圖2：典型晶圓加工廠的廠房區域布局資料來源：半導體制造技術，研究所注：剪頭代表硅片流程后道設備可以分為封裝設備和測試設備，其中封裝設備包括劃片機、裝片機、鍵合機等，測試設備包括中測機、終測機、分選機等。后道設備的功能較易理解，劃片機將整個晶

12、圓切割成單獨的芯片顆粒，裝片機和鍵合機等完成芯片的封裝，測試設備則負責各個階段的性能測試和良品篩選。1.3半導體設備市場高度集中1.3.1市場空間隨下游半導體變化根據日本半導體制造業協會統計，2018年全球半導體設備銷售額為645億美元。世界半導體貿易統計協會（WSTS）的數據顯示，2018年全球半導體銷售額為4688億元，其中集成電路3633億元；2019年由于存儲器降價明顯，全球半導體銷售額下滑為4090億美元，其中集成電路3304億美元。近些年來半導體設備的銷售額與集成電路銷售額的波動大體同步，也體現了行業資本投資存在一定周期性。圖3：全球半導體設備銷售額和集成電路銷售額（單位：億美元）

13、存儲器邏輯芯片模擬芯片微處理器右軸：半導體設備4,5004,0003,5003,0002,5002,0001,5001,00050070060050040030020010001999200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820190資料來源：日本半導體制造業協會，WSTS，Wind，研究所1.3.2細分領域市場多為寡頭壟斷半導體設備中晶圓加工設備價值占比超過80%，其余為封裝和測試設備。在晶圓加工設備中，光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備三類主要設備合計價值占比接近70%。圖4：2017

14、年半導體設備和晶圓廠設備市場份額資料來源：SEMI，中微公司招股說明書，研究所全球半導體設備市場高度壟斷，其中最重要的設備制造廠商包括阿斯麥（ASML）、應用材料（AppliedMaterials）、東京電子（TokyoElectron）、泛林半導體（LamResearch）、科磊半導體（KLA-Tencor）、迪恩士（SCREEN）、日立高新（Hitachi）、泰瑞達（Teradyne）、愛德萬（Advantest）等等。這些廠商通常專注于某個領域，并在擅長的領域擁有較高的市場份額。圖5：2018年光刻機市場份額圖6：2018年刻蝕機市場份額尼康11%其他佳能7%6%應用材料19%其他9%阿

15、斯麥76%東京電子20%泛林52%資料來源：Gartner，鯨準2019集成電路行業研究報告，研究所資料來源：Gartner，鯨準2019集成電路行業研究報告，研究所圖7：2018年CVD市場份額圖8：2018年PVD市場份額其他UlvacEvatec5%6%其他4%30%應用材料30%泛林19%東京電子21%應用材料85%資料來源：Gartner，鯨準2019集成電路行業研究報告，研究所資料來源：Gartner，鯨準2019集成電路行業研究報告，研究所圖9：2017年CMP市場份額圖10：離子注入機全球市場份額東京精密其他電子1%1%荏原27%應用材料71%其他10%Axcelis20%應用

16、材料70%資料來源：電子產品世界，研究所資料來源：前瞻產業研究院，研究所圖11：前道晶圓檢測設備市場份額圖12：2017年后道檢測設備市場份額其他其他28%科磊50%科休23%泰瑞達35%7%日立10%科利登7%愛德萬28%應用材料12%資料來源：中國產業信息網，研究所資料來源：華商情報網，研究所表2：2018年前六大半導體設備公司主要產品分布阿斯麥應用材料泛林東京電子科磊SCREEN光刻機涂膠顯影刻蝕機清洗熱處理ALDCVDPVD離子注入CMP前道檢測資料來源：研究所表3：全球前六大半導體設備廠商歷年市場份額2009201020112012201320142015201620172018應用

17、材料17.1%17.9%15.6%17.3%18.1%17.4%18.2%18.8%19.2%17.6%阿斯麥10.3%14.1%16.0%14.0%17.6%16.5%14.8%14.2%14.8%16.0%東京電子10.9%12.4%12.6%12.2%10.5%11.8%11.2%11.4%12.7%13.5%泛林5.6%7.1%5.7%7.3%10.0%10.3%12.5%11.9%14.0%13.4%科磊6.4%5.8%6.4%7.2%7.1%6.1%6.0%6.1%5.5%5.3%SCREEN7.9%6.1%6.4%5.9%5.9%4.7%4.5%4.9%4.1%4.1%合計份額5

18、8.2%63.4%62.7%63.9%69.1%67.0%67.3%67.3%70.3%69.8%資料來源：Bloomberg，研究所主要的設備廠商中，阿斯麥在光刻機領域擁有絕對優勢，應用材料、東京電子和泛林半導體則在刻蝕和薄膜沉積等領域寡頭壟斷，而科磊和迪恩士等則利用其在某項領域的技術優勢獲得一定市場份額。從市場份額情況可以看出，光刻機、刻蝕機和沉積設備三類主設備廠商擁有絕對的優勢。2.半導體設備行業需要理解的三個問題2.1為何設備企業在客戶集中度很高的情況下仍擁有定價權？2018年全球半導體設備銷售額為645億美元，僅四家晶圓廠（臺積電，三星，海力士，美光）的采購額就接近450億美元，半導體設備的客戶集中度極高。依照產業經濟學的一般規律，下游客戶集中度越高，行業的定價權越弱，然而半導體設備卻打破了這個規律。近年來，半導體設備的增速往往快于整個半導體行業的增速，半導體設備在整個產業鏈中擁有越來越多的定價權。我們認為主要原因有三點：產業鏈復雜，技術進步快，