半导体前道设备：2021年前道设备再迎新黄金时代.pdf

孙远峰 /熊军 /王海维 /王臣复 SAC NO:S1120519080005 2021年 6月 10日 请仔细 阅读在本报告尾部的重要法律声明 仅供机构投资者使用 证券研究报告 华西电子团队 走进“芯”时代系列深度之四十“半导体前道设备” 2021年前道设备，再迎新黄金时代 核心结论 1.中国大陆 Fab厂密集扩产，多重因素综合导致 2021年开始，前道设备国产商迎来新机遇 半导体行业存在“一代设备，一代工艺，一代产品”， 5G/IoT/AI等新技术兴起，促使半导体设备出现新一代设备更换需求。 2020-2021年中国大陆 Fab持续扩产 ，中国半导体设备市场规模达超 2千亿元。目前许多国产半导体设备公司订单爆满，产品交货期普遍延长。 2.前道设备行业价值量大且集中度高，光刻 /刻蚀 /CVD三项设备市场规模最大 前道设备行业价值量大且集中度高，一条 Fab中 70%的资本支出都用于购买前道设备，属于资金 /人才 /技术密集的行业，技术领先是行业竞争的关键。前道设备 竞争格局为寡头垄断，行业领先者享有大部分利润，全球前五大半导体设备商占市场份额 70%。前道设备共有九种设备，覆盖八类工艺，是将晶圆制成芯片的关 键，前道三大设备为光刻、刻蚀和 CVD沉积，市场规模分别为 640亿元， 770亿元、 610亿元。 PVD/清洗 /量测设备市场规模位于第二梯次，市场规模分别为 240亿 元、 250亿元、 480亿元。 3. 国产设备商技术逐渐成熟，国内增存量替代空间大 新时期，我们判断设备供应商的产业价值，需要综合考虑：填补研发空白参与度、本土产能扩容配合度、设备选型广泛度、以及设备所需核心零部件供应链稳 定度和掌控度，等等 目前中国半导体国产设备自给率仅约 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 1100 1400 1500 2000 刻蚀工艺步骤数 35 40 50 60 110 140 150 资料来源 ： SEMI、华西证券研究所 半导体 Fab的投资金额随着制程微缩大幅增加 单位：亿元 制程微缩：使得芯片制造难度、工艺步骤数量提升 2017年前道设备价值占比：刻蚀、 CVD提升最多（ %） 单位： % 单位： % 先进制程芯片的制造难度、工艺步骤数量提升 Fab用于前道设备的投资金额大幅增加 刻蚀、 CVD设备的用量大幅增加，光刻设备单价显著提升。 2018年前道制造设备价值占比：光刻 /刻蚀 /CVD为三大设备 刻蚀 光刻 CVD 12 资料来源 ： IC Knowledge、华西证券研究所资料来源 ：前瞻产业研究院 、华西证券研究所 前道设备价值持续提升：摩尔定律使得每代芯片降本增效 1986至 2020年：逻辑芯片制程工艺趋势：从 65nm缩小至 7nm/5nm 台积电为例：芯片制程从 130nm至 5nm，芯片效能提升、单位成本降低 摩尔定律下，每 18至 24个月芯片单位面积下晶体管数量将翻倍，进而提升芯片效能，降低单位制造成本，使得制造商愿意购入价格更高的前道设备。 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。 晶 圆 成 本 晶 粒 密 度 晶 粒 成 本 技术节点 技术节点 技术节点 13 摩尔定律十年内不会消失： SoC结合 SiP技术延续工艺革新 More than Moore：功能多样化 More Moore ：制程线宽缩小 基础 CMOS 器件： CP U、逻辑芯片、存储芯片 130nm 90nm 65nm 45nm 28nm 16nm 14nm 10nm 7nm 5nm 3nm 模拟 /RF 高压功率 服务器 MEMS RFID/NFC 电路设计以及系统算法优化 2.5D/3D维结构封装 系统级封装 (SiP) 数位信息 高度集成芯片 系统级芯片 (SoC) 资料来源 ： CETC、华西证券研究所 摩尔定律：将结合 SoC、 SiP两条路线发展形成更高价值芯片系统 摩尔定律十年内已经找到技术发展方向， 未来主要将结合 SoC和 SiP两条路径，带动 前道设备的需求： SoC系统级芯片 (More Moore) SoC是从设计角度出发，通过电路设计 将系统所需的组件高度集成到一块芯 片上，在一个芯片上集结了各种功能 模块，拥有更高的芯片密度和运算能 力。 但是，近年来 SoC芯片的生产成本 越来越高，技术难度和障碍升高，逐 渐出现技术瓶颈，因此行业开始同步 发展 SiP系统级封装技术，将 SoC芯片 和存储芯片或其他功能芯片封装集成 为一颗新的芯片，提高芯片的性能和 缩小尺寸。 SiP系统级封装（ More than Moore） SiP是从封装的角度出发，把多个半导 体芯片和元器件封装在同一个芯片内 ，组成一个系统级的芯片。 例如将存 储芯片和系统级芯片 SoC通过穿孔的方 式连接在一起，使得每单位集成更多 晶体管，大幅提高芯片性能，缩小芯 片尺寸。突破了传统封装 PCB线宽尺寸 较大的瓶颈。 14 SoC系统级芯片：鳍式电晶体 FET是实现 7nm以下的关键技术 资料来源 ： Samsung、 ansforece、华西证券研究所资料来源 ： ansforece、华西证券研究所 10纳米 闸极 (Gate) 源极 (Source) 漏极 (Drain) 金属 (Metal) 氧化物 (Oxide) 半导体 (Semi) 电子通道在氧化物下 方源极与漏极之间 闸极不加电压 ,电子无法导通 ,代表 0 鳍式电晶体 FET结构技术可以让闸级长度（芯片线距）持续微缩，目前 7nm/5nm技术节点为 FinFet，预计 2022年后的 5nm/3nm将往 GAAFet发展。 FinFet已成为 14nm以下芯片主流结构： 在过去的制程节点推进中，主要是通过缩小电晶体的闸级长度来减少芯片尺寸。但是随着闸级长度变 小（闸级和电子通道接触面积也变小）进而导致闸级电压调节能力变弱（导致短路），因此， FinFet立体结构可将闸级接触面积由二维增加 为三维，让减少闸级长度的同时也能增加闸级接触面积， FinFet已成为 14nm以下芯片主流结构。 GAAFet（ Gate-All-Around）预计为 3nm以下芯片的电晶体结构，有望在未来几年保持晶体管持续微缩发展： GAAFet是一种多闸极电晶体，通 过环绕式电子通道设计，增加闸级的接触面积。 GAAFet是当前 FinFet的进化版晶片生产技术，使晶片更小，处理速度更快且更省电，是一 项全新的电晶体架构。根据行业预期，三星和台积电均已经投入 GAAFet技术研发 。 电晶体的闸极 (Gate)长度：决定芯片纳米线宽 鳍式电晶体的多种结构：使得芯片闸极线宽可望至 3nm以下微缩 15 资料来源： 中微公司 、华西证券研究所 资料来源： 中微公司 、华西证券研究所 0% 20% 40% 60% 80% 100% 2014 2015 2016 2017 2018 2019E 2020E mid 2x 资料来源： Lam Research、华西证券研究所 资料来源： Lam Research、华西证券研究所 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 2014 2015 2016 2017 2018 2019E 2020E 2D NAND 3D NAND 3D芯片制造技术：从 IC设计角度集成三维结构芯片提升效能 3D NAND比 2D NAND需要叠加更多层 DRAM朝向多层结构发展 3D NAND 2014-2020年的市场占比逐年扩大 DRAM先进制程的产品占比越来越高 3D芯片制造技术已经领先应用于 3D NAND存储芯片，未来将有更多芯片尝试往 3D结构方向发展。 3D芯片制造技术，是除了 3D封装技术以外，从设计角度集成三维结构芯片的方法，但是技术难度高，目前主要应用于存储芯片 NAND和 DRAM。 存储芯片通过三维结构增加存储容量和性能： （ 1） 3D NAND技术节点包括 64层 /96层 /128层，行业预期未来将叠加至 500层，技术工艺还会持 续推进。目前三星等国际厂商的技术节点即将退出 128层结构的 3D NAND。（ 2） DRAM技术节点包括 1x/1y/1z，目前制程已朝向 1y/1z的三维结 构发展，未来随着存储容量提高和芯片尺寸缩小，结构的层数可望持续增加。 16 SiP系统性封装：从封装角度提高芯片性能的关键技术 2.5D 封装 3D 封装 资料来源 ： Yole、华西证券研究所资料来源 ：半导体行业观察、华西证券研究所 逻辑芯片 金属球 倒装芯片 TSV 衬底 衬底 存储芯片 硅基板 衬底 倒装芯片 TSV 系统性封装：芯片从 2.5D往 3D结构封装可望降低芯片尺寸 2016-2020年多家国际芯片厂商持续推出 3D IC结构芯片 3D系统性封装 SiP是在芯片线距微缩难度提升的情况下，延续摩尔定律单位电晶体集成度增加、提高芯片性能的关键技术。 3D封装大幅提升芯片效能，是未来三至五年的关键发展方向 。 （ 1） 2.5D封装的金属連線尺寸大約 10微米 。 2.5D封装通过在硅基板上进行矽穿 孔 (TSV)，间接连接起逻辑芯片和存储芯片。 （ 2） 3D封装的金属连线尺寸大约为 10nm。 3D封装是将芯片堆叠进行层间穿孔，直接连接起逻辑 电路和存储芯片。在芯片上直接穿孔的孔径比起在硅基板上穿孔的尺寸微小近千倍，因此， 3D封装比起 2.5D封装的技术难度非常大。 3D封装相比 2.5D技术可缩短芯片尺寸、减轻重量达 40-50 倍 ; 根据行业数据，在速度方面， 3D封装可节约的功率使元件运转速度加快而不增 加能耗同时，这种封装在集成度、性能、功耗等方面更具优势。虽然实际意义上的 3D系统性封装技术尚处于研发阶段，但近几年可以看到越 来越多的 CPU、 GPU、 存储器开始应用 TSV 技术朝向三维结构发展，技术出现逐渐成熟的趋势。 170 100 200 300 400 500 600 700 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019E2020E2021E 材料 结构 工艺 1990s 2000s 2010s 2020s 28nm 14nm 5nm7nm 成熟制程 先进制程 Poly-Si,W,AI W,Cu, W,Cu(Co Encapsulation) Cu(w/Co),Co,New Metals High-k Metal gate Materials-Enabled Patterning 2D Planar Fin-FET Gate all around Lithography Self-Aligned Double/Quadruple Patterning(SADP/SAQP) EUV(SADP/SAQP) 资料来源 ： SEMI、 AMAT、华西证券研究所 前道设备市场规模上升 :受益于芯片材料 /结构 /工艺趋向复杂 半导体技术材料 /结构 /工艺的进步路径 全球半导体设备投资额（亿美元） 1.2m 前道设备的市场规模随技术推动而持续上升，一代芯片技术依赖于一代工艺，而每代工艺都仰赖于前道设备实现。 材料 /结构 /工艺的进步，使得前道设备的技术难度越来愈高， 1990至 2020年 半导体设备市场规模持续增长。 （ 1）材料种类进步： Poly-Si、钨、铝 钨、铜 钨、铜、钴 新材料。（ 2）结构技术进步： 2D平面结构 FinFet结构 GAAFet结构。（ 3）制程工艺进步：光刻技术 多 重图形工艺 深紫外 EUV+多重图形工艺 18 前道设备技术节点推进：每代设备资本支出平均提升 30% 资料来源 ： ASML、华西证券研究所 资料来源 ： AMAT、华西证券研究所 Logic LED NAND 28nm DRAM 7nm OLEDLCD Planar 3D(64L) 25nm 14-16nm 前道设备资本支出未来五年将大幅增加。逻辑芯片、 DRAM和 3D NAND未来五年技术持续革新，平均每代前道设备投资额增加 30% 。 （ 1）逻辑芯片从 28nm至 7nm设备投资额增加 100%。（ 2） DRAM从 25nm至 16纳米设备投资额增加 40%。（ 3） 3D NAND从 2D至 3D64层投资额增加 60%。 半导体技术工艺在集成电路各应用领域的发展情况 Fab的前道设备投资额大幅增加 未来五年技术将持续革新 19 7nm, 27% 10nm, 2% 16nm, 22% 20nm, 1% 28nm, 16% 40/45 nm, 10% 65nm, 7% 90nm, 2% 0.11/0.13 微米 , 2% 0.15/0.18 微米 , 9% 0.25微米 及以上 , 2% 资料来源 ： TSCM、华西证券研究所 资料来源 ： TSCM、华西证券研究所（奈米 =纳米） 0.4 1.1 6.36.3 6.6 5.3 2.4 2.2 1.5 2.6 3.0 3.93.7 3.9 4.53.5 3.6 4.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 2018 2019F 2023F 10nm以下 20nm-10nm 28nm-20nm 65nm-28nm 0.2微米 -65nm 0.2微米以上 资料来源 ： IC Isight、华西证券研究所 （百万片 /月） 全球 10nm以下制造设备装机量大幅提升 2019Q3TSMC 16nm以下营收占比达 50% 2019Q3 TSMC 16nm以下营收（十亿台 币） 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020E 2021E 2022E 2023E 2025E 台积电 28nm 16nmFinFET20nmBEOL 16nmFinFET 10nmFinFET 7nm 7nm+(EUV) 5nm 6nm (EUV) 5+nm 3nm 2nm (GAAFET) 英特尔 22nm 14nm 10nm 10+nm 7nm(EUV) 7+(EUV) 7+(EUV) 三星 28nm 20nm 14nmFinFET20nmBEOL 10nm 7nm 6nm (EUV) 5nm FinFET 3nm (GAAFET) 格罗方德 28nm 20nm 14nm 10nm 7nm(停滞 ) 联电 28nm 14nm 因晋华案 停滞 中芯国际 40nm 28nm 14nm 台积电引领全球芯片制造商往先进制程推移，先进制程芯片掌握行业大部分的利润。因此，先进制程用的前道设备将持续增加。 2015-2020年全球前六大主要集成电路制造商技术节点 前道设备向先进制程转移，是未来发展必然趋势 20 前道设备行业高度垄断：龙头企业以技术领先垄断前道设备 前道设备技术难度高、行业壁垒高，前五半导体设备商分别在不同前道设备细分领域具备技术优势： 前道设备的行业集中度增加 ： 2018年全球前十大半导体设备商占据市场份额的 80%，其中又以前道设备占比最大（占比 80%），因此前十大半导体设备 商皆以前道设备为主。前道设备的技术门槛随着技术革新越来越高，导致行业集中度越来越高。 前五名半导体设备商，掌握细分领域市场份额大的前道设备 :(1)AMAT是薄膜沉积设备的 CVD和 PVD设备龙头。 (2)LAM是刻蚀设备龙头。 (3)京东电子在刻 蚀设备、 CVD设备稳居第二名。 (4)ASML是光刻机龙头。 (5)科磊半导体是检测设备龙头。因此，作为半导体设备商，前道设备是主要的竞争关键， 2014-2018年全球半导体设备供应商 TOP10市占率情况 资料来源 ： GartnerL、华西证券研究所 21 主要设备 光刻机 刻蚀设备 CVD设备 PVD设备 离子注入 氧化扩散 CMP设备 清洗设备 量测设备 第一名 第二名 第三名 Top3合计份额 (%) 75.3% 11.3% 52.7% 19.7% 18.1% 29.6% 19.5%20.9% 93% 91% 70% 84.9% 5.9% 5.5% 96% 97%66.9% 19.4% 10.3% 46.3% 20.7% 6.4% 82% 99%70.3% 26.9% 1.4% 51.3% 6.2% 17.6% 16.6% 85% 83%63.3% 15.2% 7.0% 前道九类设备： TOP3企业合计市场份额占比超 80% 资料来源 ： SEMI、赛迪、华西证券研究所 半导体前道设备的价值为何？ 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 九类前道设备 国产商最具潜力的领域：刻蚀、 CVD、 PVD、清洗、量测 一、光刻机 ：技术最难的曝光工艺，完成 芯片设计图形转移 二、刻蚀设备： 多重图形刻蚀工艺， 雕塑芯片往 10nm以下微缩 三、 CVD设备： 多重图形沉积工艺， 堆叠芯片多层结构 四、 PVD设备： 金属化沉积工艺， 实现芯片导线互连 五、离子注入设备： 离子掺杂工艺， 激活芯片生命力 六、 CMP研磨设备： 化学机械抛光工艺， 芯片结构平整化 七、炉式设备： 热处理工艺， 芯片的氧化 /扩散 /退火 八、清洗设备： 清除各种污染物， 提升芯片良率 九、量测设备： 优化各前道制程工艺， 提升芯片良率 重点推荐：国产前道设备标的 22 目录 23 5G/AI/IoT需求驱动， 2020年全球半导体设备市场四千亿元 中国芯制造需求驱动， 2020年中国半导体设备市场二千亿元 前道设备国产商迎来机遇，进入加速发展黄金时代 产业转移 ：中国逐渐成为全球芯片制造中心， 国家全力建构中国芯产业链 政策推助 ：大基金二期 保障前道设备自主可控，打造中国版应用材料、拉姆研究 技术足够先进 ：国产前道设备 技术节点多数已达国内最先进的 14nm制程 国内密集扩产 ： 2020年起中国 Fab进入 前道设备密集扩产期 国内 Fab的集成电路三大领域扩产情况： 逻辑芯片：国产先进制程加速， 制造商协同前道设备共建生态 特色芯片：国产创新应用大幅增加， 8寸前道设备供不应求 存储芯片：国产技术突破超预期， 前道设备迎来数十倍扩产需求 前道设备国产商技术成熟，进口替代逻辑正在加速验证 长江存储 3D NAND扩产 ： 大量采购国产设备 ， 国产设备市占率不断上升 目录 24 5G/IoT/AI等新技术和电子产品驱动半导体行业发展， 2020-2021年前道设备进入增长爆发阶段，全球半导体设备市场超四千亿元。 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。 55 90 99 90 95 90 100 150 260 270 280 218 253 477 280 197 222 375 329 405 428 295 159 399 435 369 318 375 365 412 566 644 576 608 668 -80% -50% -20% 10% 40% 70% 100% 130% 160% -50 50 150 250 350 450 550 650 750 全球半导体设备市场规模 同比增长率 资料来源 ： SEMI、华西证券研究所 家电 个人电脑 笔记本电脑 智能手机、平板 5G/AI/IoT 5G/IoT/AI应用驱动： 2020年全球半导体设备市场四千亿 全球半导体设备销售额 单位：亿美元 25 中国芯制造需求驱动： 2020年中国半导体设备市场二千亿元 25% 25%17% 11% 12% 5%5% 中国大陆 中国台湾 韩国 日本 北美 欧洲 其他 14.0% 12.7% 15.7% 12.3% 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 2015 2016 2017 2018 国产半导体设备自给率 资料来源 ： SEMI、华西证券研究所 资料来源： 中国电子设备协会 、华西证券研究所 917 904 1,044 1,151 711 1,091 1,080 1,010 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 2018 2019E 2020E 2021E 中国大陆 中国台湾 资料来源 ： SEMI、华西证券研究所 +6% CAGR 2018-2021年中国半导体设备市场规模 单位：亿元 2020年全球半导体设备销售额市场占比 单位： % 中国半导体设备国产化率单位： % 中国大陆 Fab将持续扩产降低国内芯片贸易逆差， 2020-2021年中国半导体设备市场规模达超 2千亿元，但国产设备自己率仅 12%， 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 10%，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。 26 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 资料来源 ：前瞻产业研究院、华西证券研究所 3,468 3,332 4,624 5,032 5,032 5,576 6,256 6,256 6,868 8,704 10,540 333 286 394 537 598 700 796 911 884 1,312 1,618 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 中国集成电路市场规模 国产集成电路市场规模 国产化率 资料来源 ： SEMI、华西证券研究所 15% 全球半导体制程中心转移至中国大陆将持续至少 10年，中国大陆将是全球半导体设备最大市场，但是芯片制造自给率仅 15%。 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。 全球半导体产业链第三次转移将以中国大陆为核心 2008-2018年中国大陆集成电路市场规模和国产化率 单位：亿元 /% 27 政策机遇：国家大基金二期，保障前道设备自主可控 半导体设备材料（占比约 6%） 北方华创、中微公司、上海睿励、长川科技、沈阳拓荆 封装测试（占比约 10%） 长电科技、华天科技、通富微电、中芯长电等 芯片设计（占比约 17%） 紫光展锐、中兴微电子、艾派克、兆易创新、国科微、北斗星通等 芯片制造（占比约 67%） 中芯国际（逻辑芯片）、上海华虹（逻辑芯片）、士兰微（特色工艺） 长江存储（存储芯片）、三安光电（光电子器件）、耐威科技等 大基金二期重点投 资半导体设备，我 们预期设备投资额 占比可望提升至 10%以上 半导体 设备、材料 存储芯片 IC制造业 5G 相关产业 重点投资方向 资料来源 ：科技新闻、华西证券研究所 资料来源 ：科技新闻、华西证券研究所 国家大基金一期半导体产业已经投资情况 国家大基金二期将提升设备材料的投资比例 半导体前道设备和材料已经列入大基金二期的重点支持对象，保障中国半导体芯片产业链自主可控 大基金二期的重点投资方向为： (1)半导体设备、材料； （ 2）存储芯片和芯片制造业；（ 3） 5G相关产业链 半导体设备投资额可望提升至 10%以上，以前道设备为主，具体包括：刻蚀设备、 CVD薄膜沉积设备、 PVD薄膜沉积设备、清洗设备、量测设 备。 28 大基金二期重点支持目标：打造中国版应用材料 /拉姆研究 1.支持龙头设备企业做大做强，提升成线能力 2.产业聚集，抱团发展，组团出海 3.持续推进国产设备、材料的下游应用 大基金二期将对 刻蚀机、薄膜沉积设备、测试设备 和 清洗 设备 等领域已布局企业 保持高强度支持 ，推动龙头企业做 大做强，提升系统化、成套化设备产品 继续填补空白，加快开展 光刻机、 CMP抛光研磨 设备等核 心设备以及关键零部件的投资布局，保障产业链安全 推动建立专属的集成电路设备产业园区，吸引装备零部件 企业集中投资研发中心或产业化基地，实现产业资源和人 才聚集，加强上下游联系交流，提升研发和产业化配套能 力，形成产业聚集的合力 积极推动国内外 资源整合、重组 ， 壮大中国大陆“ AMAT” 或“ LAM”的企业苗子。 (我们预期即北方华创、中微公司 ) 充分发挥基金在全产业链布局的优势，持续推进装备与集 成电路制造、封测企业的协同，加强基金所投企业间的上 下游结合， 加速半导体设备从“验证”到批量采购的过程 ，为本土设备材料企业争取更市场机会， 督促国内制造企 业提高国产设备验证及采购比例（我们预期为 15%以上） ， 为更多国产设备材料提供工艺验证条件，扩大采购规模。 半导体设备 国产化率 （ %） 国内主要厂商 国外主要厂商 炉式 设备 10% 北方华创 应用材料 (AMAT)、东京电子 (TEL) 光刻机 10% 上海微电子 ASML、 Nikon、Canon CVD薄膜沉 积设备 1015% 沈阳拓荆 （ 中微持股 15%） 、 北方华创 AMAT、 LAM、 TEL 刻蚀设备 10% 中微公司 、 北方华创 拉姆研究 (LAM)、AMAT、 TEL 离子注入机 10% 北京中科信 、 中电科 48所 AMAT、 Axcelis Technologies PVD薄膜沉 积设备 1015% 北方华创 AMAT、 Evatec、 Ulvac CMP抛光研 磨设备 10% 华海清科 AMAT、 Ebara 清洗 设备 10% 上海盛美 、 北方华创 Screen、 LAM、SEME等 前道量测 设备 10% 上海睿励 （ 中微持股 10%） KLA、 AMAT、日 立 资料来源 ：科技新闻、华西证券研究所 资料来源 ：前瞻产业研究院、华西证券研究所 国内核心受益的前道设备制造商国家大基金二期 重点投资前道设备三大方向 九类前道设备中的国产供应商和对应技术节点 29 国产设备商技术成熟：九类前道设备多数达 14nm先进制程 设备种类 设备细分 工艺 是否国产化 技术节点（ nm） 重点企业 光刻机 光刻机 曝光 90 上海微电子 刻蚀设备 介质刻蚀 刻蚀 65/45/28/14/7 中微公司 导体刻蚀 （ 包括硅刻蚀 、 金属刻蚀 ） 65/45/28/14 中微公司65/45/28/14 北方华创 CVD设备 PECVD化学气相沉积 薄膜沉积 65/28/14 沈阳拓荆 ALD原子层乘积 （ 用于 CVD和 PVD之外的薄 膜沉积领域 ） 28/14 北方华创 28/14 沈阳拓荆 PVD设备 PVD物理气相沉积 65/45/28/14 北方华创 氧化扩散和热处理 设备 氧化炉 /LPCVD 氧化薄膜 65/28/14 北方华创 退火炉 、 合金炉 、 单片退火 热处理 65/45/28 北方华创 离子注入设备 离子注入机 离子注入 65/45/28 北京中科信 清洗设备 镀铜 /清洗 清洗 28/14 上海盛美清洗机 65/45/28 北方华创 CMP研磨设备 CMP化学机械抛光 研磨抛光 28/14 华海清科 /盛美 /45所 量测设备 光学检测 （ OCD/薄膜 ） 检测 65/28/14 上海睿励、中科飞测 其他设备 匀胶机 涂胶显影 90/65 沈阳芯源清洗 /CDS、 Sortner、 Scrubber 其他 至纯 /上海新阳 /京仪 资料来源： 赛迪咨询 、华西证券研究所 6 5 3 1 1 1 2 13 3 1 2 2 1 6 1 1 2 11 1 4 2 1 1 0 2 4 6 8 10 12 14 中国大陆 美国 中国台湾 东南亚 欧洲 二、去除已变化的表面物质 (引入氩离子去除表面的氯化层 )两个步骤，此刻蚀技术具备自限制性，表面饱和及反应停止。因此，刻蚀 工艺的控制性高、均匀度好且为各项同性。目前，主要应用于传统刻蚀无法处理的细微的孔洞和结构，随着结构精细化，未来应用场景可望增加。 选择比 /均匀性效果优异，且深宽比等量刻蚀 62 ALE有选择地去除原子尺度 上的目标材料，而不会损坏 结构的其他部分，可以 蚀刻 出具有或 5个原子宽度间隙 的沟槽（ 0.1nm） 63 ALE原子层刻蚀：在先进工艺精细结构的应用需求日益增长 原子层刻蚀目前可应用在电晶体 SAC结构、 EUV光刻、 GAAFet工艺，随着芯片更精细和出现三维结构（ FinFet和 3D NAND）， ALE的应用需求正日益增长。 原子层刻蚀在先进制程工艺中用于要求精细的结构， 2020年市场规模达 4.5亿美元。（ 1）电晶体 SAC工艺应用： SAC工艺在晶体管栅极上方添加保护 性介电层，防止触点对栅极短路。 ALE可用于精准塑造出接触孔轮廓，而不损伤间隔层；（ 2） EUV光刻工艺应用： 导入 EUV光刻后 EUV掩模版会引起线 边源粗糙，目前可用 ALE的高均匀度将边源粗糙变平滑。（ 3） GAAFet工艺应用： 需要制作系硅锗和硅交替层组成的超晶格机构。在工艺过程中，硅 锗层必须被去除而不接触硅层。此工艺目前只能通过 ALE完成。综上所述，根据晨星公司数据，至 2020年， ALE在内的选择性刻蚀市场达 4.5亿美元。 ALE精准刻蚀接触孔而不伤害隔层 SAC工艺中选择比 /深宽比 /均匀度成为关键 ALE刻蚀选择比是传统刻蚀的两倍 ALE在电晶体 SAC工艺中表现较传统刻蚀优异 原子层刻蚀 传统刻蚀 VS ALE在鳍式电晶体中刻蚀的沟槽“显著优于”传统刻蚀 自对准接触 SAC 资料来源： LAM、华西证券研究所 资料来源： LAM、华西证券研究所 64 国际 VS国内 :LAM技术全球领先 ,国产中微和北方技术紧追 国际厂商 国内厂商 LAM/TEL/AMAT高度垄断，前三大市场份额合计占比 90.5% 资料来源： SEMI、华西证券研究所 LAM刻蚀技术领先占据全球第一， TEL和 AMAT分居第二。国产方面：中微公司、北方华创分别在介质和导体刻蚀接近国际水平，技术节点达 5nm和 14nm。 国际刻蚀设备商： LAM的刻蚀设备技术水平全球领先，市场份额稳定在 50%； AMAT和 TEL凭借在 CVD和 PVD的产品组合优势紧追在后。 国产刻蚀设备商： 中微公司的介质刻蚀设备已经打入台积电 7nm/5nm产线，是全球唯一进入台积电产线的国产刻蚀设备商。北方华创的 14nm导体刻 蚀设备已经通过 ICRD验证，进入中芯国际 14nm产线验证中。整体而言，刻蚀设备是目前国内和国际的技术差距最小的高端前道设备。 52.70% 19.70% 18.10% 9.50% LAM TEL AMAT 其他 项目 应用领域 关键尺寸 拉姆研究 东京电子 中微公司 北方华创 导体刻蚀 槽刻蚀 栅极 硅通孔 平面 - - 窄线条 - 金属掩膜 - 28nm-14nm 已量产 已量产 已量产 已量产 14nm-7nm 已量产 已量产 客户验证中 客户验证中 7nm-5nm 已量产 已量产 研发中 研发中 介质刻蚀 通孔 - 接触孔 - 侧墙 - 28nm-14nm 已量产 已量产 已量产 - 7nm 已量产 已量产 客户验证中 - 5nm 客户验证中 客户验证中 客端验证中 - 3nm 研发中 研发中 研发中 - 原子刻蚀 精密结构 14nm以下 已量产 已量产 中微公司、北方华创的刻蚀设备技术节点已接近国际水平 资料来源： 各公官网整理搜集 、华西证券研究所备注：各家厂商技术不同，实际应用领域有所差异，仅供参考 刻蚀设备：国际和国内主要厂商 65 国产刻蚀设备验证通过比例高 ,长江存储大量采购 应用名称 数量 是否国产 比重 公司 1 Poly Gate（ 多晶硅栅极工艺） 1 验证 8.60% 北方 /中微 2 STI（浅槽隔离工艺） 1 量产 9.90% 北方 /中微验证 3 Spacer（ 侧壁工艺） 2 验证 9.90% 北方 4 Metal Gate（ 金属闸极刻蚀） 2 无 - - 5 Hard Mark（ 金属硬掩膜层） X-1 验证 12.80% 北方 6 Al-Pad （ 铝金属层） 1 量产 6.60% 北方 7 Contact（ 孔刻蚀） 1 无 6.90% - 8 Dielectric （介电质工艺、氧化物和 氮化物刻蚀） X2/X4 量产 45.30% 中微 备注：图中的刻蚀应用比重是以 28nm芯片制程节点的占比进行测算得出，有鉴于 各个应用领域和技术节点的芯片结构和工艺均有区别，因此仅供参考 资料来源： 半导体工艺技术 、华西证券研究所 中微、北方已通过和验证中的刻蚀工艺占比达 93.1% 23% 10% 50% 12% 10% 1% 中微公司 AMAT LAM TEL Matsson 牛津仪器 长江存储的国产刻蚀设备中标数（ 2020年 1 月） 中微在长江存储中标的介质刻蚀设备占比第二名 长江存储 64层 3D NAND技术节点约 为 20nm，国产刻 蚀设备商技术相 对成熟。在技术 验证通过下，实 现大规模进口替 代 国产刻蚀设备通过验证的工艺占比为 93.1%，技术突破使得国产化率大幅增加。 截至 2020年 1月 ， 长江存储 64层 3D NAND产线采购刻蚀设备共 200余台， 其中，中微公司中标介质刻蚀设备 38台，北方华创中标硅刻蚀设备 9台。 长江存储采购的国产刻蚀设备占比近 23%，远超于以往平均低于 10%的水平。 资料来源： 必联网、 华西证券研究所 资料来源： 必联