半导体前道设备行业148页深度研究报告：九类前道设备全面分析
（报告出品方/作者：华西证券，孙远峰、熊军、王海维、王臣复）
一、半导体前道设备的价值为何？
前道设备：行业价值量大且集中度高，占Fab资本支出的70%
前道设备属于资金/人才/技术密集的行业，技术领先是行业竞争关键。根据SEMI数据，2020年全球半导体设备产值为608亿美元。前道设备在产 业链中属于轻资产的技术密集型行业。技术领先的设备才能生产出先进制程的芯片，因此技术是垄断市场的关键。
前道设备竞争格局寡头垄断，行业领先者享有大部分利润：近年来芯片制造工艺已经发展至14nm以下的先进制程，对于前道设备的技术门槛要 求很高，全球前五大设备企业占市场份额70%，形成寡头垄断的市场格局，行业中少数的企业享有大部分的市场利润。
前道三大关键设备:光刻/刻蚀/CVD沉积，决定芯片技术节点
图形转移至芯片的制程如下：（1）薄膜沉积工艺（CVD/氧化）在晶圆上沉积一层待处理的薄膜。(2)光刻工艺：把光刻胶涂抹在薄膜上，再通过 曝光光刻和显影将光罩上的图形转移至光刻胶（3）刻蚀工艺：刻蚀晶圆上未被光刻胶覆盖的区域，将光刻胶上的图形转移到晶圆商。最后去除光 刻胶后，即完成图形从光罩到晶圆的转移。
先进制程采用多重图形工艺，实现芯片微缩：芯片的先进制程总共需要数十层掩模版和数百道的刻蚀和薄膜沉积工艺。在紫外光波长只有193nm的 情况下，为了使得芯片达到14nm以下的线距，需通过反复循环刻蚀和薄膜沉积，逐层将掩膜板上的细微结构图形转移到晶圆上。
前道设备价值持续提升：摩尔定律使得每代芯片降本增效
前道设备的价值量未来十年可望随着摩尔定律持续提升。全球芯片制造龙头台积电已经计划在2025年以前陆续推出5nm/3nm/2nm制程芯片，2030 年以前持续推进3D芯片制造和系统性封装技术。为了获得摩尔定律带来的红利，芯片制造企业将通过前道设备在单位面积内放入更多的电晶体。
未来十年，行业已经具备延续摩尔定律的技术工艺。即使行业部分声音认为半导体距离制程微缩的极限已经不远，摩尔定律将逐渐失效。但是纵 观来看，只要科技持续创新，就仍然有方法提高电晶体的密度，例如：3D芯片制造技术和系统性封装技术。
二、国产前道设备商迎来机遇——国内下游制造密集扩产、国产设备技术成熟
5G/IoT/AI应用驱动：2020年全球半导体设备市场四千亿
新技术和电子产品—>新一代的芯片工艺—>新一代前道设备需求。半导体设备行业拥有领先反映半导体行业变化的特质，半导体行业内存 在“一代设备，一代工艺，一代产品”的经验，5G/IoT/AI等新技术兴起，将促使半导体设备出现新一代设备更换需求。
至2020年，全球半导体设备销售额预计将达600亿美元，近似于4000亿元人民币。根据SEMI研究数据，我们认为，半导体设备市场增长主要 受益于三点：（1）新一代芯片制程工艺提升半导体设备的价格和数量。（2） 5G/IoT/AI等新应用带来芯片制造商扩产需求。（3）中国半 导体芯片自主可控趋势下，中国半导体Fab大规模扩产时对半导体设备的增量需求。
中国芯制造需求驱动：2020年中国半导体设备市场二千亿元
中国将成为全球最大的半导体设备销售市场，国产设备商迎来机遇。根据SEMI数据，至2021年，中国半导体设备销售额预计为2,161亿元。其 中，中国大陆销售额预计为1,151亿元、中国台湾销售额预计为1,010亿元。国内巨大的市场需求为国产设备提供了发展机会。
中国半导体设备的整体国产化率仅12%，其中，前道设备中含金量最高的关键九类设备的国产化率皆甚至在高端工艺中的国产化率近乎 为0。因此，国产前道设备商还有极大的增长空间，前道设备也已成为国家的重点扶持方向。
产业转移机遇:中国为芯片制造中心,全力建构中国芯产业链
中国大陆正是第三次半导体产业链转移的目标地区。每一次半导体转移皆会形成世界级半导体设备公司。全球半导体三次转移过程如下： （1）美国转至日本：在日本成就了一批世界级半导体材料企业，直至今日依然垄断全球半导体原材料供应。（2）日本转至韩国和中国台 湾：在韩国成就了三星、LG、海力士等存储芯片巨头，在中国台湾则成就了全球半导体制造龙头台积电。（3）从中国台湾转移至中国大 陆：国产化趋势将助力中国半导体巨头企业出现。我们预期中微公司将是此趋势下的核心受益者。
中国大陆的芯片自给率仅15%，为了实现国内半导体产业链安全，前道设备自主可控将是长周期趋势。根据SEMI数据，至2018年，中国大陆 集成电路市场规模为10,540亿元，其中国产集成电路市场规模为1,618亿元，自给率仅15%。为了解决国内大规模的芯片贸易逆差，中国开始 大规模投入芯片Fab制造，进而带动半导体设备的大量需求。
三、九类前道设备——国产商最具潜力的领域：刻蚀、CVD、PVD、清洗、量测
光刻机:芯片设计图形转移工艺,全球市场份额每年近640亿元
光刻机的曝光工艺:通过紫外光源照射掩模版，将掩模版上的图形缩小十倍刻印在覆盖晶圆的光刻胶之上，完成图形从掩模版转移至芯片。光刻工艺的流程为(1)光刻胶涂抹：将光刻胶按照离心力均匀涂抹在晶圆上；(2)前烘烤：软烤光刻胶；(3)光刻曝光：使用光学系统，以紫外光照 射掩模版，使得光刻胶上没有掩模版遮蔽的区域化学键会遭到破坏，过程中光源从掩模版投影到晶圆上的图形节点大约会缩小4至10倍，因此，光 刻曝光是芯片制程微缩的关键工艺。例如10nm的芯片是通过100nm的掩模版投影形成； (4) 后烘烤：硬烤光刻胶。(5)化学显影：使用显影液将化 学键被破坏的光刻胶溶解去除，在光刻胶上显影出芯片图形，分为正光阻和负光阻两种，现在普遍使用正光阻；
光刻工艺的设备主要分为两种：（1）光刻曝光设备；（2）涂胶显影设备。其中曝光光刻设备的技术难度和价值较高，是关键前道设备之一。
刻蚀设备:雕塑芯片使制程微缩,全球市场份额每年近770亿元
刻蚀工艺：通过多重图形工艺“多次刻蚀”，使先进制程芯片线距得以持续微缩。预计2020年EUV光刻机导入后，多重图形工艺仍然将继续沿用。
刻蚀工艺在先进制程大量采用：SAMP间距分割技术（也称侧壁图像转移技）是多次刻蚀为主的多重图形工艺。SAMP通过一次高等级光刻，结合多次刻 蚀和CVD沉积工艺制作出芯片的细微图形，相较于LELE多重曝光技术，SAMP在10nm以下的复杂制程更具成本优势，已成为先进制程芯片的主流技术工 艺。SAMP可分为SADP和SAQP两种，其中，SADP二重图形工艺是通过刻蚀将原图形的制程缩小2倍，SAQP四重图形工艺是将图形缩小为4倍。
刻蚀工艺数量大幅增加：在广泛应用的四重图形工艺中，光刻/刻蚀/CVD的工艺数量比例大致为1：4：2，因此刻蚀的工艺数量大幅增加。
刻蚀设备需求量快速增长：受益于多重图形工艺，先进制程Fab的刻蚀工艺步骤增加，为了保障工艺稳定，一道刻蚀工艺即由一台刻蚀设备负责。
CVD设备:多重图形工艺+金属层堆叠,推动CVD工艺持续增加
技术节点愈先进的芯片金属层数愈多，大幅提升CVD工艺的介电质薄膜沉积的用量。金属层的介电质材料需通过CVD逐层沉积，例如0.18微米的芯片 工艺金属层数为4至8层，65nm工艺为11层，先进制程20nm以下的芯片金属层数可达20层以上。通过CVD工艺增加金属层数可以使得芯片单位面积内 的连线密度增加，从而减少芯片的总体面积；有利于设计出充裕供电的电源网络；解决布线拥塞的问题。
四、国产前道设备标的
北方华创：双结构化产业机遇，由大做强倍显张力
在全球半导体产业进入弱周期化发展的背景下，中国大陆在双重结构化机遇下，产业具备显著的跨周期发展属性，这对核心设 备材料的需求拉动是独树一帜且持续的，产品需求结构化：手机和各类IoT终端等存量巨大的电子产品核心芯片替代率仍旧较 低，制造节点配套和升级需求持续旺盛，同时，存储器、功率器件和通用 代工等量产导入迎来“础润而雨”的战略机遇期；区域发展结构化：资本开支和需求结构化综合拉动 大陆区域持续稳健高速成长，WSTS数据显示，2013~2018年大陆半导体产业规模年均复合增长率约11%，是唯一持续实现2位数增 长的区域，且其他次快区域复合增长率均不足2%。
晶盛机电：国产硅晶圆制造设备的领航者
中国大陆硅片供应商主要生产6英寸及以下的硅片，通过ittbank统计，目前中国12英寸晶圆厂产能已达46.3万片/月，若包含 在建和计划中的产能，12英寸晶圆厂产能可达109.8万片/月。大尺寸硅片对技术要求极高，主要技术壁垒是硅片纯度和良率问 题，其纯度需要达到11个9以上(即99.999999999%)；同时大尺寸硅片对切割、倒角、磨削等加工环节工艺要求都很高，国内目 前的技术水平还难以达到高良率，很难得到客户认可，而大硅片作为最核心的半导体材料，是我国必须实现自主可控的环节。
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精选报告来源：【未来智库官网】。