编者按：半导体设备是半导体制造工艺的实现工具，遍布硅片制备、前道晶圆制造和后道封装测试的各个环节，是整个半导体行业的基石。全球半导体设备市场规模约700亿美元，却支撑着近 4000亿美元规模的半导体器件市场和近30000亿美元的终端电子设备市场。

中美贸易战以来，半导体产业链的自主可控受到了中国政府和产业的高度重视。而半导体前道设备，由于其低自给率、高门槛，以及产业链上游的地位，在半导体产业链国产化的进程中占据了较高的优先级。前道设备约占半导体设备市场的80%以上，目前中国大陆半导体前道设备整体自给率仅约15%，是被“卡脖子”风险最高的一个环节，其发展具有战略意义。本文主要讨论前道设备。

既然半导体设备是半导体制造工艺的实现工具，那么研究半导体设备，就必然先从半导体制造工艺入手，从基本原理出发，搞清楚各种半导体设备具体参与的工艺，建立半导体设备的基本知识框架，才能进一步研究半导体设备的行业。所以本文先从半导体制造工艺的基本原理、工艺流程出发，再进入半导体设备实际的行业研究。

半导体前道设备行业的实际研究，我们则主要从行业的周期性、需求的驱动力、投资时间点的判断和细分领域投资机会进行论述。

一、半导体功能的实现原理

（一）半导体材料——功能的实现基础

芯片功能由其材料——半导体的特点决定，从而制作数字电路、模拟电路、传感器、光电器件等半导体器件，芯片制造是工程的艺术。

半导体材料包括：一代(硅Si、锗Ge)、二代(砷化镓GaAs、磷化铟InP)、三代(氮化镓GaN、碳化硅SiC)。目前硅的使用占比约80%以上，本文主要讨论硅基器件的半导体制造工艺，提供一个基本的分析模型。其他半导体材料的器件制造可以参照硅基工艺。

单质硅属于原子晶体，由长程有序的原子排列组成。其最基本的实体就是晶胞/晶格。根据晶胞排列的方式，如果晶胞在三维方向(晶向)上整齐排列，称单晶。否则称为多晶。晶胞内部的晶向和晶胞的排列方式，会影响硅片的化学、电学和机械性质，加工工艺也不同。集成电路所用的硅片多为100晶向的单晶硅。

硅的晶体结构（图片来自《半导体制造技术》）

单晶硅的导电性接近绝缘体，电阻率接近2×10^5Ω/cm。但是单质硅中掺杂少许其他元素，就可以显著改变导电性。如：每100万个硅原子中有一个被砷原子替代，电阻率将下降到0.2Ω/cm，电导率增加了125万倍。而硅氧化后的二氧化硅SiO2则常被用作半导体上的绝缘材料。根据掺杂元素的不同，掺杂后的硅分为p型硅和n型硅。p型硅是指纯硅中掺杂IIIA族元素，通常为硼B或铝Al，载流子为空穴（可容纳电子）。n型硅是指纯硅中掺杂VA族元素，通常为磷P、砷As、锑Ab，载流子为电子。

硅的不同掺杂类型（图片来自《半导体制造技术》）

掺杂是将掺杂剂铺在硅片衬底表面，施以一定物理条件，使得掺杂剂扩散进硅片表面，然后进行激活，或者通过离子注入的形式，直接将经过加速的原子轰进硅材料中。实际上芯片制造过程需要多次掺杂。掺杂比例只要很小（小至0.000001%到0.1%）就能显著改变硅的导电性，因此精确控制掺杂浓度是精确控制硅片电阻率的关键。

硅的掺杂工艺（图片来自《半导体制造技术》）

半导体材料通过掺杂杂质，可以改变其导电性，在一定电压强度下可导电，从而在多样的空间结构上形成电容、电阻及pn结等结构，并借助pn结形成二极管、晶体管器件。基于电压的变化，各种二极管、晶体管器件可实现信号模拟、数模转换与数字运算等功能。半导体材料也可以通过掺杂，在不同温度、压力和光强的作用下，发生电阻的变化，进而通过检测电压、电流，可制作各类传感器。此外，半导体材料还具备光电转换效应，可制作各类发光器件(电致光，如LED、激光器)、光伏材料(光致电)等。

（二）半导体基本元器件：二极管、晶体管、电阻和电容

需要明确的是，半导体基本元器件种类繁多，这里我们主要介绍使用比较多的二极管、晶体管，以及配套的电阻和电容，以作为基本的知识模型。这里面有一个概念需要理解，就是所谓集成电路。集成电路就是在晶圆表面，通过一系列工艺，塑造出二极管、晶体管、电阻和电容，甚至电感等微结构。这些原本较大的电路部件，反映到集成电路中，则是微观的微米、纳米级的空间图案。考虑到集成电路对空间的要求，一般集成电路不会集成电感元件。当然二极管、晶体管、电阻、电容、电感这些元器件也可以单独制作成分立器件。

集成电路中的电阻（图片来自《半导体制造技术》）

集成电路中的电容（图片来自《半导体制造技术》）

首先，二极管、晶体管最基本的组成单元是PN结。PN结是半导体在不同电压下表现出不同导电性和绝缘性的结构根据所在。PN结由p区和n区组成，p区是在硅衬底上掺杂三价元素，如硼B、铝Al，载流子为空穴(+)，而n区是在硅衬底上掺杂五价元素，如磷P或砷As，载流子为电子(-)。

在p区和n区的界面上会形成耗尽区，这是因为p区和n区最初均为电中性，但是受彼此电场的作用，两区接触面上会吸引相反的载流子，形成相反的电势，即势垒。只有当外部电压高于势垒时，PN结才能导通。PN结反向电阻较大，从而限制电流方向一般只能由p区流向n区。但如果通过足够强的反向电压，PN结依然可以导通，即击穿。

根据掺杂浓度不同，击穿分为齐纳击穿（掺杂浓度高，击穿电压低）和雪崩击穿（掺杂浓度低，击穿电压高）。击穿未必导致PN结永久性损坏。但是无论哪种击穿，如果对电流不加限制，都可能造成PN结永久性损坏。因此，击穿电压一定程度上反应器件的工作范围。

PN结截面图

PN结二极管硅面结构（图片来自《半导体制造技术》）

二极管，是由单独的PN结组成的元器件，结构和作用相对简单。根据具体工艺的不同，二极管可以起到整流、稳压、检波、发光等作用。

稳压二极管分立器件（图片来自百度）

晶体管，则是由多个P型和N型硅结构组成的器件。目前主要包括双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。而场效应晶体管目前应用比较多的是金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）。其余特殊场景也会使用特殊的结构，如：射频器件里面经常用到的异质结双极晶体管（HBT）和异质结场效应晶体管（HEMT）。这里面，我们主要介绍BJT和MOSFET，这两种被广泛使用的晶体管。

双极型晶体管（BJT），包含3个电极和2个pn结，分为pnp型和npn型。其功能主要为电流线性放大（主要针对集电极和基极，可达几百倍），可以用做驱动电流的电流放大器，可以用来驱动扬声器、电动机、电灯、继电器等机电器件。

npn型BJT结构图（左）及导电示意图（右）

（图片来自《半导体制造技术》）

金属氧化物场效应晶体管（MOSFET），含3个电极（栅极、源极、漏极）。栅极采用金属或多晶硅，分为pMOSFET（p型通道，n型衬底）和nMOSFET（n型通道，p型衬底）。其工作原理为栅极施加电压，将衬底中的载流子下压，为源极和漏极之间的载流子流动提供通道，从而电路导通。用于电压放大器、开关、电平转换，缓启动、防反接等。

MOSFET结构图（上）及导电示意图（下）

（图片来自《半导体制造技术》）

而我们常听说的CMOS，则是在MOSFET的基础上，将pMOSFET和nMOSFET的栅极相连，漏极相连。栅极作为唯一的输入源，漏极作为唯一的输出端。nMOSFET源极接地，pMOSFET源极与偏压相连，则构成了电路常用的CMOS结构。其输入信号与输出信号反向。

输入信号为正时nMOSFET工作，相反则pMOSFET工作，从而进行逻辑运算。输入信号为0时，CMOS无功耗，从而进行基于0和1的逻辑运算。这与普通的晶体管、二极管不同。CMOS具备高集成度、低功耗的特点，便于和其他晶体管等元件集成，产生多种变相应用，如BiCMOS。CMOS是目前集成电路中应用广泛的晶体管结构，如CPU、存储器(ROM与RAM)、通信接口芯片、视频控制芯片、磁盘驱动芯片等。

CMOS电路图（左）及硅面俯视图（右）

（图片来自《半导体制造技术》）

（三）芯片的功能实现

半导体器件按照功能分为：逻辑芯片、存储芯片、模拟芯片、光电子器件、传感器和分立器件（非集成）。除分立器件、部分光电子器件、部分传感器外，其他均可统称为集成电路（IC），也就是芯片。每一种芯片的基础元器件均为晶体管、二极管、电容和电阻等。这些结构通过导线互联，绝缘层阻隔，最终形成完整的芯片。

芯片的作用主要为信号处理。各种芯片在信号处理链条中分别完成以下动作：传感器完成外界信号的感知，形成模拟信号，经过模数转换器ADC将模拟信号转换为数字信号，由处理器和存储器完成数字信号的处理、存储，通常存储和处理需要相互配合，处理和存储器只能收发和处理数字信号。由处理器处理完的数字信号，经由数模转换器DAC转换成模拟信号，再经由功率器件发出或显示器进行显示等。

2020年全球半导体销售额分布

（参考资料：SIA，WIND，IC Insights等）

二、半导体制造工艺简介

半导体制造流程包括：晶圆制备，前道晶圆制造和后道封装测试。所涉及的设备甚广，投资需要首先明确标的设备在制造流程中的具体工艺、工序和制程等。半导体制造最重要的半导体材料是硅，硅在晶圆使用量中约85%以上。本文主要讨论硅晶圆制造，化合物半导体可做类比。

半导体制造工艺流程

（参考资料：国盛证券研究所，VLSI）

（一）晶圆制备

晶圆制备主要包括单晶硅制备和硅片加工。而单晶硅的制备是核心工艺，关键在于对晶体结构的塑造。晶体结构对半导体、金属等原子晶体材料的物理和化学性能至关重要。

单晶硅制备包括CZ法（拉单晶）和区熔法。目前85%以上的硅片使用CZ法。CZ法将多晶硅通过拉单晶炉熔化，然后放入掺杂物质（n型/p型），通过旋转拉单晶的方式，形成单晶硅锭。CZ法的关键设备是拉单晶炉。工艺的关键在于籽晶质量、温度的控制、籽晶和坩埚各自的旋转方向及速度。区熔法类似于熔铸，将多晶硅放到模具里面，通过射频加热籽晶与多晶硅棒。区熔法生长的硅纯度高、含氧量低，但是直径不大，主要用于150mm（6寸）以下晶圆。

外延层制作是在重掺杂的衬底上，再生长薄层硅（纯度更高，晶格缺陷更少），从而进行新的轻度掺杂，以便制造各种元器件。

后续硅片加工包括：径向研磨、刻印定槽位、切片、磨片、倒角、刻蚀、抛光、清洗、检测和包装等。

CZ法拉单晶炉

CZ法示意图

（二）前道晶圆制造

成型的晶圆包括硅底部和上层结构。而半导体制造工艺则是以裸晶圆（Unpatterned Wafer）为基础，通过逐层薄膜构建各层结构，实现晶体管结构的塑造、绝缘和导电互联，进而加工出成型晶圆（Patterned Wafer）。成型的晶圆本身是一个实心的结构，而不是将导线凭空搭建在晶圆表面。

晶圆各层结构的主要作用

（参考资料：《半导体制造工艺》，国元证券研究所）

由上图可见，成型的晶圆表面是多层的复杂结构。其中，各层的关键尺寸（CD）也有所不同，关键尺寸是指每层的最小线宽。通常来说，各层的关键尺寸自下而上逐步变大。平常所说的多少nm制程，通常指晶圆上的最小线宽，一般就是栅极的宽度。

对于一个完整的晶圆加工过程，除了晶圆底部的晶体管加工外，其余层通常不需要最小制程，当然也不需要满足最小制程的设备。因此，对于一条完整的产线，通常是多制程设备一起使用。即便是28nm以下制程的产线也会需要28nm以上制程相关的设备。

说到制程，目前不同制程根据芯片的工作条件，工艺成熟度和性价比，会应用于不同的场景。以40nm为分界线，40nm以上制程多用于制造汽车电子、功率器件和物联网芯片等，40nm以下制程，多用于对计算能力要求比较高的场景，但是不同制程的应用场景不绝对。目前全球制程迭代，主要也是针对40nm以下的制程。

2020年全球半导体各制程市占率及应用

（参考资料：国元证券研究所，IC Insights，半导体行业观察）

全球半导体制程迭代

（参考资料：国元证券研究所）

晶圆制造通常包括6大工序，分别为氧化扩散、薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入、抛光。也有晶圆厂划分为7个片区，多了一个铜电镀区。6大工序对应晶圆厂的各个片区。同时清洗和检测工序渗透到六大工序中间，确保晶圆加工过程中表面的清洁和尺寸的达标。

前道各工艺的作用（参考资料：《半导体制造技术》）

集成电路制造工艺繁多复杂，整体类似于复印，其中光刻、刻蚀和薄膜沉积是半导体制造三大核心工艺。薄膜沉积工艺系在晶圆上沉积一层待处理的薄膜，涂胶工艺系把光刻胶涂抹在薄膜上，光刻和显影工艺系把光罩上的图形转移到光刻胶上，刻蚀工艺把光刻胶上图形转移到薄膜，去除光刻胶后，即完成图形从光罩到晶圆的转移。

离子注入针对规定的图案进行离子掺杂，改变其导电性。抛光则是通常在薄膜沉积后，对沉积的薄膜表面进行抛光打磨。清洗是在各个步骤之间，保持晶圆表面的清洁，目前以湿法清洗居多。检测则是针对晶圆加工过程中的参数进行测量和加工产生的缺陷进行检测。

CMOS制造工艺流程中的主要步骤

（参考资料：《半导体制造技术》）

晶圆制造的工序是灵活多变的，各家晶圆的工序流程多有不同。目前经常看到的按照氧化扩散、薄膜沉积、光刻、刻蚀、离子注入、抛光的顺序循环多次，这种说法是不准确的。

晶圆厂的片区分为：氧化区、薄膜区、光刻区、刻蚀区、注入区和湿法区(CMP、清洗、电镀)，及后段测试与拣选区。检测设备通常内置(In-Line)于各片区。但部分也会单独立区。不同Fab根据工艺会有不同的划分。但是通常，湿法设备和干法设备不会放到一个片区，以此避免湿法设备中的液体挥发为晶圆和干法设备带来污染。

晶圆加工的完整工艺流程会在各片区之间反复进行，但成熟产线会总结出一套更为有效的路径。同时，晶圆暴露在空气中会自然氧化，因此片区间的转移时间需要控制。因此，提高晶圆厂的生产效率是一个运筹优化的过程。实际的晶圆加工过程有成百上千道工艺。晶圆厂的另一个核心竞争力是整体产线的运筹优化能力，即整条产线上半导体设备的统筹运用。

晶圆厂实际工作片区（参考资料：《半导体制造技术》）

晶圆制造的生命线在于产线良率，核心工艺在于定义晶圆上各层的平面布局和立体结构。而以上的前提是熟练运用各种半导体设备的工艺调教。设备是良率的重要保障。晶圆厂的每个片区都放置对应的设备，以完成各区的加工。

表1-晶圆厂各片区的设备

参考资料：《半导体制造技术》

（三）封装测试

半导体的封装主要包括传统封装和先进封装，目的在于制作晶圆与PCB之间的电气互联结构，设备整体精度要求低于前道设备。目前除2.5D/3D封装之外，其他工艺都已经比较成熟。其中，传统封装主要是Die bond产线，采用引线框架将芯片连接到PCB板，主要针对90nm以上制程的芯片（不绝对）。

先进封装通常是晶圆级封装WLSP，包括RDL、Bumping和TSV工艺等，需要定义图形，制作金属凸点、硅通孔等，与前道金属互联类似，但设备精度也普遍低于前道，被称为中道工艺，先进封装完成之后再进行切割、贴片、键合、模塑和终测等传统后续工艺。篇幅原因，本文后续不多讨论该部分设备。

传统封装和先进封装（参考资料：国元证券研究所）

三、半导体设备行业

（一）半导体设备产业的周期性

半导体设备位于半导体产业链的顶端。半导体制造设备行业的最直接驱动力来自于半导体制造环节的产能扩产和爬坡，而最终端需求驱动力来自于电子设备和产品的需求。

半导体设备在半导体产业链中的位置

参考资料：JEITA, IC Insights

从历史上全球半导体设备市场规模的波动可以看出，半导体设备行业具有周期性，正常半导体设备行业的周期在4～5年左右。对于全球市场，从历史曲线来看，当前处于半导体设备市场的新一轮周期。对于中国市场，半导体设备市场增速一直为正，且处在行业周期的上行阶段，预计未来依然具备较大的增长潜力。

全球半导体设备行业规模变化

参考资料：Wind，IC sight

中国半导体设备行业规模

参考资料：Wind，IC sight

（二）半导体设备行业驱动力

1、全球驱动力的基本模型

（1）全球半导体产业周期中的需求驱动

半导体行业本身，其规模增长率就呈现周期性变动。每一轮新的增长周期基本都得益于新产品/新需求的产生。半导体行业的周期性，由3个基本的周期共同作用形成，分别是：产品周期、产能周期和库存周期。

产品周期：代表了下游需求的强弱和波动性，主要是下游需求产品的生命周期决定，是最长的周期，起决定性作用，约7-8年。

产能/资本开支周期：主要由于竞争性投资、时滞等因素导致，需重点关注资本开支和产能变动等，仅次于产品周期，约4-5年，恰好和半导体设备的行业周期相吻合。

库存周期：则是由短期信息不对称、时滞以及overbooking等导致，比另两个周期波动性更小，而且易受到其他周期影响，但仍有较强的参考价值，正常约1-2年。

全球半导体行业规模/亿美元

参考资料：Wind，IC sight

中国大陆半导体行业规模/亿元

参考资料：Wind，IC sight

半导体产业周期性：产品周期、产能周期、库存周期嵌套

参考资料：广发证券研究所

半导体产业链是经济全球化的重要成果。但是，2020年疫情以来，全球各国受疫情影响，带来了半导体产业链在全球流通方面的障碍，使得在过去的一年里，半导体产业链的供应出现短缺甚至混乱的状态。2020年上半年，由于疫情影响，车企对于复工时间无法做出准确预测，所以没有对芯片做好订单准备。而在疫情刚开始的时候，C端消费电子产品需求激增，因此，晶圆厂把产能给到了消费电子端。

但是等到2020年Q3，全球车企相继复工，经济开始复苏之后，车厂才发现库存芯片已无法满足新的订单需求，因为晶圆厂已经把产能给到了消费电子，所以出现汽车芯片短缺的现象。但是汽车行业作为各国和地区的经济支柱产业，其重要性不言而喻。因此，各地政府和车企开始向晶圆厂施压，将产能调拨给车企。在这种情况下，汽车订单上来就挤掉了消费电子及其他领域的晶圆厂产能。因此，又出现了一波芯片荒。经过过去两年的产业链调整，目前我们从封测厂、晶圆厂了解到，全球的半导体产业链供应已基本恢复正常。

从未来的产品需求端来看，全球半导体产业每一轮的上升都伴随着新的应用的普及，如2003年左右个人电脑的普及，2010年左右4G+移动通讯的普及。我们认为5G、电动汽车的逐步普及将成为当前新一轮周期的产品需求驱动力。5G带来了数据量和传输速度的提升，在通信端和计算端带来了需求，甚至会衍生出更多的C端应用需求。而电动汽车天然具备更高的智能化条件，是未来重要的半导体应用，汽车半导体规模近年来也增长迅速。

但是需求端驱动易受全球经济影响，2022年的疫情对经济所带来的影响使得全球电子产品的销量出现了下滑，一季度全球手机销量下滑了11%。再加上中国大陆这一轮的疫情影响，未来的经济走势依然存在诸多不确定性。

全球半导体行业细分应用规模/亿美元

参考资料：Deloitte report

（2）技术迭代带来的驱动

半导体制造的技术迭代主要有2条路径：More Moore和More than Moore。More Moore主要是沿着摩尔定律继续迭代。而More than Moore则是通过2.5D/3D封装的方式，提升系统整体的性能。对于前道工艺来说，目前起主要推动作用的还是More Moore。

More Moore目前主要针对处理器、存储和一般逻辑芯片等集成电路，工艺上主要适用于前道工艺。其思路是延续CMOS的整体思路，在器件结构、沟道材料、连接导线、栅极结构、架构系统、制造工艺等方面进行创新研发，沿着摩尔定律scaling（每两年左右，晶体管的数目翻倍），晶体管尺寸不断下降，从而提高单位芯片面积的晶体管数量，提升芯片的算力，也降低单位算力带来的功耗。

More Moore路线在过去二三十年中推动了晶圆厂的工艺迭代，全球主要的晶圆厂通过新建晶圆厂，不断下探制程。目前进入10nm以下制程的企业只剩台积电、Intel和三星。

全球主要晶圆厂制程Roadmap

参考资料：西南证券、华西证券、项目组整理

随着晶圆制程的不断下探，在进入28nm以下之后，栅极的结构已不再是简单的立方结构，而是产生了诸如鳍式晶体管（FinFET），GAAFET等诸多立体晶体管结构，因此28nm以下（不包括28nm）的制程，一般被称为先进制程。先进制程多用于高端的CPU、GPU、逻辑芯片、存储芯片（Dram和Nand Flash）等。

传统对于制程的定义主要是基于栅极的最小宽度。但是一旦进入到立体晶体管，制程已经很难用最小的栅极尺寸来衡量。因此，各家对于几纳米制程的定义，更多还是基于产品的性能，采用等效制程的定义方法，即如果工艺继续沿着之前28nm技术路径继续迭代，达到相同性能所应需要的制程。但是依然不代表制程越小，性能就一定越优异，比如Intel 14nm制程的Skylake CPU的功耗在超过4.4GHz的情况下几乎打平了AMD采用7nm制程的Zen3 CPU。所以总结来说，制程的大小不重要，实际表现才重要。

晶体管结构随制程的演变

参考资料：半导体行业观察

但是随着制程的不断迭代，28nm以下制程的工艺步骤激增，而且工艺难度也大幅提升，进而带来了制造成本的提升。进入先进制程之后，单位晶体管的生产成本已不再显著降低，反而相比起28nm有所提升。也因为这点，28nm一直被联电等晶圆厂认为是性价比最高的制程，被称为“甜蜜节点”。

不同制程工艺的主制程步骤数量

参考资料：中芯国际，长江证券

半导体各制程每生产100万个栅极的成本/美分

参考资料：IBS，中泰证券研究所

对于半导体前道设备来说，晶圆厂拓展全新制程就是一个新的扩产需求。因为要拓展全新的制程，就要建全新的产线用于研发和产能爬坡，也需要设备厂商不断改善工艺，来满足晶圆厂的制程迭代，进而产生设备的新需求。而更重要的是，产线制程越先进，晶体管结构越复杂，工艺步骤越多，设备需求也带来骤增，从而为设备行业增长率带来二阶导式的拉动。

各制程每五万片产能平均需要的设备投资/百万美金

参考资料：中微公司招股说明书

（3）产品需求+技术迭代带来的晶圆厂扩产潮

终端产品需求+技术迭代驱动，导致全球晶圆厂2020年之后加速扩产，进而拉动半导体设备的需求。2021年，台积电宣布未来3年投资1000亿美金用于产能建设。Intel也宣布在美国、以色列、德国扩建晶圆厂。三星也宣布投资170亿美金在美国建晶圆厂。

面临全球晶圆厂的大扩产，设备厂商的订单消化吃紧。ASML、应用材料、Lam Research、KLA等设备龙头的订单大多已经排到了2023年之后。整体设备交付周期也变长。而问题是半导体设备的生产本身也要芯片，因此目前全球半导体产业链已经形成共识，就是把设备的芯片需求放到第一优先级，从而保障全球晶圆厂的产能。

全球主要晶圆厂扩产计划（截至2021年12月）

全球主要晶圆厂扩产计划资本开支/美元

参考资料：中银国际证券研究所、光大证券研究所

（4）行业竞争格局中的新机会

通过观察半导体前道设备的行业格局，我们会发现各细分领域Top3厂商市占率通常都超过80%。半导体设备是个龙头极度垄断的行业。而回顾半导体设备龙头的发展历史，我们会发现各细分领域龙头通常成立时间较早，大多成立在20世纪70-80年代，从半导体行业发展的初期就已经在行业立足，在各自领域积累深厚。而且，据我们访谈的情况来看，龙头设备厂商对半导体制造工艺的理解通常比晶圆厂更加深刻，是他们引导着晶圆厂工艺的进步。如应用材料、ASML、Lam Research、KLA等。

对于晶圆厂来说，良率是晶圆厂的生命线，倒逼晶圆厂对设备新供应商的选择极度保守，从而导致优质设备厂商客户粘性极强。不管是已有工艺扩建还是新工艺产线的建设，都倾向于优先从已有设备厂商采购，或已有设备厂商配合研发新工艺。但是，将半导体设备各细分领域解剖开我们会发现，除了头部的几家供应商之外，后面也会陆续存在一批在细分工艺领域突出的小龙头。这是因为当晶圆厂的新工艺无法从已有供应商得到满足的时候，便会考虑新的供应商。

新供应商如果在技术上另辟蹊径，使得设备工艺性能领先于已有龙头，或者恰好可以满足晶圆厂的新需求，便有机会进入晶圆厂的供应链，而且一旦导入便有希望成为该细分领域的小龙头。如：以色列的Camtek在Bump检测领域采用了立体检测技术，并直接在该领域超越了KLA，每年营收1亿美金以上。

2、中国大陆的行业驱动力

（1）中美贸易战带来的国产化趋势几乎是国产半导体设备的唯一动力

理论上，中国大陆在中美贸易战之前，不管是晶圆厂扩建还是设备国产化都没有足够的动力。首先，大陆代工需求可在外资晶圆厂得到满足，使用内资晶圆厂的动力不足。其次，大陆晶圆厂工艺落后，28nm产线尚不成熟，很多需求也满足不了。而且大陆晶圆厂对于外资设备龙头来说，也不存在新工艺的需求，工艺需求在外资供应商基本可以得到全部满足，所以大陆晶圆厂选择国内设备厂商的动力也不足，且新工艺变革为设备新进入者带来的机会也不存在。

中国大陆半导体产业链自给率情况

参考资料：中国产业信息网、Wind

但是，中美贸易战之后，晶圆厂扩建成为产业链国产化的国家意志，半导体设备的国产化趋势也比较明确。2020年Q3，华为的晶圆代工被美国断供，而中国大陆的晶圆制造自给率只有20%多，当时中芯国际28nm以下制程的产能和良率也不足以支持大规模量产，因此倒逼中芯国际等晶圆厂28nm以下产线的扩产成为国家意志，以提升晶圆制造的自给率，缩短制造工艺差距。而更先进制程单位产能对设备的需求也更大，进一步拉动了半导体设备的需求。

疫情以来，龙头设备厂商的订单应接不暇，且优先供应台积电等国际龙头厂商，给到大陆晶圆厂的交付期延长到1年以上。在这种情况下，国产设备成为了大陆晶圆厂应付产能扩张的重要选择。

此外，美国已将中芯国际列入实体清单，并限制了先进制程设备的出口，引发了大陆晶圆厂的普遍担忧，并纷纷组建专门的国产化部门，给到国产设备Demo的窗口。2022年5月，美国宣布扩大制裁范围，未来除了中芯国际之外的大陆晶圆厂也有可能被纳入制裁名单。半导体设备的国产化需求进一步迫切。

中芯国际历年资本支出/亿美元

参考资料：Wind

进入2020年之后，中芯国际等内资晶圆厂的资本开支已经明显高于往年。通过整理晶圆厂公布的扩产规划，我们预计未来大陆晶圆厂扩建的投资计划约5000亿元。而通常，晶圆厂的投资80%会用于设备采购，因此我们预计其中的设备投资约4000亿元(1000亿/年)。而其中，28nm以下制程的设备投资约2542亿元(635亿/年)，占比60%以上。因此，28nm及先进制程设备是现在需求最大也是最缺的设备。

大陆主要12寸片月产能2020～2024年扩建计划

大陆主要8寸片月产能2020～2023年扩建计划

参考资料：公开信息整理，西南证券、中微公司招股说明书，

国元证券研究所，兴业证券研究所

（2）国产化只是打开了一个窗口，能否持续供货还是看设备的性能

从产业链国产化优先级的角度来看，晶圆制造的产能国产化是大陆半导体产业链自主可控的第一优先级，设备国产化紧随其后。因此，理论上，对于大陆半导体产业链来说，提升晶圆厂制造的自给率，包括产能、先进制程等，才是当前最紧迫的问题。但是由于最近国际形势的多重原因，美国对中国大陆晶圆厂监督加码，因此设备的国产化开始往更高的优先级逼近。

但是，设备国产化撼动不了晶圆厂对外资龙头设备的选择优先级。2021年3月29日，中华人民共和国财政部官网发布了《财政部、海关总署、税务总局关于支持集成电路产业和软件产业发展进口税收政策的通知》。该通知对进口的半导体设备采取了税收优惠。可见国产化虽然确实有动力，但是除非美国全面断供，否则撼动不了大陆晶圆厂对外资设备的迫切需求和选择优先级。

而在半导体设备国产化的进程中，我们会发现确实晶圆厂设备采购的国产化率呈现上升趋势。目前，大陆半导体设备整体国产化率不足20%。从长江存储2017年到2022年的招标统计中可以看出，产线设备整体的国产化率显著提升，从第一阶段的8%提升到第三阶段的16%，国产化趋势得到验证，但依然没有改变外资主导的现实。

长江存储招标统计

参考资料：中国采招网，安信证券研究所

对比长江存储三个阶段的供应商发现，部分国产设备（如上海睿励的OCD及膜厚测量设备）虽然第一阶段拿到订单，但是第二阶段、第三阶段已不在供应商名单，可以推断国内Fab厂在选择供应商的时候，依然是以产品性能和产品成熟度为硬核考量。可见，国产化仅仅为国内厂商打开了窗口，国产设备的订单持续性和上量还是要在产品性能和成熟度上能和外资相抗衡。也因此，重复订单和批量采购是判断细分领域设备是否成熟的关键参考指标。

（三）投资时点判断

由于半导体设备行业具备周期性，因此投资需要踩对时间点。而判断投资时间点，需要结合下游晶圆厂建设的时间周期和半导体设备的研发量产周期。

（1）晶圆厂扩产的时间点

对于晶圆厂扩产来说，通常从前期场地设计到开始生产，一般需要经过3年的时间，再经过2年的时间进行产能爬坡。而从规划到厂房开工一般要半年的时间，这中间也是设备选型的时间。通常设备选型和安装会持续近1年半到2年。这前2年时间是设备进入晶圆厂的关键时间。但是从2021年开始，疫情带来的半导体产业链紊乱，使得国际龙头设备厂商产能紧张，目前28nm的外资设备已经很难采购，部分设备厂商已不接受2023年之后的订单。外加2020年二季度，上海、北京等地的疫情原因，我们预计本轮扩产周期延缓1-2年。所以本轮周期，设备进入晶圆厂预计主要在2025年之前。

晶圆厂建设时间节点规划

参考资料：国元证券研究所

而对于新工艺的开发来说，对比台积电、三星、中芯国际等晶圆厂会发现，通常新工艺从研发到试产大约需要3年，从试产到产线成熟大约又需要3年，然后再进行产线复制扩产。从中国大陆目前的制程技术来看，中芯国际28/14 nm制程已完成小批量生产，7nm工艺已完成研发。长江存储完成了128层Nand量产，198层试产，制程在20nm前后。长鑫存储完成了1x纳米Dram量产，对应制程18-20nm，1ynm产品也在研发中。

根据已披露的扩建规划，2021～2025年，中国大陆进入新一轮的扩建周期，主要用于扩产28nm及部分先进制程产线，重点是实现28nm制程的量产。其中，中芯国际、长江存储和长鑫存储是最关键的三家晶圆厂客户。这三家晶圆厂是在国家意志下进行新工艺的研发和扩产，未来3年的扩产投资占据了整个行业的60%。

对于2025年之后的扩建推演，我们预计中芯国际、华虹等晶圆厂将在2025年之后基本跑通28nm工艺的良率，长江存储和长鑫存储也将跑通当前产品的良率，进入下一代产品的研发。因此，2025年，我们预计大陆晶圆厂将开展新一轮更先进制程的研发和产线建设，很可能迎来新一波扩产周期和设备需求。而当大陆晶圆跑通28nm之后，可能会反哺到国产半导体设备的研发和量产，进一步提升国产半导体设备的自给率。

（2）半导体设备的研发周期

半导体设备的研发需要经历Alpha机、Beta机、Gama机和最终版，四个阶段，每个阶段各一年。共需4年。一般完成Alpha机就可以进入晶圆厂做Demo。Demo过程中，不断对Alpha机进行改进，后面完成Beta机。Beta机就可参与晶圆厂设备选型，进入实际产线运行。Beta机在实际产线运行中，再不断进行改进，调试出可批量用于生产的Gama机，完成Gama机就可小批量出货，产生收入。只有当Gama机最终在产线上稳定运行，才能称之为最终版。真正完成最终版稳定机型才可以大规模量产。而以上的前提是，设备厂商拥有强力的客户资源，以给予扶持。

半导体设备研发和量产时间轴

但是，目前在大陆国产化的需求和外资设备供应紧张的情况下，国产半导体设备的研发和量产进度被加速了。国产设备厂商如果可以完成Demo，也就是Beta机完成之后，就有可能直接进入量产阶段。使得设备的研发到量产的时间从之前的3到4年，缩短到2到3年左右。这样的时间周期为国产设备提供了重要的时间窗口。

（3）匹配半导体设备的研发周期和晶圆厂扩产周期

我们预计在本轮周期中，当前完成了Alpha机并且客户评价过关的设备，才更有可能在2024年之前进入量产阶段，从而在2025年之前，赶在本轮扩产周期结束前大规模量产。而对于下一轮扩产周期，考虑到晶圆厂下一轮扩产预计集中在先进制程，因此具备先进制程设备研发生产能力的团队，将会在下一轮周期大幅受益。

（四）细分领域投资机会判断

（1）逻辑推理上可以关注的领域

对于细分领域的筛选，我们沿着国产化的逻辑进行推断。通过前面的论述，我们可以推断出，对于半导体设备国产化来说，有两个步骤：（1）横向品类空白的补齐。（2）先进制程设备的研发。

从产业链横向品类空白的角度来看。首先半导体前道设备涉及到的细分品类非常之多，而且即便同一种品类的设备，针对的下游工艺不同，技术要求会不同，其需求量也不同。通过分析各设备领域的国产化率和大陆标志企业的发展情况，我们认为在规模上应当尽可能选择空间有希望达到至少15亿人民币的细分领域。主要考虑到以下几点：

国产化率的角度：目前已经实现量产的细分领域国产化率都在20%以内。15亿即对应3亿的国产化空间。

上市退出的角度：近期科创板申报/过会的半导体设备公司收入规模基本都在3亿元以上，净利润在3000万元以上。

这样倒算下来，15亿人民币几乎是能接受的最小市场规模。

前道设备各细分领域国产化情况

参考资料：国元证券研究所，项目组整理

在规模达到15亿人民币的基础上，我们认为应当首先选择已批量出货且还有一级投资机会的领域：如CMP设备、离子注入设备和清洗设备。其次选择未大批量生产的细分工艺，主要考虑以下几点：

产业链安全的角度：各细分工艺至少一家国产备份，就能够满足大陆产业链自主可控的需求，即相对安全。

行业竞争的角度：对已有一家国产企业实现量产的领域，如果不能进行差异化竞争，则进一步替换的动力转换成技术先进性。但是如果新玩家技术与已有企业技术不分伯仲，则会出现两种不佳情况：

晶圆厂对新企业接受动力降低，新企业难以进入晶圆厂，从而发展缓慢，难以量产。从长江存储的采购名单中，也能发现同一细分工艺的设备很少存在2家内资供应商。除非这家设备公司拥有较强的客户资源支持。

新企业通过价格战进入晶圆厂，使行业陷入价格战的困境。但是这点目前反映出来得不明显。因为大陆半导体设备整体自主率较低，且半导体设备面临缺货，所以毛利率一直居高不下，通常超过40%。

从能否满足先进制程的角度来看。我们认为可以选择已量产但无法满足28nm及以下制程产线的细分领域，主要考虑到以下几点：

需求角度：我们预计晶圆厂的扩建目前及未来集中在28nm及以下的先进制程。

技术匹配：局部细分品类虽然内资实现了量产，但依然无法满足28nm及以下的先进制程，因此存在替换空间。

而目前大陆的半导体设备厂商，只有中微公司的介质层刻蚀设备、盛美半导体的清洗设备和屹唐半导体的氧化扩散炉和去胶机，这三家公司的设备曾经真正在外资的先进制程产线有出货。但是，能在先进制程出货和真正能满足最小线宽的要求是两回事。前文有提到，对于一片成型的晶圆，各层的最小线宽是不一样的。比如28nm制程，这个只是说硅表面最小的线宽，也就是栅极宽度是28nm，其余的线宽很多都是比28nm要高的。

而对于介质层来说，其线宽一般都是28nm往上。而中微公司的介质层刻蚀设备真正能做到28nm及以下制程的工艺只有少数。除上述所说的刻蚀设备、清洗设备、氧化扩散炉和去胶机，其余的领域，我们目前还没有见到确定能在28nm制程和先进制程线宽的工艺有出货的公司。

综上所述，我们认为理论上，可关注7个细分领域：CMP、量检测、离子注入、薄膜沉积、硅+金属刻蚀和光刻设备。

（2）实际投资机会上可以关注的领域

对于理论投资机会，我们进一步筛选。筛选的角度主要是国产化的可能性和一级市场的投资机会，得出CMP、清洗、薄膜、硅刻蚀、电镀和量检测设备值得短期内进一步关注。

前道设备各细分领域投资机会判断

参考资料：项目组整理

CMP设备。CMP设备主要用于晶圆每一层的抛光，使得表面平整，并且控制每一层的高度。CMP设备标准化程度比较高，大陆中低端设备已经量产，但高端设备尚未量产。大陆目前主要有华海清科和众硅科技两家公司。华海清科主要做12寸线设备，其12寸片设备已实现28nm以上线宽工艺的量产，已量产出货长江存储等厂商。众硅主要做8寸片的设备，目前8寸片设备已量产，并且出货给了士兰微等，12寸片设备正在研发。

清洗设备。清洗设备主要用于加工前后的晶圆清洗，以去除表面颗粒。大陆目前主要有盛美、北方华创、芯源微、至纯科技和江苏亚电。其中，专注清洗设备的公司主要是盛美和亚电。盛美属于上海张江引进的美国公司，前期以电镀设备起家，因为电镀设备和清洗设备都属于湿法工艺，且技术存在共通性，所以盛美后来切入到湿法清洗设备领域。目前盛美的湿法清洗设备已接近世界先进水平。而江苏亚电也属于外资技术引进的团队，据了解已实现8寸和12寸设备出货。

离子注入设备。离子注入设备主要针对晶圆进行杂质原子的掺杂，从而改变材料的导电性。离子注入设备标准化程度高，未来存在实现国产化的可能性。设备类型包括：高速流、中速流和高能量，用量比例约为3:3:1。差别在于注入离子能量的差异，中速流能量低，高速流能量比较大，高能量的能量最高。行业技术被美国的应用材料和Axcell绝对垄断，难度次于光刻机，技术门槛极高。目前大陆公司主要有中科信和万业企业下面的凯世通。中科信的样机，根据调查结果，产品距离量产还有一段距离。凯世通的产品已经通过客户验证且评价良好，目前已经出货多台，主要是高速流产品。

电镀设备。电镀设备主要负责后端工艺的铜金属导线互联。该领域除了用在前道工艺之外，先进封装也会使用。根据目前的产能规划，我们了解下来，平均1万片月产能需要1台电镀设备。但是存储厂商的需求量会更大，大约每万片月产能需要2台以上。单台电镀设备约300万美金，综合算下来，大陆未来每年的需求量在10亿元左右。但是随着未来晶圆厂制程迭代，金属互联的需求会上升，而且存储厂商未来的堆叠层数往上走，因此电镀设备的需求量预计会有所上升。我们预计2025年之后，大陆每年的需求量约在15亿元左右。因此，这里面我们也纳入考虑范围。大陆电镀设备方面，盛美半导体已经实现了前道和中道电镀设备的出货。

前道检测设备。前道检测设备主要参与前道工艺过程中的参数测量和缺陷检测，涉及到的工艺有10余种，大陆每年100多亿元的市场规模，是需要重点关注的投资领域。我们认为前道检测设备未来存在国产量产的可能性且存在一级市场投资机会。目前该市场被KLA、ASML、Hitachi、AMAT等龙头垄断，其中美国KLA垄断了50%以上的市场。但是各细分领域除了KLA之外，依然有诸多其他玩家，如Onto、Camtek等，所以这个行业对于创业公司来说，存在一定的生存空间。目前内资企业在局部细分领域已经有了突破，验证了国产可行性，但项目组了解下来，大陆的企业基本都还未实现量产。其中，东方晶源在40nm以上的电子束设备取得了客户良好的评价。上海精测OCD设备已经在长江存储取得了重复订单，但是据了解性能和稳定性方面还需要进一步改进。南京中安已经实现了晶圆厚度与翘曲度（wafersites）设备的Beta机。其余厂家有待进一步跟进。

光刻设备。首先光刻机，上海微电子已经研发了很多年，但是目前依然没有40nm以下的量产机型。芯碁微装主要是做直写光刻机，主要用于PCB版和掩模版，目前已经上市。前道光刻机的技术难度太高，而行业被ASML、尼康、佳能三家绝对垄断，我们认为该领域创业成功的概率比较低。然后涂胶显影设备，对于前道而言，90nm以下市场被TEL和DNS垄断，技术壁垒高，需要配合光刻机进行工作。国内的芯源微目前只能满足i-line需求，真正用在90nm以下制程的设备还没看到。由于行业被TEL和DNS几乎绝对垄断，我们认为先进制程自主国产化可能性极低，但是可以保持关注。

薄膜设备和刻蚀设备。两种设备的技术存在共通性，都是腔体结构设计、气流控制等方面的Knowhow，因此行业内公司的通常是两种都做。这里，我们放在一起讨论。这两个行业被应用材料（AMAT）、泛林（Lam Research）和TEL高度垄断，其他企业占比不高。薄膜设备和刻蚀设备，都会涉及繁多的细分工艺。各细分工艺的设备具有共通性，但是需要设备公司对不同工艺熟练掌握，从而能够在晶圆厂导入更多的工艺场景。北方华创、中微公司和沈阳拓荆能够切入的工艺还相对有限：

薄膜设备：内资北方华创（已上市）和沈阳拓荆（已上市）研发了十几年，基本覆盖了薄膜设备的主要细分领域，未来1-2年国产化主要看两家企业的研发和客户验证进展。

刻蚀设备：前道晶圆的工艺分为前端硅表面加工和后端介质层加工。对于前端硅表面加工，大陆能真正稳定批量用在28nm及以下线宽的量产设备还有待验证。对于后端介质层加工，据了解一共有十几到二十种工艺，中微公司已经在局部工艺取得了相当的市场份额。整体来说，内资企业在成品率、故障率以及工艺覆盖面方面还有一段路要走。

从内资这几家公司的经历来看，我们认为内资一般创业企业想通过仿制外资的路线来起量，已被证明太艰难。但是近期我们也感知到市场上的相关创业动态，未来依然会保持关注。

此外，通过观察A股上市的半导体上市公司，我们会发现半导体设备的毛利率普遍比较高，通常高于40%。而且在2022年半导体行业市值整体下调的情况下，半导体设备公司的估值依然比较坚挺，说明半导体设备凭借其稀缺性和产业链的重要性，依然被资本市场所看好。

A股主要半导体前道设备上市公司经营状况

参考资料：Wind

四、总结

结论一、行业驱动力

行业驱动力主要包括需求驱动力和技术驱动力。

需求驱动力：晶圆制造的产能国产化是大陆半导体产业链自主可控的第一优先级。设备国产化紧随其后，是国产半导体设备需求的几乎唯一动力。但是设备国产化仅仅为国产设备打开了进入晶圆厂验证的窗口，撼动不了晶圆厂对外资设备的选择优先级，国产订单的持续性和量产还是要看国产设备的性能和成熟度。

技术驱动力：摩尔定律推动晶圆厂缩小制程，带来了前道设备需求的提升和工艺精度的不断提高。

结论二、投资时点判断

匹配晶圆厂扩建的需求周期和设备研发的周期，从而对投资时间点进行判断。

需求端：晶圆厂的扩建具有周期性，通常3～5年。大陆本轮扩产周期主要是2021～2025年，重点扩产28nm制程产线，2025年之前是设备进入晶圆厂的关键时间点。下一轮扩产周期预计集中在先进制程。

供给端：研发周期通常为3年（研发到量产）。由于当前大陆晶圆厂对于设备需求对紧迫性，设备厂商完成Beta机也有可能进入量产阶段，从而获得缩短研发量产周期的可能性。那么匹配需求周期和研发周期，则本轮周期中，只有当前完成了Alpha机的设备才更有可能量产。而具备先进制程设备生产能力的企业预计将在下一轮周期大幅受益。

结论三、细分领域投资机会

从逻辑推导来看，分别从横向品类和能否满足先进制程的角度，初步筛选出可关注的7个细分领域：电镀设备、CMP设备、量检测设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、硅+金属刻蚀设备和涂胶显影设备。

对于实际投资机会，从国产化可能性和一级市场投资的角度进一步筛选，我们认为离子注入设备、CMP设备、清洗设备、薄膜设备、硅刻蚀设备、量检测设备和电镀设备可以在未来进一步关注。