國產率提升至35%！詳解半導體設備主要工序國產化機會，已取得哪些成就？
特別是美國的芯片企業、半導體設備企業，影響非常大，比如intel、AMD、美光、高通、Nvidia等，業績下滑嚴重，還有韓國三星、SK海力士也是業績降低冰點。
不過，國內多家半導體設備公司業績卻接連報喜，比如華海清科2022年營收增長109.03%；凈利潤增長159.97%；再比如拓荊科技營收增長125.02%，凈利潤增長438.09%。還有盛美上海、北方華創、中微公司等多家公司，之前都發布了業績快報表示，營收、利潤大增長。
為什么會這樣呢？原因非常簡單，那就是越來越多的中國晶圓企業，開始使用國產設備，培養國產供應商，減少對美企的依賴，所以國產廠商業績大增。
按照SEMI（國際半導體產業協會）的數據顯示，2022年中國晶圓廠商半導體設備國產化率較2021年明顯提升，從21%提升至35%，進步明顯。
而國產設備的使用增加，自然進口就減少了，SEMI預測，去年美國半導體設備廠商，在中國的營收至少減少了50億美元左右，這些市場，就是被中國本土半導體設備廠商替代掉了。
從具體的種類來看，我們在去膠、清洗、熱處理、刻蝕及CMP領域內國產替代率較高，均高于30%了。
芯片主要制程國產化機會拆解
一、主制程設備及零部件的國產化機會詳解
IC工藝對應流程主要分為硅片制造、前道與后道芯片制造環節。其中，前道芯片制造是被卡脖子最嚴重的環節，設備種類最多、復雜度最高，其流程主要包含薄膜沉積、光刻、刻蝕、離子注入、氧化擴散、CMP以及金屬化。
半導體集成電路制造前道工藝可以分為前半段器件形成工藝（包括在硅基板內做成三極管等元器件），后半段布線工藝（包括在硅基板上進行金屬布線）。通過下圖可以發現，鍍膜、光刻、刻蝕、離子注入及熱處理設備的技術壁壘高，在主制程中使用頻次較高。
中國大陸地區已能實現28nm芯片量產以及14nm芯片小規模量產，但與臺積電、三星等可以制備的3nm節點仍有較大差距。目前，半導體設備領域已開始補全中低制程，但由于前道設備的技術積累薄弱，鍍膜機、光刻機、離子注入機等設備的國產化率仍較低。
（一）鍍膜設備：CVD需求成倍增長
在硅片上沉積薄膜有多種技術，按工藝主要分為化學工藝和物理工藝：化學工藝包括化學氣相沉積（CVD）和電化學沉積（ECD）；物理工藝即物理氣相沉積（PVD）。CVD是利用等離子體激勵、加熱等方法，使反應物質在一定溫度和氣態條件下，發生化學反應并沉積在襯底表面，進而制得薄膜的工藝。PVD是一種利用濺射或蒸發等物理方法，團簇在真空環境中的襯底上凝聚，形成涂層的過程。由于化學活性基團比物理團簇活性更高、鉆孔性更強，CVD鍍膜的保型性比PVD更好。
隨著技術節點不斷微縮，無法通過光刻一步完成細線條制備時，可使用側墻轉移法有效減小線寬，而側墻轉移法帶來多次鍍膜的需求。另外，隨著器件結構由平面結構過渡到FinFET以及GAA立體結構，對鍍膜的臺階覆蓋度要求進一步提高。CVD相較于PVD，鍍膜保型性更好，因此，CVD占鍍膜設備80%的價值量。
如下圖所示，不同種類的CVD滿足了不同技術節點半導體工藝的技術需求。隨著邏輯器件技術節點進入到5nm及以下，單片三維集成通過將不同功能模塊重新分層排布后進行垂直堆疊，并使用垂直互連實現層間的數據交換，大幅縮短了互連長度、提高了互連密度、優化了互連結構，進而提升了系統的集成度、帶寬和能效。但單片三維集成面臨一個嚴峻挑戰——上層器件的熱預算受制于下層器件的退化行為。因此，能夠滿足襯底低溫鍍膜的熱絲CVD或可成為單片三維集成的上層器件主流鍍膜設備。
在傳統CVD領域，我國設備大廠奮起直追。其中，北方華創：布局APCVD、LPCVD、PECVD、ALD；沈陽拓荊：布局PECVD、SACVD、ALD，產品已廣泛應用于國內14nm及更寬節點的晶圓制造產線；中微公司：2022年針對Mini LED市場的MOCVD實現0-1放量；盛美：SiN LPCVD客戶端進行量產認證，未來有望放量。
在未來5nm及以下節點器件中，大廠尚不具備熱絲CVD的研發能力，具備熱絲CVD自研能力的創業公司值得關注。
（二）光刻機：上游零部件國產創業公司值得重點關注
光刻機決定了半導體加工的最細線寬，是所有半導體制造設備中技術含量最高的設備，也是從底層光學原理到頂層機械自動化、OPA技術的集大成者。
從全球市場來看，ASML獨占鰲頭，成為唯一的一線供應商，旗下產品覆蓋全部級別光刻機。IC前道光刻機出貨量占64%。而Nikon雖然高開低走，但其憑借多年的技術積累，勉強保住二線供應商地位。Canon則完全屈居三線。
反觀國內的后起之秀——上海微電子，則暫時只能提供低端光刻設備，由于光刻設備對知識產權和供應鏈要求極高，短期很難達到國際領先水平。在光刻領域，高鵠團隊建議關注相應的零部件公司和配套涂膠顯影設備公司。
熱涂膠顯影設備包括涂膠機、噴膠機、顯影機，是光刻工序中與光刻機配套使用的設備。全齊前道涂膠顯影設備銷售額由2013年的14.07億美金增長至2018年的23.26億美金，年復合增長率達到10.58%，預計23年市場規模約24.76億美金。
全球涂膠顯影設備被日本東京電子高度壟斷，其全球市占率約90%，亟待國產替代。而涂膠機主要技術壁壘在于轉軸的制備，高鵠團隊建議關注具備轉軸自研能力的相應國產創業公司。
在02專項光刻機項目中，我國欲對標ASML現階段最強DUV光刻機-NXT：2000i。以NXT：2000i為例，各個子系統拆分為：上海微電子負責光刻機設計和總體集成，科益虹源提供光源系統，國望光學提供物鏡系統，國科精密提供曝光光學系統，華卓精科提供雙工作臺，啟爾機電提供浸沒系統。該等上游零部件創業公司都值得重點關注。
（三）刻蝕：日美廠商頭部集中、國內頭部公司地位形成
刻蝕是指通過移除晶圓表面材料，在晶圓上根據光刻團進行微觀雕刻，將圖形轉移到晶圓表面的工藝。
刻蝕機技術發展趨勢：
? 隨著線寬尺寸不斷縮小，片內刻蝕均勻性及工藝負載控制能力成為關鍵技術指標。
? 隨著三維堆疊技術不斷應用，對刻蝕形貌、粗糙度、深寬比和準直度有苛刻要求。
? 根據IRDS預測，5nm及以下節點有可能引入Ge、SiGe等新材料，相應的，對于Ge/SiGe器件的刻蝕提出要求。
? 而先進節點器件的柵介質層厚度往往在5nm以下，則對刻蝕機提出了原子層級的控制要求。
刻蝕機技術壁壘顯著，全球刻蝕機市場的集中度高，長期被泛林半導體、東京電子、應用材三大巨頭占據（占比90%）。在細分介質刻蝕機市場中，東京電子處于領先地位，市占率達52%，國內中微公司的市占率僅達到3%。
同時，國內刻蝕機市場，頭部公司地位也已形成，留給創業公司的機會有限。中微公司占據20%的份額，僅次于國外的泛林半導體，北方華創占據6%市場份額。中微領軍國內介質刻蝕，北方華創則領軍國內硅刻蝕。
（四）離子注入機：低能大束流成為終極目標
離子注入機主要有兩大技術參數指標：
? 劑量：離子劑量是單位面積硅片表面注入的離子數。當離子注入機中正雜質離子形成離子束，它的流量被稱為離子束電流，單位是mA。離子束電流越大，單位時間內注入的粒子數越多。大束流有助于提升產量，但高均勻性很難達成。
? 射程：離子射程是離子注入過程中串通硅片的總深度。離子注入機的能量越高，雜質原子打入硅片越深，射程越大。
低能大束流離子注入機設備壁壘較高，國際IC注入機巨頭美國應用材料公司也是通過收購Varian，才補全低能大束流離子注入機的版圖，構成最全注入機產品矩陣。而我國設備類大廠在低能大束流注入機領域的市場占有率幾乎為0。
（五）熱處理工藝：激光退火或為終極退火解決方案
熱處理工藝主要用在氧化、擴散、退火、合金幾個半導體加工步驟中，其中退火工藝隨著技術節點的減小，對于設備的要求變化最大。
退火工藝經過近60年的發展，針對于不同技術節點、不同應用，已有5類退火設備。
傳統的爐退火工藝的退火時長在小時量級，常用于材料改性、應力釋放等環節。但對于雜質離子，在小時量級時長的退火中，擴散距離過長，無法保證界面處激活雜質離子濃度及隔離區域的電學穩定性。RTP（快速熱退火設備）應運而生，可以實現全片秒級退火，滿足28nm及以上節點制程需求。但是對于更先進制成的邏輯器件，源漏接觸電阻率要低于10-9甚至10-10量級，此時需要退火設備的退火時間更短，并且不破壞源漏區域外其他部分摻雜離子的雜質分布。雖然閃光退火可達到毫秒級別，但仍然無法滿足定域退火的需求。而目前最先進的激光退火方式可以達到納秒級別的定域退火，或為終極退火解決方案。
全球熱處理設備市場呈寡頭壟斷格局，美國應用材料、東京電子、日立國際電氣三大國際巨頭廠商壟斷了超80%的市場份額。國內廠商中，非激光退火類設備屹唐半導體市占率5%，北方華創市占率0.2%。激光退火類設備為新興領域，具備自研技術實力、工藝理解能力以及量產能力的創業公司值得期待。
（六） CMP：先進制程+SiC拋光或為創業公司破局之道
化學機械拋光（CMP）是半導體集成電路制造前道工序和先進封裝環節的必備環節，指用化學腐蝕及機械力對加工過程中的硅晶圓或其它襯底材料進行平坦化處理。CMP市場主要分為設備和耗材（拋光液、拋光墊），其中CMP耗材占接近68%，CMP設備為32%。
據Business Wire預測，2020年至2027年，全球CMP設備市場規模將從20億美元增長至29億美元，CAGR達5.8%。但全球CMP設備市場呈現高度壟斷格局，美國應用材料一家獨大，2019年市占率達到70%，而位居第二的日本荏原機械僅為25%。
CMP設備的國產化率約18%，目前主要以中低端產品為主，大部分高端CMP設備仍依賴進口。美國應用材料公司和荏原的CMP設備均已達到5nm制程工藝，華海清科的CMP設備則主要應用于28nm及以上制程生產線，14nm制程工藝仍在驗證中，技術水平與兩家巨頭仍存在一定差距。
另外，由于第三代半導體碳化硅相較于硅禁帶寬度和擊穿場強更大，適用于功率器件。經預測，2027年全球碳化硅功率器件市場規模有望達62.97億美元，2021-2027年CAGR達34%；其中汽車市場碳化硅功率器件規模有望達49.86億美元，占比達79.2%。但是，由于碳化硅材料硬度大，針對傳統硅基的CMP設備無法滿足碳化硅器件制備過程中的拋光要求。美國應用材料公司的碳化硅CMP設備也還在預研階段。我國或許具備在碳化硅CMP領域換道超車的機會。
（七）從通用性及國產化率看零部件國產化替代機會
高鵠團隊整理了CVD、刻蝕設備、離子注入設備、熱處理設備的具體構造以及零部件的國產化率，從零部件通用性以及國產化率角度出發，分析了2023年值得關注的零部件種類為：真空泵、真空閥、ESC、結構件。
真空子系統包含用于真空獲得、真空測量、真空檢漏的零部件，用于半導體產品制造領域的代表性產品為干式真空泵。真空子系統市場規模約27億美元，60%份額由歐洲生產商貢獻。其中，前三大歐洲生產商——Edwards、Pfeiffer和VAT，貢獻了全球55%的市場份額。
ESC可通過靜電吸附作用來固定晶圓，確保晶圓不會發生翹曲變形，保證加工精度和潔凈程度。目前普遍的靜電吸盤技術主要是以氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷作為主體材料。ESC市場具有高度壟斷性，主要由日本和美國等企業主導，包括美國應用材料、美國LAM、日本新光電氣、日本TOTO等公司。前四大企業占據90%以上的全球市場份額。
超高純陶瓷/碳化硅結構件是用于半導體氧化擴散設備中的爐管、立式舟、底座和擋板的重要零部件。要求在1000℃以上高溫環境下仍能保持高硬度，并可將熱量快速、均勻傳導。目前90%的市場被日本特殊陶業、京瓷基團壟斷。
二、量檢測設備的國產化機會詳解
從技術路線原理上看，檢測和量測主要包括光學檢測技術、電子束檢測技術和X光量測技術。三種技術的差異主要體現在檢測精度、檢測速度及應用場景上。結合三類技術路線的特點，應用光學檢測技術的設備可以相對較好實現高精度和高速度的均衡，并且能夠滿足其他技術所不能實現的功能，如三維形貌測量、光刻套刻測量和多層膜厚測量等應用。根據VLSI Research和QY Research的報告，在2020年全球半導體檢測和量測設備市場中，應用光學檢測技術、電子束檢測技術及X光量測技術的設備市場份額占比分別為75.2%、18.7%及2.2%，可以看出應用光學檢測技術設備具有領先的市占率優勢。
未來檢測和量測設備的技術提升主要體現在三個方面：提高檢測技術分辨率、加強大數據檢測算法和軟件的自主研發、提升設備檢測速度和吞吐量。
? 分辨率：隨著 DUV、EUV光刻技術的不斷發展，集成電路工藝節點的不斷升級，市場對檢測技術的空間分辨精度也提出了更高的要求。未來設備制造廠商必須使用更短波長的光源以及更大數值孔徑的光學系統，才能進一步提高光學分辨率。
? 軟件與算法：在達到或接近光學系統極限分辨率的情況下，光學檢測技術在依靠解析晶圓圖像來捕捉其缺陷的基礎之上，還需要結合深度的圖像信號處理軟件和算法，在有限的信噪比圖像中尋找微弱的異常信號。然而目前市場上并沒有可以直接使用的軟件，因此，業內企業均需在自己的檢測和量測設備上，自行研制、開發算法和軟件。
? 吞吐量：半導體質量控制設備是晶圓廠的主要投資支出之一，因此設備的性價比是其選購時的重要考慮因素。質量控制設備檢測速度和吞吐量的提升將有效降低晶圓檢測成本，從而實現降本增效。
受益于晶圓廠擴張擴產，前道量測設備市場空間廣闊。根據集微咨詢統計，中國大陸共有23座12英寸晶圓廠正在投入生產，總計月產能約為104.2萬片，與總規劃月產能156.5萬片相比，仍有較大擴產空間。據預測，中國大陸2023年、2024年每年將新增5座12英寸晶圓廠。
同時，晶圓面積增大的趨勢下，對良率要求越來越嚴格，也增加了對量測及檢測設備的需求。2016年至今，國內半導體設備和檢測與量測設備市場快速發展，VLSI Research數據顯示，中國大陸2020年市場規模超過21億美元，五年CAGR為31.6%，再次成為全球最大的檢測與量測設備市場。
經過多年潛心研究和技術經驗積累，我國檢測與量測設備行業實現較大突破，以中科飛測、上海睿勵、上海精測為代表的的國產廠商開始發力，部分產品已經出現在中芯國際、長江存儲、長電科技、華天科技、通富微電等國內主流集成電路制造產線，打破了在質量控制設備領域國際設備廠商對國內市場的長期壟斷局面。
國產半導體設備取得新突破
半導體設備領域種類繁多，制造原理各異，從整體上看，相比于海外企業，國內廠商的技術實力仍有差距。不過，近年來，國產化浪潮洶涌奔來，國內企業以敏銳的直覺抓住發展時機，共同為國產化替代化目標加速努力中。而近期，國內部分半導體設備企業陸續傳來佳音。
01、萬業企業：凱世通離子注入機訂單均為集成電路離子注入機
4月19日，萬業企業在投資者互動平臺表示，嘉芯半導體預計 2025年將成為達到年產2450臺8吋和12吋主制程及支撐制程設備的研發制造基地。
此前，萬業企業就透露，目前公司旗下凱世通的離子注入機訂單均為集成電路離子注入機。
02、勁拓股份：已經研制出半導體芯片封裝爐等國產空白的半導體設備
4月21日，勁拓股份在互動平臺表示，公司致力于攻關封測環節和硅片制造環節一些有技術壁壘且國產空白的半導體設備，目前已經研制出半導體芯片封裝爐、Wafer Bumping焊接設備、真空甲酸焊接設備、甩膠機、 氮氣烤箱、無塵壓力烤箱等多款設備產品。
勁拓股份稱，未來公司將繼續推動技術延展、產品升級，拓寬在IGBT、IC載板、Wafer Bumping、Clip Bonding、FCBGA等生產制造領域的應用，基于優質的進口替代設備產品，為推動半導體產業鏈自主可控貢獻力量。
03、盛美上海：交付國外客戶的兩臺新型設備正進行驗證
據科創板日報報道，盛美上海董事長HUI WANG于4月21日在業績會上表示，“公司預計將向美國和歐洲市場積極開展銷售，交付給美國主要制造商的兩臺新型設備正在順利進行驗證，預計通過驗證后會給公司帶來更多訂單。”
2023年以來，盛美上海頻傳佳音。2月底，盛美上海宣布獲得來自歐洲一家全球性半導體制造商的首個12腔單片SAPS兆聲波清洗設備訂單，預計將于2023年第四季度交付至該客戶的歐洲工廠。
3月底，盛美上海首次獲得Ultra C SiC碳化硅襯底清洗設備的采購訂單。該訂單來自中國領先的碳化硅襯底制造商，預計將在2023年第三季度末發貨。
據悉，盛美上海自主研發出的SAPS、TEBO兆聲波清洗技術和Tahoe單片槽式組合清洗技術為全球首創，可應用于45nm及以下技術節點的晶圓清洗領域。
04、芯碁微裝：新能源光伏領域光刻設備已具備產業化應用條件
4月21日，光刻設備供應商芯碁微裝在投資者互動平臺表示，在泛半導體領域，公司產品應用在IC、MEMS、生物芯片、分立功率器件等制造、IC掩膜版制造、先進封裝、顯示光刻等環節，應用場景不斷拓展。
其中，在新能源光伏領域，電鍍銅作為光伏去銀降本重要技術，曝光設備空間廣闊，公司在該領域光刻設備已具備產業化應用條件，目前設備已在多家下游客戶進行驗證，公司將進一步完善對前沿技術領域的探索及產業化驗證，夯實公司在該領域內的先發技術優勢，為新增產能的未來消化提供堅實的支撐。
05、精測電子：半導體硅片應力測量設備正在驗證過程中
4月18日，半導體量測設備企業精測電子在投資者互動平臺表示，公司明場光學缺陷檢測設備、半導體硅片應力測量設備已完成首臺（套）的交付，目前正在驗證的過程中。
除此之外，精測電子高壁壘的明場光學缺陷檢測設備已取得突破性訂單，在國內具備核心卡位優勢，未來有望拓展至更多客戶。其余儲備的產品目前正處于研發、認證以及拓展的過程中。
06、芯米半導體：首臺幻影12英寸光刻工藝涂膠顯影設備XM300交付客戶
4月8日，芯米（廈門）半導體設備有限公司（以下簡稱“芯米半導體”）首臺自研自創幻影12英寸光刻工藝涂膠顯影設備XM300已成功交付國內一線客戶。
07、北京爍科中科信碳化硅離子注入機交付
據“北京爍科中科信”4月初消息，北京爍科中科信電子裝備有限公司（以下簡稱“北京爍科中科信”）碳化硅離子注入機順利交付。
目前，北京爍科中科信已擁有中束流離子注入機、低能大束流離子注入機、高能離子注入機和定制離子注入機四種產品。
此前，3月31日，北京爍科中科信表示，公司一季度實現設備交付及市場訂單雙突破。北京總公司和長沙分公司實現12臺離子注入機先后順利交付，同比增長300%，僅3月份就交付5臺設備。一季度新簽合同再創新高，合同總額突破3.5億元，同比增長21%。
總結
但大家在高興之余，也要正視一個事實，那就是在價值量較高設備領域內國產化率較低，
在芯片制造的過程中，半導體設備大致可以分為11大類，50多種機型，其核心有光刻機、刻蝕機、薄膜沉積機、離子注入機、CMP設備、清洗機、前道檢測設備和氧化退火設備八大類。
在這核心的設備上，我們的國產化占比還較低，比如光刻機、離子注入機等，其國產化率合計不足5%，特別是光刻機，這個最關鍵的設備，國內的技術還落后太遠太遠。
