半导体设备全景图：国产替代加速，12大设备龙头全梳理
半导体设备全景图：国产替代加速，12大设备龙头全梳理，半导体设备龙头企业,国内第一梯队引领设备国产化
近年来，美国对华半导体限制层层深入，从卡芯片（华为不能买芯片），到卡制造（华为不能找代工），卡设备（中芯国际买不到最先进设备），沿产业链条向上。
继2022年10月美国对中国大陆半导体设备制裁升级后，2023年荷兰、日本相继加入限制阵营，主要聚焦在先进制程领域。
近年来，国家层面始终坚定并不断强调集成电路产业重要性和产业链自主可控必要性，并从政策和市场两方面推动行业发展。
在自主安全和国产替代背景下，本土化成为趋势，半导体设备进口替代逻辑持续强化。随着晶圆厂加速国产设备导入，半导体设备各环节国产替代有望加速发展。
设备是奠定半导体产业发展的基石。
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关键支撑环节。
半导体设备在半导体产业链的位置：
半导体专用设备是半导体产业的技术先导者，芯片设计、晶圆制造和封装测试等需在设备技术允许的范围内设计和制造，设备的技术进步又反过来推动半导体产业的发展。
以半导体产业链中技术难度最高、附加值最大、工艺最为复杂的集成电路为例，应用于集成电路领域的设备通常可分为前道工艺设备（晶圆制造）和后道工艺设备（封装测试）两大类。
在晶圆制造中，可分为7大工艺，分别为氧化/扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、清洗和金属化，所对应的专用设备主要包括氧化/扩散设备、光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备等。
集成电路主要资本开支中用于芯片制造设备的设备投资占比约80%。
半导体设备分类：
资料来源：《半导体制造技术》
半导体设备核心环节硅片制造是半导体加工的第一大环节。
行行查 | 行业研究数据库 资料显示，硅片制造过程中涉及的设备主要分为生长炉以及其他加工设备，后者包括切割机、磨片机、刻蚀机、抛光机、清洗机等。
晶圆制造过程复杂，涵盖的工序较多。
硅片在经过研磨，抛光，切片后，形成硅晶圆片，也就是晶圆。
晶圆制造的工艺流程主要包括扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化。典型的晶圆制造过程复杂耗时，需要花费6-8周的时间，涵盖350多道步骤。
晶圆制造过程中，主要运用到的核心设备有薄膜沉积设备、光刻设备和刻蚀设备；而PVD/清洗/量测设备市场规模位于第二梯队。
集成电路制造主要是是通过薄膜沉积、光刻和刻蚀三大工艺循环，将所有光罩的图形逐层转移到晶圆上。
刻蚀作为晶圆前道生产工艺中最重要的三类设备之一，价值量占比达到25%。
随着半导体器件结构复杂程度提升，尤其线宽缩小不结构3D化也横向拉动单一半导体器件刻蚀用量大幅提升。
刻蚀技术主要分为干法刻蚀与湿法刻蚀。
干法刻蚀主要利用反应气体与等离子体进行刻蚀，湿法刻蚀主要利用化学试剂与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀。干法刻蚀是目前主流的刻蚀技术。
SEMI预计未来5年，全球刻蚀设备市场有望实现5%的复合年增速，预计2025年市场规模将达到155亿美元。
刻蚀设备分类及主要应用领域：
全球刻蚀设备市场格局来看，厂商竞争激烈，中国企业崭露头角。
据Gartner的数据，全球刻蚀机的市场份额仍被泛林半导体（46.71%）、东京电子（26.57%）和应用材料（16.96%）三巨头主导。
日立高新和细美事分别占据全球3.45%和2.53%的市场份额。
国内中微公司在全球市场的占有率为1.37%，科磊占比1.23%，北方华创占比0.89%，爱发科占比0.19%，屹唐半导体占比0.10%。
薄膜沉积设备通常用于在基底上沉积导体、绝缘体或者半导体等材料膜层，使之具备一定的特殊性能。
薄膜沉积设备按照工艺原理的不同可分为物理气相沉积（PVD）设备、化学气相沉积（CVD）设备和原子层沉积（ALD）设备。
CVD占沉积设备整体市场份额的64%，其技术路线较多，具有较好的孔隙填充和膜厚控制能力，因此是应用最广的沉积设备。
从市场格局来看，薄膜沉积设备主要被日本、美国和欧洲的厂商主导。
据Gartner数据，PVD设备方面，应用材料具有绝对份额优势，占据85%的市场份额；应用材料、泛林半导体和东京电子是CVD设备市场中的佼佼者，分别占比30%、21%和19%；ALD设备中，东京电子和ASMI是行业龙头，分别占有31%和29%的市场份额。
国内厂商中，北方华创和拓荆科技的薄膜沉积设备研发进展较为领先，中微公司在深耕用于LED制造的MOCVD的同时加码钨填充CVD设备。
北方华创的CVD、PVD等相关设备已具备28nm工艺水平；14nm先进制程薄膜沉积设备与ALD设备已在客户端通过多道制程工艺验证并实现应用。
中微公司的钨填充CVD设备可应用于先进逻辑器件接触孔填充，以及64层、128层和200层以上的3D NAND中的若干关键薄膜沉积步骤。
拓荆科技的部分CVD设备已广泛应用于中国晶圆厂14nm及以上制程集成电路制造产线，并已展开14nm及以下制程产品验证测试；部分ALD设备已应用于中国晶圆厂28nm及以上制程集成电路制造产线，并已展开28nm及以下制程产品验证测试。
光刻机是芯片制造中光刻环节的核心设备，技术含量、价值含量极高。
它采用类似照片冲印的技术，把掩模版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上，经过十余代的发展迭代。
光刻机产业链主要包括上游设备及配套材料、中游光刻机系统集成和生产及下游光刻机应用三大环节，技术极为复杂，涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，部分机型所需的零部件更是多达数十万件，因此光刻机的生产通常涉及上千家供应商。
资料来源：智研咨询
光刻机技术壁垒极高，荷兰阿斯麦一家独大。
2022年ASML光刻机营收约161亿美元，较2021年131亿成长23%，Canon光刻机营收约为20亿美元，Nikon光刻机业务营收约15亿美元，其中Canon与Nikon产品部分光刻机用于面板业，部分用于半导体，2022年三大企业光刻机营收合计接近200亿美元，合计市场份额超过90%。
国内对标产品为ASML的DUV光刻机：TWINSCAN NXT:2000i。以NXT:2000i为例，各子系统拆分如下：上海微电子负责光刻机设计和总体集成，北京科益虹源提供光源系统，北京国望光学提供物镜系统，国科精密提供曝光光学系统，华卓精科提供双工作台，浙江启尔机电提供浸没系统。
上海微电子用于前道制造的600系列光刻机：
资料来源：上海微电子
4、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。
涂胶/显影机作为光刻机的输入（曝光前光刻胶涂覆）和输出（曝光后图形的显影），主要通过机械手使晶圆在各系统之间传输和处理，从而完成晶圆的光刻胶涂覆、固化、显影、坚膜等工艺过程。
其不仅直接影响到光刻工序细微曝光图案的形成，显影工艺的图形质量对后续蚀刻和离子注入等工艺中图形转移的结果也有着深刻的影响，是集成电路制造过程中不可或缺的关键处理设备。
光刻工艺流程：
在前道涂胶显影设备领域，日本厂商东京电子（TEL）在全球的市场份额高达87%。
国产厂商芯源微凭借多年技术积累，于2018年自主研发出首台国产高产能前道涂胶设备，并成功通过下游集成电路制造厂工艺验证。目前芯源微生产的前道涂胶显影设备已获得了多个前道大客户订单及应用。其前道涂胶显影设备业务将显著受益于国产替代机遇。
5、清洗设备半导体清洗是指针对不同的工艺需求对晶圆表面进行无损伤清洗以去除半导体制造过程中的颗粒、自然氧化层、金属污染、有机物、牺牲层、抛光残留物等杂质的工序。
为减少杂质对芯片良率的影响，实际生产中不仅需要提高单次清洗效率，还需在几乎所有制程前后进行频繁清洗。
按照清洗原理来分，清洗工艺可分为干法清洗和湿法清洗，目前90%以上的清洗步骤以湿法工艺为主。
在湿法清洗工艺路线下，主要包括单片清洗设备、槽式清洗设备、组合式清洗设备和批式旋转喷淋清洗设备等，其中以单片清洗设备为主流。
清洗设备分类：
在全球清洗设备市场，日本公司占据主导地位，DNS占据40%以上的市场份额，TEL、SEMES、拉姆研究等也在行业占据了较高的市场份额，市场集中度较高。
国内市场中，DNS和TEL仍然占据较大市场份额，盛美、北方华创则分别占据了10%和5%左右的市场份额，一定程度上打破了进口垄断，开启国产替代。
我国半导体清洗领域的厂商包括盛美上海、北方华创、芯源微和至纯科技等，清洗设备国产化率约为31%。
相比于其他半导体设备，清洗设备的技术门槛较低，未来五年有望率先实现全面国产化。
6、氧化/扩散设备下游对半导体产品性能需求的不断提升，将对上游热处理设备市场产生拉动效应，在此趋势下，热处理设备预计将获得更大的发展空间。
国内屹唐半导体作为唯一一家中国企业以11.50%的市场份额列居第二，国际市场中的其他三位主要公司分别是国际电气、维易科以及斯库林。
化学机械研磨/化学机械抛光（CMP）是目前公认的纳米级全局平坦化精密加工技术。
在硅片制造环节，在完成拉晶、硅锭加工、切片成型环节后，在抛光环节，为最终得到平整洁净的抛光片需要通过CMP设备及工艺来实现。
在集成电路制造环节，芯片制造过程按照技术分工主要可分为薄膜淀积、CMP、光刻、刻蚀、离子注入等工艺环节，CMP设备必不可少。
在先进封装领域，硅通孔（TSV）技术、扇出（Fan Out）技术、2.5D 转接板（interposer）、3D IC等都需要使用CMP设备。
集成电路制造过程及CMP工艺应用场景：
资料来源：华海清科
全球CMP设备厂商中，应用材料占据绝大部分份额，占比70%，其次为荏原机械，占比25%。
国内厂商中也涌现出了一批优秀的企业，主要有华海清科、天隽机电、中电45所、烁科精微等，填补了国内CMP设备厂商空白。但是相比国外厂商，CMP设备国产化率仍有较大提升空间。
目前华海清科CMP设备主要应用于28nm及以上制程生产线，14nm仍在验证，领先于国内其他厂商。其设备已广泛应用于中芯国际、长江存储、华虹集团、大连英特尔、厦门联芯、长鑫存储、广州粤芯、上海积塔等行业内领先集成电路制造企业的大生产线，占据国产CMP设备销售的绝大部分市场份额。
8、离子注入机离子注入机是一个非常庞大的设备，包含了几个子系统：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。
离子注入设备及主要工艺流程：
资料来源：《图解芯片技术》、《半导体制造技术导论》
在离子注入机市场，美国公司垄断绝大部分市场份额，应用材料(AMAT)占据了约70%的市场份额，亚舍立(Axcelis)占据了约20%的市场份额。
日本也拥有日新、日本真空、住友重工等离子注入机知名厂商。
国内企业中，只有凯世通和中科信具备集成电路离子注入机的研发和生产能力。
凯世通（万业企业旗下）自主研发的首台低能大束流离子注入机率先在国内12 英寸主流集成电路芯片制造厂完成设备验证工作。高能离子注入机顺利在某12 英寸集成电路芯片制造厂完成交付，低能大束流重金属离子注入机、低能大束流超低温离子注入机都顺利通过厂商验证。
中科信“90-65nm大角度离子注入机研发及产业化”项目以较高分数通过国家重大专项验收，多种型号的45-28nm离子注入机通过国际尖端工艺的验证。产品包括中束流、大束流、高能、特种应用及第三代半导体等离子注入机，12英寸45-22nm低能大束流离子注入机研发及产业化项目的实施则进入一个全新的自主创新阶段。
9、去胶设备随着先进芯片制造工艺的发展，干法去胶设备的技术不断提高，逐渐成为先进光刻中关键步骤，市场规模也在逐渐扩大。
全球干法去胶设备领域呈现多寡头竞争的发展趋势，前五大厂商的市场份额合计超过90%。
去胶设备国产化率74%。屹唐半导体市占率位居全球第一，已全面覆盖全球前十大芯片制造商和国内行业领先芯片制造商，可用于90nm-5nm逻辑芯片、1y到2x纳米系列DRAM芯片以及32层到128层3D闪存芯片制造中若干关键步骤的大规模量产。
屹唐半导体主要产品为各类等离子体干法去胶设备，其收购的Mattson在去胶领域具有长期技术积累，国产化率相对较高；盛美上海产品为湿法光刻胶剥离设备。
资料来源：Gartner、东方证券
封装与测试是集成电路的后道工序。
在芯片封装完成后，通过测试机和分选机的配合使用，对电路成品进行功能及稳定性测试，挑选出合格成品，并根据器件性能进行分选、记录和统计，保证出厂的电路成品的功能和性能指标符合设计规范，实现对电路生产的控制管理。
分选机将芯片逐个传送至测试位置，测试机对待测芯片施加输入信号，采集输出信号与预期值进行比较，判断芯片的性能和功能有效性，而后分选机根据测试结果对芯片进行取舍和分类。
晶圆检测中的探针台和测试机工作示意图：
资料来源：MJC
10、测试机半导体测试机又称半导体自动化测试机。
测试机对芯片施加输入信号、采集输出信号，并将测试结果通过传送给探针台，探针台据此对芯片进行打点标记，形成晶圆的Map图。
测试机的主要细分领域为模拟测试机（包括分立器件测试机、模拟测试机和数模混合测试机）、SoC测试机、存储器测试机和RF测试机，其技术特点和难点各有不同，单台价格差异也甚远，相对来说模拟测试机技术难度最低单台价值最低，SoC和存储器测试机难度最大、单台价值量较高。
纵观整个测试机市场，国外厂商测试机具有较大领先优势。
中国测试机市场来看，美国企业泰瑞达、科休，日本企业爱德万三家市占率高达84%，国内测试机大厂仅华峰测控、长川科技两家，分别占据8%和5%的份额，无论从测试机总量的增长态势还是从较低的国产化率来看，国产测试机在国内市场中具有较大的市场发展空间。
资料来源：天风证券
技术难度较低模拟测试机已基本实现自产自用，但技术难度要求较高的SoC测试机、存储器测试机及RF测试机国产自给率仍然很低。除模拟测试机能够基本实现国产替代外，其余测试机细分品类的国产自给率仍很低，存储器测试机、RF测试机的国产替代率分别为8%、4%。
至于市占最大的SoC测试机，自给率也较低，仅为10%左右，即使国内如长川科技、悦芯科技等厂商能够开发出SoC测试机，但实现像模拟测试机那样的高自给率还需要较长国产替代进程。
各类测试机国内主要厂商及国内自给率：
资料来源：创道硬科技
11、分选机分选机主要应用于芯片设计检验阶段和成品终测（FT）环节，是终测环节重要检测设备之一。
先进封装多用于功能复杂的电子设备所用芯片，芯片的尺寸既不能太小也不能太大，并且一般呈现扁平形态，对其测试一般会选用平移式分选机；同时，以汽车芯片为例，传统采用重力式分选机的汽车芯片由于尺寸进一步微缩，部分将转向平面式封装；整体来看，平移式分选机优势显著，应用场景进一步拓宽将带来一定的市场增量。
分选机的主要厂商有科休、科利登、爱德万、鸿劲、长川科技等，据半导体产业纵横在2022年统计的数据，其分别占据21%、16%、12%、8%、2%的市场份额，2018年5月科休收购科利登（Xcerra），进一步提升了全球分选机市场的集中度。
本土分选机企业主要有长川科技（重力式和平移式分选机）、金海通（平移式分选机）、上海中艺（重力式分选机）、格朗瑞（转塔式分选机）等。
探针台的主要作用是将晶圆和测试机相连接，具体过程为：探针台将晶圆逐片自动传送至测试位置，芯片的Pad点通过探针、专用连接线与测试机的功能模块进行连接。
探针台要求的精确定位程度非常高，因而具备比分选机更高的壁垒。
全球探针台市场主要由东京精密与东京电子两家日本企业占据，两者的市场份额可以达到80%以上。
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