什么是半导体设备

半导体器件是由半导体元件制成的电子器件。半导体设备包括激光打标机、激光喷墨打印机、包装机、净水器等。

半导体是指室温下电导率介于导体和绝缘体之间的材料。它广泛应用于半导体收音机、电视机和温度测量。例如，二极管是由半导体制成的器件。半导体是指其导电性可以控制的材料，范围从绝缘体到导体。

半导体材料的分类根据化学成分和内部结构，半导体材料大致可以分为以下几类:

1.化合物半导体是由两种或两种以上元素结合而成的半导体材料。

2.非晶半导体材料用作半导体的玻璃是非晶的非晶半导体材料，可分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃。

3.元素半导体包括锗、硅、硒、硼、碲、锑等。

4.有机导电材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物，目前还没有应用。

半导体封装设备一般有锡膏印刷机、固晶机、回流焊、点亮+检测、返修设备等，其中最为核心的是固晶机，我们公司的产线采用的是卓兴半导体的固晶机，很好用，性能很强大。此外，针对半导体封装制程卓兴半导体还搭建了一套完整的倒装COB解决方案，可以实现Mini LED直显和背光的封装制程工序，这套线体他们总部有实物，参观过，而且已经有企业落地执行了。百度下有很多相关信息。

目前， 我国半导体市场供需两层不匹配，国产化率亟需提升 。一方面，终端产品供需不匹配。 2018年中国集成电路市场规模1550亿美元，但国产集成电路规模仅238亿美元，国产化率仅约15%；另一方面，制造端的设备供需不匹配。国内半导体设备市场规模约145亿美元，但国产设备规模仅14亿美元不到，国产化率仅约10%。因此，从产业发展的角度，一方面，国内半导体制造领域仍有较大发展空间；另一方面，制造领域的设备仍有较大的国产提升空间。

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一、提升国产化率刻不容缓

1、 我国半导体市场规模和占比不断提升

2010年起，全球半导体行业保持稳步增长，过去十年（ 2009-2018年）全球半导体销售额CARG为7.55%，全球GDP CAGR为3.99%，而我国集成电路销售额CARG为25.03%，我国行业整体增速为全球半导体行业增速的3.3倍，而全球半导体行业整体增速是全球GDP增速的2倍左右；

与此同时，在PC、智能手机等领域强大的整机组装制造能力使我国成为全球最大的半导体消费市场，在全球占比达到了33%，比第二名的美洲高出11个百分点，我国半导体市场无论是绝对规模增速还是占比都不断提升。

▲我国半导体规模和占比不断提升

▲2018年全球半导体产业市场规模分布

2、 我国半导体市场供需不匹配

一方面，终端产品供需不匹配。2018年中国集成电路市场规模1550亿美元，但国产集成电路规模仅238亿美元，国产化率仅约15%；

另一方面，制造端的设备供需不匹配。2018年中国半导体设备市场规模达到131.1亿美元，但据中国电子专用设备工业协会统计， 2018 年国产半导体设备销售额预计为 109 亿元，自给率仅约为12%。考虑到以上数据包括集成电路、 LED、面板、光伏等设备，实际上国内集成电路设备的国内自给率仅有 5%左右，在全球市场仅占 1-2%份额。半导体设备进口依赖长期看将严重阻碍中国半导体行业的自主发展，国内需求与国内供给的缺口昭示着巨大的国产化空间。

▲2018年国产半导体集成电路自给率仅15%

▲2018年国产半导体设备自给率仅12%

3、 贸易战对我国半导体核心技术“卡脖子”

美国制裁中兴华为反映创新“短板”，华为事件影响深远，引发全球半导体供应链“地震”，暴露出核心技术被“卡脖子”的风险，催化国内半导体等核心科技领域发展，国产自主可控替代有望加速；

半导体行业产业链中上游为我国薄弱环节，其中上游半导体设备和中游制造对美依存度高，核心领域国产芯片占有率多数为0%；相比之下，中游封测和下游终端市场领域对美依存度小，受到影响相对较小。

▲半导体产业链受贸易战影响分化

4、 后贸易战时期，国内半导体设备厂商的一些变化

设备企业前瞻布局非美国地区零部件采购 。一般来说，半导体设备的零部件分为四大部分。在这四大类中，精密加工件、普遍加工件现在基本没有制约，通用外购件（包括接头、气缸、马达等）占比比较小，因此现阶段供应管理关注的重点是外购大模块， 包括设备专用模块和通用模块（机械手、泵等）。外购大模块数量上占比不高，可能只有10-20%，但价值占比60-80%；

所以我们讲零部件的国产化，主要是讲外购大模块的国产化。预防产业风险和成本控制需要通过对外购大模块进行供应链拓展、批量采购等方式实现。

▲外购大模块受产业影响风险较大

大部分品类现阶段国内基础差，没有成熟技术，没有产品。从进口比例来看，前十大子系统供应商中，美国市场和日本市场占比最高。设备企业正逐渐将采购链条从美国转移至日本、英国等地区。

▲前十大零部件采购需求占比及前十大子系统供应商占比

二、国产化的推动因素

1、 全球半导体行业景气度有望触底回暖

理论上看，全球半导体行业具有技术呈周期性发展、市场呈周期性波动的特点 。1998~2000年，随着手机的普及和互联网兴起，全球半导体产值不断上升，尤其在2000年增长38.3%；随着互联网泡沫的破裂， 2001年全球半导体市场下跌32%；随后Window XP的发布，全球开始新一轮PC换机潮，半导体市场2002~2004年处于高速增长阶段；2005年半导体市场出现了周期性回落， 2008年和2009年受金融危机的影响出现了负增长；

2010年，随着全球经济的好转，全球半导体产值增长34.4%。2011-2012年受欧债危机、美国量化宽松货币政策、日本地震及终端电子产品需求下滑影响，半导体销售增速分别下降为 0.4%和-2.7%；

2013年以来， PC、手机、液晶电视等消费类电子产品需求不断增加，全球半导体产业恢复增长，增速达 4.8%。2014年全球半导体销售市场继续保持增长态势，增速达 9.9%；2015-2016年，全球半导体销售疲软。

2017年，随着AI芯片、 5G芯片、汽车电子、物联网等下游的兴起，全球半导体行业重回景气周期。

2018年下半年，受到存储器价格下降、全球需求疲软和中美贸易战的影响，全球半导体发展动力不足。但展望2019年下半年，受益于消费领域、智能手机需求回暖，全球半导体市场发展趋稳并有望实现增长。

2、 上游半导体设备销售有望随之向好

数据上看， 2019年全球半导体设备销售同比负增长， 2020年将大幅反弹 。2018年，全球半导体设备销售额达645亿美元，同比增速高达14%，创下历史最高；受到多因素影响， 2019年半导体设备厂商短期承压， SEMI预计2019年全球半导体设备销售下降18.4%至529亿美元。

展望2020年，由于存储器投资复苏和在中国大陆新建及扩建工厂， SEMI预计半导体制造设备2020年的全球销售额为588亿美元，比2019年增长12％。其中，包括外资工厂在内的对中国大陆销售将达到145亿美元， 预计中国大陆成为半导体制造设备的最大市场。

3、 我国政策、资金、市场环境三面扶持

对标海外：政策支持、资金帮扶、下游产业支撑是推动行业进步不可或缺的几个方面 。 80年代工业PC时代，日本半导体以存储器（DRAM为主）为切入口，在日本政府和产业界联合推动下，吸收美国技术并整合日本工业高质量品控体系，实现IC产品超高可靠性，顺利实现赶超美国；

90年代消费电子大潮，韩国半导体在韩国政府和财团的共同推动下，积极开拓高性价比IC产品，带动亚洲电子产业链崛起，实现了长达20多年的持续崛起。而此时的台湾则通过创新的产业模式，从IDM转为垂直分工，依靠大量投资建成了世界领先的晶圆代工厂台积电和联电，在技术水平上达到世界顶尖；

▲政策支持、资金帮扶、下游产业支撑是推动行业进步不可或缺的几个方面

政策：产业政策频发，彰显扶持半导体产业决心 。“十二五”期间，政府开始大力支持IC产业发展，先后出台了《国家IC产业发展推进纲要》 和“国家重大科技专项”等政策。其中以2014年发布的纲要最为详细，被视为国家为IC产业度身定制的一份纲要，明确显示了政策扶持半导体产业的决心。

2014年9月，国家IC产业基金正式成立。以直接入股方式，对半导体企业给予财政支持或协助购并国际大厂。

目前我国半导体产业的自给率才只有不到15%， 《中国制造2025》 的目标是2020年自给率达40%，2050年达到50% 。

▲根据规划， 2015-2020年， IC产业产值CAGR达20%以上

资金：截至2018年5月，一期大基金已累计投资70个项目，承诺出资1200亿，实际出资1387亿 。已实施项目覆盖设计、制造、封装测试、设备、材料、生态建设各环节；一期大基金主要投向芯片制造环节，占全部承诺投资额的67%，目前已经支持了中芯国际、上海华虹、长江存储等；在设计领域，大基金主要在CPU、 FPGA等高端芯片领域展开投资，占承诺投资额的17%；在封装测试产业方面，大基金则重点支持长电科技、华天科技、通富微电等项目，占承诺投资额的10%；

相比之下，大基金在装备和材料环节的投资规模和力度要小很多，但仍然在推进光刻、刻蚀、离子注入等核心装备抓住产能扩张时间窗口，扩大应用领域。

▲国家大基金资金主要投向集成电路制造环节

资金：大基金二期募资规模2000亿左右，加强设备领域投资 。

▲二期大基金将加强设备领域投资

资金：大基金撬动地方基金，集成电路产业正迎来密集投资期 。IC产业属于资本开支较重的产业，“大投入，大收益；中投入，没收益，小投入，大亏损” ； 全球看，每年半导体资本开支接近600亿美元，而英特尔、台积电、三星等巨头每年的资本开支均在100 亿美元左右，只凭大基金的支持仍然投入有限； 根据我们的统计，除了规模近1400亿的大基金之外，各集成电路产业聚集的省市亦纷纷成立地方集成电路基金，截至到2019年4月，全国有15个以上的省市成立了规模不等的地方集成电路产业投资基金，总计规模达到了5000亿元左右。通过大基金、地方基金、社会资金以及相关的银行贷款等债券融资，未来10年中国半导体产业新增投资规模有望达到10000亿元水平。

▲中国各省市开始密集投资布局半导体产业

市场：大陆建厂潮为半导体设备行业提供了巨大的市场空间 。根据SEMI发布的全球晶圆厂预测报告预估， 2017 -2020年的四年间，全球预计新建 62 条晶圆加工线，其中中国大陆将新建26座晶圆厂，成为全球新建晶圆厂最积极的地区，整体投资金额预计占全球新建晶圆厂的 42%，为全球之最。

市场：大陆半导体资本开支持续增长，拉动半导体设备发展 。当前大陆成为全球新建晶圆厂最积极的地区，以长江存储/合肥长鑫为代表的的存储器项目和以中芯国际/华力为代表的代工厂正处于加速扩产的阶段，预计带来大量的设备投资需求。

三、半导体设备市场竞争格局与国产化进度

1、IC制造流程复杂，大多数设备被国外厂商垄断

晶圆制造（前道,Front-End） :

▲晶圆制造环节具体设备及主要厂商封装（后道,Back-End ）测试 :

▲封装测试环节具体设备及主要厂商

全球集成电路装备市场总体高度垄断 。特点：技术更新周期短带来的极强技术壁垒，市场垄断程度高带来的极大市场壁垒，以及客户间竞争合作带来的极高认可壁垒。因此，集成电路装备市场高度垄断，细分市场一家独大；从分布看，全球前十大集成电路装备公司基本上被美国、日本、欧洲企业占据； 从比例看，全球前十大拿走行业80%的份额；应用材料（美国）、 ASML（荷兰）、 TEL东京电子、泛林（美国）、科磊（美国）位列前五，前五名拿走68%的份额；前30拿走92%的份额，前20拿走87%的份额。

▲全球IC装备市场高度垄断

全球IC制造细分设备市场也高度垄断 。从细分设备来看，每个具体设备基本上大部分份额被前三大企业占据，基本上都是80-90%的份额； 前三大厂商中，也基本都是一家独大，第一占据了40-50%的份额。

▲细分设备市场也高度垄断

我国集成电路装备市场高端占比偏小，且大部分为国外厂商 。2018年中国半导体设备市场规模达到131.1亿美元，但据中国电子专用设备工业协会统计， 2018 年国产半导体设备销售额预计为109亿元；预计2020年中国半导体设备总市场规模将超1000亿。

▲国内厂商规模普遍较小，且大部分在光伏、 LED领域占比较高

边际变化：在诸多工艺环节中，开始出现了一些国产厂商 。分地区看，形成三个产业集群：北京：北方华创、中电科集团、天津华海清科(CMP)；上海：上海微电子、上海中微半导体、上海盛美、上海睿励科学仪器；沈阳：沈阳拓荆、沈阳芯源；

▲主流65-28nm客户不定量的采购的12类设备清单

▲国内已有9项应用于14nm的装备开始进入生产线步入验证

75-80%的资本开支使用在设备投资里，设备投资中的70-80%在晶圆制造环节设备里 。光刻设备、刻蚀设备、薄膜设备（ ALD/CVD 53%、 PVD 47%）占比最高，分别20-25%、 25%、 20-25%；扩散设备、抛光设备、离子注入设备各占设备投资的5%，量测设备占设备投资的5~10%。

▲晶圆生产线各类设备投资占比

2、 光刻设备：光刻机是生产线上最贵的机台， ASML全球领先

光刻工艺是最复杂的工艺，光刻机是最贵的机台 。主流微电子制造过程中， 光刻是最复杂、昂贵和关键的工艺，占总成本的1/3；目前的28nm工艺则需要20道以上光刻步骤，耗费时间约占整个硅片工艺的40~60%。光刻工艺决定着整个IC工艺的特征尺寸，代表着工艺技术发展水平；

具体流程： 首先要在硅片上涂上一层耐腐蚀的光刻胶，随后让强光通过一块刻有电路图案的镂空掩模板照射在硅片上。被照射到的部分(如源区和漏区)光刻胶会发生变质，而构筑栅区的地方不会被照射到，所以光刻胶会仍旧粘连在上面。接下来就是用腐蚀性液体清洗硅片，变质的光刻胶被除去，露出下面的硅片，而栅区在光刻胶的保护下不会受到影响。

光刻机是生产线上最贵的机台，千万-亿美元/台。主要是贵在成像系统（由15～20个直径为200～300mm的透镜组成）和定位系统（定位精度小于10nm）。一般来说一条产线需要几台光刻机，其折旧速度非常快，大约3～9万人民币/天，所以也称之为印钞机。

ASML占据70-80%市场份额，且领先地位无人撼动 。荷兰ASML占据超过70%的高端光刻机市场，且最新的产品EUV光刻机售价高达1亿美元，依旧供不应求。紧随其后的是Nikon和Canon。 光刻机研发成本巨大， Intel、台积电、三星都主动出资入股ASML支持研发，并有技术人员驻厂；格罗方德、联电及中芯国际等的光刻机主要也是来自ASML；

国内光刻机厂商有上海微电子、中电科集团四十五研究所、合肥芯硕半导体等。在这几家公司中，处于技术领先的是上海微电子，其已量产的光刻机中性能最好的是90nm光刻机。由于技术难度巨大，短期内还是处于相对劣势的地位。

▲1970年起，光刻机价格每4.4年翻一倍

3、 刻蚀设备：机台国产化率已达15%

国产刻蚀机的机台市场份额已约15% 。工艺流程： 所谓刻蚀，狭义理解就是光刻腐蚀，先通过光刻将光刻胶进行曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。刻蚀可分为干法刻蚀和湿法刻蚀。显而易见，它们的区别就在于湿法使用溶剂或溶液来进行刻蚀。

刻蚀设备分类： 在8寸晶圆时代，介质（40%）、多晶硅（50%）及金属刻蚀（10%）是刻蚀设备三大块；进入12寸后，随着铜互连的发展，介质刻蚀份额逐渐加大，目前已近50%；

中微半导体的16nm刻蚀机已实现商业化量产并在客户的产线上运行， 7-10nm刻蚀机设备以达到世界先进水平。截至2018年末，中微半导体累计已有1100多个反应台服务于国内外40余条先进芯片生产线。目前中微产品已经进入第三代10nm、 7nm工艺（台积电）， 5纳米等离子体刻蚀机已经台积电验证；除中微外，北方华创在硅刻蚀机方面也有突破。

4、 成膜设备：机台国产化率约10-15%

成膜设备分两大类， 机台市场份额约10-15% 。工艺流程： 在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成。主要包括化学气相 (CVD)淀积和物理气相淀积 (PVD)两大类工艺； 一条投资70亿美元的芯片制造生产线，需用约5亿美金采购100多台PECVD设备； 从全球范围看， AMAT在CVD设备和PVD设备领域都保持领先；北方华创、中微公司等企业等小有突破：其中北方微电子的PVD可用于28nm的hard mask工艺，并且可以量产；中微两条线推进CVD，一方面中微应用于LED领域的MOCVD市占率已经全球领先 ，另一方面投资沈阳拓荆，完善产品线布局。

▲AMAT在CVD设备和PVD设备领域都保持领先

▲总体看， PVD是国产化进展较快的一类设备

5、 检测设备

半导体中的检测可分为前道量测和后道测试两大类 。其中前道检测更多偏向于外观性/物理性检测，主要使用光学检测设备、各类inspection设备；后道测试更多偏向于功能性/电性测试，主要使用ATE设备及探针台和分选机；从价值量占比看，前道量测设备也可称为工艺控制检测设备，是晶圆制造设备的一部分，占晶圆制造设备投资占比约10%；后道测试设备独立于晶圆制造设备，占全部半导体设备比例约8%。

▲可以简单把加工过程划分为前道晶圆制造与后道封装测试

▲量测设备和测试设备属于两个不同环节

前道晶圆量测(Wafer Metrology)主要在wafer制造环节。在芯片制造过程中，为了保证晶圆按照预定的设计要求被加工，必须进行大量的检测和量测，包括芯片线宽度的测量、各层厚度的测量、各层表面形貌测量，以及各个层的一些电子性能的测量；用到的设备：缺陷检测设备、晶圆形状测量设备、 掩膜板检测设备、 CD-SEM（微距量测扫描式电子显微镜）、显微镜等。

后道测试主要在封测环节，分为中测和终测 。后道中测（CP， circuit probe），主要在芯片封装前： 主要是测试整个晶圆片（wafer）上每个芯粒(die)的逻辑。简单来说， CP是把坏的Die挑出来并标记出来，后续只封装好的die。这样做可以减少封装和测试的成本，也可以更直接的知道Wafer的良率。用到的设备：测试机（IC Tester / ATE）、探针卡（Probe Card）、探针台（Prober）以及测试机与探针卡之间的接口等。

后道终测（FT， final test），主要在芯片封装后：测试每颗封装好的芯片（chip）的逻辑。简单来说， FT是把坏的封装好的chip挑出来，可以直接检验出封装环节的良率；用到的设备：测试机（IC Tester）、分拣机/分类机（Handler）等。

测试设备三大设备之ATE竞争格局：测试设备包括三大类：测试机、探针台、分选机，其中测试机市场空间占比过半；全球集成电路测试设备市场主要由美国泰瑞达和日本爱德万占据，两者总体合计市占率超过50%。细分来看，在测试机市场中， SOC测试机、存储器测试机的市场占比合计近90%，而爱德万+泰瑞达的市场份额超过80%；目前国内已经装配的测试系统主要偏重在低档数字测试系统、模拟及数模混合测试系统等，领先厂商包括长川科技、华峰测控、上海中艺等。本土厂商在中高档测试能力部分目前仍十分薄弱，尚无法与国外业者相抗衡（包括爱德万Advantest、泰瑞达Teradyne、 Verigy、居诺JUNO半导体等）。但目前国产中、高档测试系统已经研制成功，正进入小批量生产阶段。上市公司中，国产厂商长川科技正全面布局数模混合、模拟、数字信号测试机+探针台；精测电子已布局memory ATE和面板驱动IC ATE，期待后续产品出货。

测试设备三大设备之探针台竞争格局：探针测试台(Prober)是前后道工序之间用于对半导体器件芯片的电参数特性进行测试的关键设备，它可以将电参数特性不符合要求的芯片用打点器(INKER)做一明显标记， 便于在后道工序中及时将其剔除， 这样就有效地提高了半导体器件生产的成品率，大大降低器件的制造成本。在具体测试的时候，晶圆被固定在真空吸力的卡盘上，并与很薄的探针电测器对准，同时探针与芯片的每一个焊盘相接触。 电测器在电源的驱动下测试电路并记录下结果。 测试的数量、顺序和类型由计算机程序控制。

一般来说，探针台的单价在百万级别，远高于分选机。根据统计，探针台的市场份额约占总测试机+探针台+分选机的市场空间的15-20%左右。以东京电子(TEL)为代表的厂商雄霸全球探针测试设备市场，而国内厂商中，长川科技已有探针台产品布局。

智东西认为，国内集成电路设备的国内自给率仅有 5%左右，在全球市场仅占 1-2%份额，而且，产业链中上游核心领域芯片多数占有率基本为0%。半导体设备进口依赖长期看将严重阻碍中国半导体行业的自主发展，国内需求与国内供给的缺口昭示着巨大的国产化空间。集成电路领域对外依赖十分严重，现在，集成电路已经成为我国进口金额最大的产品种类，进出口的贸易逆差逐年扩大，逆差增速还在持续提升。但是，在资金、政策、市场环境三方面利好下，市场格局正在发生深刻的变化，希望在未来的5-10年内，半导体行业被“卡脖子”的局面不复存在。

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