2020半導(dǎo)體行業(yè)分析研究報(bào)告

1、2020半導(dǎo)體行業(yè)分析研究報(bào)告1. 半導(dǎo)體設(shè)備推動芯片制造業(yè)的發(fā)展41.1半導(dǎo)體設(shè)備推動摩爾定律的實(shí)現(xiàn) 41.2不同的設(shè)備在芯片制造過程中分工明確41.3半導(dǎo)體設(shè)備市場高度集中 61.3.1市場空間隨下游半導(dǎo)體變化61.3.2細(xì)分領(lǐng)域市場多為寡頭壟斷 72. 半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)需要理解的三個問題102.1為何設(shè)備企業(yè)在客戶集中度很高的情況下仍擁有定價(jià)權(quán)？ 102.1.1工藝復(fù)雜和分工細(xì)化提升設(shè)備廠商話語權(quán) 102.1.2設(shè)備廠商承擔(dān)了晶圓廠的前期研發(fā)任務(wù)102.1.3設(shè)備定制化帶來極高客戶粘性和轉(zhuǎn)換成本 102.2為何光刻一家獨(dú)大，刻蝕寡頭壟斷？ 112.2.1光刻和刻蝕技術(shù)更替的差異帶來市場格局

2、不同112.2.2 光刻：新舊技術(shù)替代帶來完全壟斷 112.2.3刻蝕：新舊技術(shù)共存形成寡頭競爭122.3為何近些年來刻蝕設(shè)備的價(jià)值占比不斷上升？ 152.3.1光刻機(jī)的技術(shù)瓶頸推動刻蝕機(jī)市場發(fā)展 152.3.2芯片設(shè)計(jì)的變化帶來刻蝕設(shè)備需求的提升 163. 展望未來，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備正在逆襲173.1工程師紅利助力我國企業(yè)的追趕式研發(fā)173.2半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中國轉(zhuǎn)移和存儲器國產(chǎn)化是重大機(jī)遇183.2.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)向中國，突破國內(nèi)客戶是第一步183.2.2存儲器國產(chǎn)化為我國刻蝕機(jī)廠商帶來機(jī)遇203.2.3從專一突破到平臺整合是我國企業(yè)應(yīng)借鑒的成長之路214. 風(fēng)險(xiǎn)提示22相關(guān)報(bào)告匯總23插圖目

3、錄圖1:晶圓加工過程示意圖5圖2：典型晶圓加工廠的廠房區(qū)域布局6圖3:全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額和集成電路銷售額（單位：億美元）7圖4：2017年半導(dǎo)體設(shè)備和晶圓廠設(shè)備市場份額 7圖5:2018年光刻機(jī)市場份額 8圖6：2018年刻蝕機(jī)市場份額 8圖7：2018年cvd市場份額8圖8:2018年pvd市場份額8圖9:2017年cmp市場份額 8圖10:離子注入機(jī)全球市場份額8圖11:前道晶圓檢測設(shè)備市場份額9圖12:2017年后道檢測設(shè)備市場份額 9圖13:典型的cmos剖面示意圖和部分刻蝕工藝的作用13圖14: 1988-2002年全球刻蝕設(shè)備銷售額（單位：百萬美元）14圖15:1988-2002

4、年全球刻蝕設(shè)備份額變化14圖16: 2007-2018年全球刻蝕設(shè)備份額變化14圖17: 2001-2017年各類設(shè)備在晶圓廠中的價(jià)值占比 15圖18:全球刻蝕市場規(guī)模（億美元）15圖19:利用刻蝕提升制造精度的方法示意圖 16圖20:不同制程中刻蝕工藝的步驟數(shù)示意圖 16圖21: 2dnand和3dnand設(shè)備價(jià)值占比17圖 22： 2dnand和 3dnand示意圖17圖23： lam research歷年下游客戶占比17圖24：全球的半導(dǎo)體設(shè)備銷售額和中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額（億美元）19圖25:中國芯片市場規(guī)模和中國芯片本土制造市場規(guī)模（億美元）20圖26:長江存儲刻蝕機(jī)中標(biāo)總數(shù)量占比

5、（截止2020年2月底）21圖27: 長江存儲介質(zhì)刻蝕設(shè)備中標(biāo)數(shù)量占比（2020年2月底）21圖28:長江存儲硅刻蝕設(shè)備中標(biāo)數(shù)量占比（2020年2月底）21表格目錄表1:單個芯片集成元件數(shù)量的演進(jìn)4表2： 2018年前六大半導(dǎo)體設(shè)備公司主要產(chǎn)品分布 9表3:全球前六大半導(dǎo)體設(shè)備廠商歷年市場份額 9表4：歷代主流光刻機(jī)的主要特點(diǎn) 12表5:2019年前道光刻機(jī)全球出貨量 12表6:兩種主要等離子干法刻蝕技術(shù)的對照13表7：部分半導(dǎo)體設(shè)備的海外領(lǐng)先企業(yè)和國內(nèi)追趕企業(yè) 18表8： 2018年底全球晶圓加工產(chǎn)能分布（8寸當(dāng)量）191. 半導(dǎo)體設(shè)備推動芯片制造業(yè)的發(fā)展1.1半導(dǎo)體設(shè)備推動摩爾定律的實(shí)現(xiàn)半

6、導(dǎo)體是指在某些條件下導(dǎo)電某些條件下不導(dǎo)電的一類材料，生活中常用“半導(dǎo)體” 一詞來泛指半導(dǎo)體電子 元器件。集成電路是最重要的一類半導(dǎo)體器件，又稱為芯片。1906年美國人德福雷斯特(lee de forest)發(fā)明了世界上第一個真空三極管，1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了 固態(tài)晶體管，1957年位于美國加州的仙童半導(dǎo)體公司(fairchild semiconductor)制造出第一個商用平面晶 體管。1959年，仙童公司和德州儀器公司(texas instruments)分別在硅片和錯片上完成了微縮電路的制 造，集成電路就此誕生。自問世以來，單個芯片上集成的元件數(shù)量不斷增長。1965年英特爾(intel

7、)創(chuàng)始人之一戈登摩爾(gordon moore)提出，在價(jià)格不變的情況下一塊集成電路上可容納的元器件的數(shù)目將每18-24個月增加一倍，性能 也將提升一倍，這就是著名的摩爾定律。自20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)的前十幾年，摩爾定律完美詮釋了集 成電路的發(fā)展歷程。摩爾定律的背后是半導(dǎo)體設(shè)備的不斷精進(jìn)。集成電路多以單晶硅為基底材料，成千上萬的元器件和導(dǎo)線經(jīng)過 一些列工藝被“雕刻”在硅片上，完成這些“雕刻”步驟的工具就是半導(dǎo)體設(shè)備?！暗窨獭本鹊奶嵘龓碓骷?寸的縮小，現(xiàn)今的晶工藝尺寸是以納米級計(jì)量的。集合了全球頂尖制造技術(shù)的半導(dǎo)體設(shè)備在過去半個世紀(jì)中 不斷推動著人類工業(yè)文明的進(jìn)步。表1：單個芯片集成

8、元件數(shù)量的演進(jìn)分類誕生時間元件數(shù)量小規(guī)模集成電路(ssi)20世紀(jì)60年代前期2-100中規(guī)模集成電路(msi)20世紀(jì)60年代中期1005000大規(guī)模集成電路(lsi)20世紀(jì)70年代前期1000-10 萬超大規(guī)模集成電路(vlsi)20世紀(jì)70年代后期10萬100萬特大規(guī)模集成電路(ulsi)20世紀(jì)90年代前期100 萬-1000 萬巨大規(guī)模集成電路(gsi)20世紀(jì)90年代中期1000萬以上資滸來源：東興證券研究所1-2不同的設(shè)備在芯片制造過程中分工明確半導(dǎo)體設(shè)備主要可以分為前道設(shè)備和后道設(shè)備，前道設(shè)備是指晶圓加工設(shè)備，后道設(shè)備是指封裝測試設(shè)備。 前道設(shè)備完成芯片的核心制造，后道設(shè)備完

9、成芯片的包裝和整體性能測試，因此前道設(shè)備通常技術(shù)難度更高。圖1:晶加工過程示意圖氧化涂光刻膠光刻光刻膠顯影氧化硅刻蝕去光刻膠氧化 （氧化硅柵）曝光后的光刻膠多晶硅沉積多晶硅光刻和刻蝕離子注入有源區(qū)氮化硅沉積接觸孔刻蝕金屬沉積與刻蝕資料來源:半導(dǎo)體制造技術(shù),東興證券研究所前道的晶圓加工工藝包括氧化、擴(kuò)散、退火、離子注入、薄膜沉積、光刻、刻蝕、化學(xué)機(jī)械平坦化（cmp） 等，這些工藝并不是單一順序執(zhí)行，而是在制造每一個元件時選擇性地重復(fù)進(jìn)行。一個完整的晶圓加工過程中, 一些工序可能執(zhí)行幾百次，整個流程可能需要上千個步驟，通常耗時六到八個星期。這些工藝的大體作用如下: 氧化、退火工藝的主要作用是使材料

10、的特定部分具備所需的穩(wěn)定性質(zhì)； 擴(kuò)散、離子注入工藝的主要作用是使材料的特定區(qū)域擁有半導(dǎo)體特性或其他需求的物理化學(xué)性質(zhì)； 薄膜沉積工藝（包括ald、cvd、pcd等）的主要作用是在現(xiàn)有材料的表明制作新的一層材料，用以 后續(xù)加工； 光刻的作用是通過光照在材料表面以光刻膠留存的形式標(biāo)記出設(shè)計(jì)版圖（掩膜版）的形態(tài)，為刻蝕做準(zhǔn) 備；刻蝕的作用是將光刻標(biāo)記出來應(yīng)去除的區(qū)域通過物理或化學(xué)的方法去除，以完成功能外形的制造;cmp工藝的作用是對材料進(jìn)行表面加工，通常在沉積和刻蝕等步驟之后； 清洗的作用是清除上一工藝遺留的雜質(zhì)或缺陷，為下一工藝創(chuàng)造條件； 量測的作用主要是晶圓制造過程中的質(zhì)量把控。集成電路就在沉積

11、、光刻、刻蝕、拋光等步驟的不斷重復(fù)中成型，整個制造工藝環(huán)環(huán)相扣，任一步驟出現(xiàn)問 題，都可能造成整個晶圓不可逆的損壞，因此每一項(xiàng)工藝的設(shè)備要求都很嚴(yán)格。如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻機(jī)是打草稿的畫筆，刻蝕機(jī)則是雕刻刀，沉積的薄膜則是用來 雕刻的材料。光刻的精度直接決定了元器件刻畫的尺寸，而刻蝕和薄膜沉積的精度則決定了光刻的尺寸能否 實(shí)際加工，因此光刻、刻蝕和薄膜沉積設(shè)備是芯片加工過程中最重要的三類主設(shè)備，占前道設(shè)備的近70%>圖2：典型晶圓加工廠的廠房區(qū)域布局測試注：勇頭代表硅片流程資料來源:半導(dǎo)體制造技術(shù),東興證券研究所后道設(shè)備可以分為封裝設(shè)備和測試設(shè)備，其中封裝設(shè)備包括劃片機(jī)

12、、裝片機(jī)、鍵合機(jī)等，測試設(shè)備包括中測 機(jī)、終測機(jī)、分選機(jī)等。后道設(shè)備的功能較易理解，劃片機(jī)將整個晶圓切割成單獨(dú)的芯片顆粒，裝片機(jī)和鍵合機(jī)等完成芯片的封裝， 測試設(shè)備則負(fù)責(zé)各個階段的性能測試和良品篩選。1.3半導(dǎo)體設(shè)備市場高度集中1.3.1市場空間隨下游半導(dǎo)體變化根據(jù)日本半導(dǎo)體制造業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，2018年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額為645億美元。世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)協(xié)會(wsts)的數(shù)據(jù)顯示,2018年全球半導(dǎo)體銷售額為4688億元，其中集成電路3633 億元；2019年由于存儲器降價(jià)明顯，全球半導(dǎo)體銷售額下滑為4090億美元，其中集成電路3304億美元。近些年來半導(dǎo)體設(shè)備的銷售額與集成電路銷售額的波動大

13、體同步，也體現(xiàn)了行業(yè)資本投資存在一定周期性。圖3：全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額和集成電路銷售額(單位：億美元)黃料來源:日本半導(dǎo)體割造業(yè)協(xié)會,nsts, wind,東興證券研究所1.3.2細(xì)分領(lǐng)域市場多為寡頭壟斷半導(dǎo)體設(shè)備中晶圓加工設(shè)備價(jià)值占比超過80%,其余為封裝和測試設(shè)備。在晶圓加工設(shè)備中，光刻機(jī)、刻蝕 機(jī)和薄膜沉積設(shè)備三類主要設(shè)備合計(jì)價(jià)值占比接近70%o圖4： 2017年半導(dǎo)體設(shè)備和晶圓廠設(shè)備市場份額10%測試設(shè)備半導(dǎo)體設(shè)備晶圓加工設(shè)備黃沂來源:semi,中微公司招股說明書，東興泣券研究所全球半導(dǎo)體設(shè)備市場高度壟斷，其中最重要的設(shè)備制造廠商包括阿斯麥(asml)、應(yīng)用材料(applied mat

14、erials)a 東京電子(tokyo electron)> 泛林半導(dǎo)體(lam research)> 科磊半導(dǎo)體(kla-tencor)、迪恩 士(screen)、日立高新(hitachi).泰瑞達(dá)(teradyne)、愛德萬(advantest)等等。這些廠商通常專注 于某個領(lǐng)域，并在擅長的領(lǐng)域擁有較高的市場份額。其他其他資料來源:gartner.鯨準(zhǔn)2019 g成電路行業(yè)研究報(bào)告，東興證券研究所 資料來源:gartner.鯨準(zhǔn)2019集成電路行業(yè)研究報(bào)告，東興證券研究所圖7： 2018年cvd市場份額圖& 2018年pvd市場份額資料來源:gartner,鯨淀2019

15、集成電路行業(yè)研究報(bào)告,東興證養(yǎng)研究所 資料來源:gartner.鯨冷2019集成電路行業(yè)研究報(bào)告，東興證彖研究所圖9： 2017年cmp市場份額圖10：離子注入機(jī)全球市場份額東京精密其他其他資料來源:電子產(chǎn)品世界，東興證券研究所 資料來源:前瞻產(chǎn)業(yè)研究院東興證券研究所圖11:前道晶圓檢測設(shè)備市場份額 圖12： 2017年后道檢測設(shè)備市場份額應(yīng)用材料12%資料來源:中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，東興證券研尤所資料來源：華商情報(bào)網(wǎng),東興泣4研究所表2： 2018年前六大半導(dǎo)體設(shè)備公司主要產(chǎn)品分布阿斯麥應(yīng)用材料i泛林東京電子科磊screen光刻機(jī)涂膠顯影v刻蝕機(jī)vv清洗4vv熱處理ald4vcvdpvdv離子注入

16、vcmpv前道檢測v資料來源：東興證券研究所表3：全球前六大半導(dǎo)體設(shè)備廠商歷年市場份額20092010i20112012201320142015201620172018應(yīng)用材料17.1%17.9%15.6%17.3%18.1%17.4%18.2%18.8%19.2%17.6%阿斯麥10.3%14.1%16.0%14.0%17.6%16.5%14.8%14.2%14.8%16.0%東京電子10.9%12.4%12.6%12.2%10.5%11.8%11.2%11.4%12.7%13.5%泛林5.6%7.1%5.7%7.3%10.0%10.3%12.5%11.9%14.0%13.4%科磊6.4%5

17、.8%6.4%7.2%7.1%6.1%6.0%6.1%5.5%5.3%screen7.9%6.1%6.4%5.9%5.9%4.7%4.5%4.9%4.1%4.1%合計(jì)份額58.2%63.4%62.7%63.9%69.1%67.0%67.3%67.3%70.3%69.8%資彩來源:bloorrberg.東興證券研。所主要的設(shè)備廠商中，阿斯麥在光刻機(jī)領(lǐng)域拼有絕對優(yōu)勢，應(yīng)用材料、東京電子和泛林半導(dǎo)體則在刻蝕和薄膜 沉積等領(lǐng)域寡頭壟斷，而科磊和迪恩士等則利用其在某項(xiàng)領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢獲得一定市場份額。從市場份額情 況可以看出，光刻機(jī)、刻蝕機(jī)和沉積設(shè)備三類主設(shè)備廠商擁有絕對的優(yōu)勢。2. 半導(dǎo)體設(shè)備行業(yè)需要理

18、解的三個問題2.1為何設(shè)備企業(yè)在客戶集中度很高的情況下仍擁有定價(jià)權(quán)？2018年全球半導(dǎo)體設(shè)備銷售額為645億美元，僅四家晶圓廠（臺積電，三星，海力士，美光）的采購額就 接近450億美元，半導(dǎo)體設(shè)備的客戶集中度極高。依照產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)的一般規(guī)律，下游客戶集中度越高，行業(yè) 的定價(jià)權(quán)越弱，然而半導(dǎo)體設(shè)備卻打破了這個規(guī)律。近年來，半導(dǎo)體設(shè)備的增速往往快于整個半導(dǎo)體行業(yè)的 增速，半導(dǎo)體設(shè)備在整個產(chǎn)業(yè)鏈中擁有越來越多的定價(jià)權(quán)。我們認(rèn)為主要原因有三點(diǎn)：產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜，技術(shù)進(jìn) 步快，轉(zhuǎn)換成本高2.1.1工藝復(fù)雜和分工細(xì)化提升設(shè)備廠商話語權(quán)在通常的制造產(chǎn)業(yè)鏈中，如果客戶集中度高，上游設(shè)備廠的議價(jià)能力往往會大幅減弱。電池

19、產(chǎn)業(yè)鏈就是個很 好的例子，雖然電池生產(chǎn)商集中程度和半導(dǎo)體類似，但電池設(shè)備生廠商的議價(jià)能力非常弱，有時電池廠商與 設(shè)備生產(chǎn)商共同開發(fā)出一款設(shè)備，專利歸屬電池廠而非設(shè)備商。但半導(dǎo)體設(shè)備從未出現(xiàn)過類似的情況。在制造業(yè)中，產(chǎn)業(yè)鏈步驟越多，上游材料設(shè)備的話語權(quán)越強(qiáng)。電池生產(chǎn)與半導(dǎo)體生產(chǎn)最大的區(qū)別在于其生產(chǎn) 步驟數(shù)量。電池生產(chǎn)只需要幾十步流程，電池生產(chǎn)商在生產(chǎn)自己產(chǎn)品的同時，完全有余力去做上游的設(shè)備和 材料。然而半導(dǎo)體的生產(chǎn)流程動輒需要幾千步，晶圓廠將產(chǎn)品經(jīng)過幾千步的工藝過程制造出來，良率達(dá)到一 定的標(biāo)準(zhǔn)，需要花費(fèi)大量的精力，沒有余力去做上游設(shè)備及材料的開發(fā)。因此，晶圓加工廠寧愿為設(shè)備廠商 讓渡更多利潤，

20、來獲得設(shè)備廠最新的產(chǎn)品和持續(xù)的技術(shù)支持，設(shè)備廠商從而擁有更高的定價(jià)權(quán)。2.1.2設(shè)備廠商承擔(dān)了晶圓廠的前期研發(fā)任務(wù)半導(dǎo)體生產(chǎn)步驟復(fù)雜是半導(dǎo)體設(shè)備利潤率高的原因之一，但是半導(dǎo)體設(shè)備廠和下游晶圓制造廠相互配合的研 發(fā)模式也是設(shè)備行業(yè)常年高利潤的另一個原因。半導(dǎo)體設(shè)備的供應(yīng)對于晶圓加工廠來說不僅僅是產(chǎn)能的提升，更是制程精進(jìn)的基礎(chǔ)，設(shè)備企業(yè)對于晶圓加工 廠來說更像是外置的研發(fā)中心。如今的芯片加工以納米為尺度，在微觀世界中很多基礎(chǔ)理論還尚未完善，設(shè)備精度的每一次提升都伴隨著大 量的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)的研究。在晶圓加工過程中動輒上千步的晶圓加工工藝開發(fā)已然令晶圓廠應(yīng)接不暇, 將設(shè)備研發(fā)的任務(wù)和風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)交給設(shè)

21、備廠商是晶圓廠更明智的選擇。因此，晶圓廠不但不會試圖壓低設(shè)備廠商 的利潤，還會主動提供資金和資源支持新設(shè)備的研發(fā)。2.1.3設(shè)備定制化帶來極高客戶粘性和轉(zhuǎn)換成本設(shè)備出廠到晶圓廠產(chǎn)線通常還需要一段時間的安裝和調(diào)試。由于晶圓加工工藝各有不同，部分設(shè)備是高度定 制化的，設(shè)備需要針對晶圓廠要求進(jìn)行特殊的研發(fā)和設(shè)置。完整的工藝開發(fā)需要設(shè)備廠和晶圓廠合作完成， 已經(jīng)成熟的工藝如果更換設(shè)備，會需要重新投入大量的人力和財(cái)力，并且承擔(dān)未知的風(fēng)險(xiǎn)，因此晶圓廠對于 設(shè)備通常具有較高粘性。2.2為何光刻一家獨(dú)大，刻蝕寡頭壟斷？一方面，半導(dǎo)體設(shè)備整體市場規(guī)模不大，各類設(shè)備市場規(guī)模多在幾十億美元，最高的光刻和刻蝕也只到百

22、億 美元的規(guī)模；另一方面，半導(dǎo)體設(shè)備屬于技術(shù)門檻極高的行業(yè)，需要較多的技術(shù)積累和持續(xù)的高研發(fā)投入。 因此，無論是整個行業(yè)還是某個子領(lǐng)域，市場均呈現(xiàn)高度集中。然而我們發(fā)現(xiàn)，同作為主設(shè)備，光刻與刻蝕 的競爭格局卻不太相同，在光刻領(lǐng)域呈近乎完全壟斷的競爭格局，然而在刻蝕領(lǐng)域卻呈現(xiàn)寡頭競爭的競爭格 局，我們認(rèn)為導(dǎo)致這種競爭格局的根本原因在于這兩個領(lǐng)域的技術(shù)變遷特點(diǎn)不同。2.2.1光刻和刻蝕技術(shù)更替的差異帶來市場格局不同浸潤式光刻是干法光刻的替代技術(shù)。光刻技術(shù)限制集成電路制程發(fā)展，晶圓廠為了獲得更高分辨率的光刻機(jī) 煞費(fèi)苦心。80年代，尼康在光刻領(lǐng)域占有壟斷地位，此時光刻領(lǐng)域以干法光刻為主。2000年，更

23、高分辨率 的浸潤式光刻取代了干法光刻，因此阿斯麥也取代了尼康佳能在光刻領(lǐng)域的霸主地位。icp刻蝕并不是ccp刻蝕的替代技術(shù)，而是各有所長，側(cè)重了不同工藝步驟。icp技術(shù)是刻蝕底層器件的，ccp技術(shù)是刻蝕上層線路的。集成電路結(jié)構(gòu)中既有底層器件又有上層線路，icp在發(fā)明之初就與ccp技術(shù) 共存。集成電路的底層器件只有一層，光刻技術(shù)在20nm以上可以在底層器件上做到絕對精確，所以只需要 用一次icp工藝，然而集成電路的上層線路卻有幾十層之?dāng)?shù)，需要用到幾十次ccp刻蝕，所以20nm以前 的刻蝕設(shè)備以ccp為主，擅長ccp刻蝕的應(yīng)用材料一家獨(dú)大。然而20nm以下，由于光刻的精度達(dá)到了極 限，需要用多重刻

24、蝕+薄膜的技術(shù)在集成電路的底層器件上實(shí)現(xiàn)要求的精度，icp在底層器件上的使用次數(shù) 一下暴增，這就造成了近年擅長icp刻蝕的泛林半導(dǎo)體超越了應(yīng)用材料，成為刻蝕領(lǐng)域的龍頭。然而ccp 的需求一直還存在，并沒有被icp取代，所以應(yīng)用材料仍舊保有一定的刻蝕領(lǐng)域的市場份額。2.2.2光刻：新舊技術(shù)替代帶來完全壟斷荷蘭的阿斯麥?zhǔn)枪饪虣C(jī)市場上的霸主，市占率超過70%o雖然尼康和佳能還擁有一定市場份額，但在主流的 邏輯芯片加工領(lǐng)域，尼康和佳能完全無力和阿斯麥競爭。在2000年之前，光刻機(jī)市場還不是這樣的局面。60年代末，尼康和佳能開始制造光刻機(jī)，彼時的光刻機(jī)的 復(fù)雜程度和相機(jī)差不多。1984年阿斯麥成立時，光

25、刻機(jī)還是尼康的天下，市場份額一度超過50% 而阿斯 麥的份額常年不超過10%o90年代，光刻機(jī)開始了光源波長的競爭。光刻機(jī)將掩膜版上的圖形刻畫到晶圓上，利用的就是光走直線性質(zhì)。 但是微觀世界下光的衍射作用會使光線不一定走直線，這直接影響光刻機(jī)的最高分辨率，若要提高分辨率就 需要縮小光源的波長。到90年代末，193nm波長的duv （深紫外光）光刻機(jī)也已經(jīng)研制成功，但人們遲遲 沒能完成下一代的157nm波長產(chǎn)品的研發(fā)。就在此時，時任臺積電研發(fā)副經(jīng)理的林本堅(jiān)提出了利用水的折 射縮短光波長的方案，即后來的“浸沒式光刻”。但是業(yè)界龍頭尼康不愿意放棄前期在157nm波長研發(fā)上投 入的巨額成本，拒絕了林本

26、堅(jiān)的方案，只有阿斯麥決定押注這個方向。2004年，阿斯麥和臺積電共同研發(fā) 的浸沒式光刻機(jī)誕生，由于是在成熟的193nm技術(shù)上改進(jìn)的，設(shè)備穩(wěn)定性和改造成本明顯優(yōu)于尼康同時推 出的157nm干式刻蝕機(jī)。阿斯麥的市場份額隨之大幅提升，從原來的不到10%'j 2009年達(dá)到了 70% 成 為絕對的領(lǐng)先者。尼康在此關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的決策錯誤使其在短短幾年時間內(nèi)失去了行業(yè)領(lǐng)先的地位。真正奠定阿斯麥霸主地位的是13.5nm波長euv （極紫外光）光刻機(jī)的研發(fā)。euv光刻機(jī)早在90年代就已 經(jīng)提出，由于其技術(shù)難度高，英特爾說服美國政府成立了 euvllc這個合作研發(fā)組織。由于美國政府的阻撓， 尼康被排除在外

27、，而阿斯麥則在做出一些列承諾后加入組織。euv光刻機(jī)的研發(fā)可謂集中了歐洲和美國的最 先進(jìn)技術(shù)，英特爾、三星、臺積電等也紛紛入股阿斯麥，獨(dú)立研發(fā)的尼康也無力再參與競爭。2019年，歷時 20年研發(fā)的euv光刻機(jī)終于應(yīng)用于產(chǎn)線，它的誕生將大幅縮減7nm和5nm制程的工藝步驟。如今，用于先進(jìn)制程邏輯芯片的浸沒式193nmduv和euv光刻機(jī)基本被阿斯麥壟斷。尼康和佳能只在193nm 以下的領(lǐng)域擁有一定份額，這些設(shè)備主要用于對制程需求不高的領(lǐng)域，如存儲器、模擬芯片、功率半導(dǎo)體以 及普通邏輯芯片等。表4：歷代主流光刻機(jī)的主要特點(diǎn)應(yīng)用年代光源波長(nm)設(shè)備類型最小分辨率可實(shí)現(xiàn)制程1980年代早期汞燈光源

28、g-line436接觸式/接近式230nm1990年代初期汞燈光源i-line365接觸式/接近式220nm1990年代后期krf準(zhǔn)分子激光duv248掃描投影式80nm2000年代初期arf準(zhǔn)分子激光duv193進(jìn)步掃描投影式65nm55nm2000年代中期arf準(zhǔn)分子激光duv193 （等效 134）浸沒式進(jìn)步掃描投影38nm10nm2010年代末期euv光源euv13.513nm3nm資料來源：東興證券研究所表5： 2019年前道光刻機(jī)全球出貨量光源波長阿斯麥尼康佳能合計(jì)euv13.5nm2626arfi等效134nm821193arf193nm221335krf248nm6543410

29、3i-line365nm341850102合計(jì)2294684359資料來源:阿斯戔，尼曲佳能公司2019年年報(bào),東興證券研究所2.2.3刻蝕：新舊技術(shù)共存形成寡頭競爭在全球的刻蝕設(shè)備寡頭企業(yè)共有三家，分別是泛林半導(dǎo)體、應(yīng)用材料和東京電子，而這三家也占據(jù)了薄膜沉 積市場的主要份額。這樣的市場格局自然是經(jīng)過多次技術(shù)變革和整合淘汰形成的。在20世紀(jì)80年代，全球至少有20家刻蝕設(shè) 備制造商，彼時市占率最高的企業(yè)是應(yīng)用材料，泛林半導(dǎo)體尚不足以與其抗衡。經(jīng)過從90年代以后十幾年 的發(fā)展，泛林和東京電子的市場份額逐步趕超應(yīng)用材料，2010年以后泛林發(fā)展成為市場份額獨(dú)占半數(shù)以上的 刻蝕龍頭。想要復(fù)盤這個過程

30、，就不得不從刻蝕機(jī)的技術(shù)發(fā)展歷程說起?？涛g機(jī)發(fā)展到干法刻蝕階段以后，最重要的技術(shù)就是等離子體刻蝕。按照等離子體的生成方式，可以分為容 性耦合等離子體(ccp/capacitively coupled plasma)、感性耦合等離子體(icp/lnductively coupled plasma)o由于等離子體產(chǎn)生的方式不同，刻蝕機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能和特點(diǎn)也存在較大的差異。其中ccp屬于中 密度等離子體，icp則屬于高密度等離子體。ccp技術(shù)的發(fā)明早于icp,但由于其特點(diǎn)的不同，兩類技術(shù)并光刻膠去除passivation layerbonding pad metalild-6測試孔刻蝕溝槽刻蝕ild-

31、5ild-4介 質(zhì)_ 刻 蝕通孔刻蝕接觸孔刻蝕側(cè)墻刻蝕ild2li oxide虛擬柵極刻蝕-硅柵刻蝕 一 j蝕硅刻蝕sti刻蝕非相互取代，而是相互補(bǔ)充的關(guān)系。ccp的等離子密度雖然較低，但能量較高，適合刻蝕我化物、氮我化物 等較硬的介質(zhì)材料；icp的等離子密度高，能量低，可以獨(dú)立控制離子密度和能量，有更靈活的調(diào)控手段， 適合刻蝕單晶硅、多晶硅等硬度不高或較薄的材料。表6：兩種主要等離子干法刻蝕技術(shù)的對照技術(shù)特點(diǎn)主要應(yīng)用ccp等離子密度：中 等離子能量：高 可調(diào)節(jié)性：較差介質(zhì)刻蝕：我化硅、氮化硅等，形成線路 金屬刻蝕：鋁、鈣等icp等離子密度：高等離子能量：低可調(diào)節(jié)性：可單獨(dú)調(diào)節(jié)密度和能量硅刻蝕

32、：單晶硅、多晶硅、硅化物等，刻器件資料來源:東興證券研完所圖13：典型的cmos剖面示意圖和部分刻蝕工藝的作用p epitaxial layer （外延層）p silicon substrate （襯 底）資料來源:半導(dǎo)體制造技術(shù),中徽公司招股說明書等.東興證券研究所等離子體刻蝕大規(guī)模應(yīng)用起始于20世紀(jì)80年代，此時的產(chǎn)品主要是ccp設(shè)備。應(yīng)用材料1981年正式推 出ccp干法刻蝕產(chǎn)品，很快取得市占率第一的地位，彼時泛林半導(dǎo)體剛剛成立。到1988年，應(yīng)用材料在刻 蝕市場占據(jù)37%的市場份額，泛林半導(dǎo)體占據(jù)12%,獲得泛林部分技術(shù)授權(quán)的東京電子則擁有8%的份額。 到了 90年代，icp的概念開始

33、引入，由于感性耦合的等離子體具有更高的密度和更低的能量，可控性明顯 強(qiáng)于ccp,隨著集成電路對精細(xì)加工需求的增長，icp迎來巨大的需求市場，泛林的icp產(chǎn)品性能和操作便 捷性優(yōu)于應(yīng)用材料。在隨后的幾年里，泛林憑借icp產(chǎn)品的成功市場份額逐年提升，1993年達(dá)到30%,首 次超過應(yīng)用材料，就此奠定了刻蝕產(chǎn)品龍頭的地位。90年代后的十幾年，應(yīng)用材料的ccp市場份額在波動 中保持穩(wěn)定，泛林半導(dǎo)體一躍成為市占率第一的龍頭。圖14： 1988-2002年全球刻蝕設(shè)備銷售額（單位：百萬美元）應(yīng)用材料泛林半導(dǎo)體東京電子日立其他5000 3500300025002000150010005000資格來源:gar

34、tner.東興詆券研究所圖15：1988-2002年全球刻蝕設(shè)備份額變化應(yīng)用材料泛林半導(dǎo)體東京電子口立其他45%40%35%30%25%20%15%10%5%0%資料來源:gartner,東興證券研凳所圖16： 2007-2018年全球刻蝕設(shè)備份額變化應(yīng)用材料泛林半導(dǎo)體東京電子其他60%40%50%30%20%10%0%澆料來源:the information network, gartner.東弁證券研究.所2.3為何近些年來刻蝕設(shè)備的價(jià)值占比不斷上升？2017年，刻蝕設(shè)備在產(chǎn)稅中的價(jià)值占比達(dá)到24%右，取代光刻機(jī)成為晶圓加工廠投資額最高的設(shè)備，2018 年刻蝕機(jī)銷售額超過100億美元。自2

35、012年以來，刻蝕機(jī)在晶圓廠設(shè)備中的價(jià)值占比逐步提升，與之對應(yīng) 的是光刻機(jī)的價(jià)值占比下滑，這其中的主要原因來自于光刻機(jī)技術(shù)瓶頸和芯片結(jié)構(gòu)變化帶來的晶圓加工工序 的調(diào)整。圖17： 2001-2017年各類設(shè)備在晶圓廠中的價(jià)值占比刻蝕 光刻 cmp/表面清洗 檢測設(shè)備 cvd 其他沉積30% 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 201725%20%15%10%5%0%資料來源:semi,中徽公司招股說明書，東興證券研究所資料來源:seml東興證券研究所2.3.1光刻機(jī)的技術(shù)瓶

36、頸推動刻蝕機(jī)市場發(fā)展193nm波長duv深紫外光產(chǎn)品2000年左右就已經(jīng)誕生，其理論上的最高精度為65nm,即便后來采用浸沒 式光刻使得光線經(jīng)過液體折射后等效波長縮小至134nm,其理論上的最高精度也僅提升到28nm。那么在光 刻機(jī)技術(shù)停滯不前的十幾年中，芯片的工藝制程又是如何提升的呢？想要繼續(xù)提提升制程大體有兩個思路，即雙重光刻+刻蝕，或多重薄膜+刻蝕。具體采用哪種思路則根據(jù)工藝 需求來決定，但無論用哪種思路都離不開刻蝕步驟的增加。從65nm制程開始，每一次制程的精進(jìn)都需要大 幅增加刻蝕的步驟，7nm制程中刻蝕步驟比28nm增加了 3倍。因此，近些年來刻蝕設(shè)備是半導(dǎo)體設(shè)備中增 長最快的領(lǐng)域。

37、圖19：利用刻蝕提升制造精度的方法示意圖1 .沉xsamdl膜轉(zhuǎn)表2 .利蝕出2邊境3 .刑性抻的料6.刻憤特的槌4坂積khun蔣職外殼s.劃蝕出邊埼資料來源:中微公司招股說明書,東興話券研究所iobui 邊扇圖20：不同制程中刻蝕工藝的步驟數(shù)示意圖資料來源:東興證券研充所注：不同芯片工藝步教會有一定差異2.3.2芯片設(shè)計(jì)的變化帶來刻蝕設(shè)備需求的提升存儲器是半導(dǎo)體銷售額中占比最大的一類芯片，dram和nand占據(jù)超過90%的存儲器份額。存儲器雖然 不需要最先進(jìn)的制程制造，但也都達(dá)到了 1xnm級別（即十幾納米），刻蝕設(shè)備使用量明顯增加。并且，2016 年以后，各大原廠均進(jìn)入了 3d nand量

38、產(chǎn)的時代。3d nand采用將存儲單元堆疊的布局，需要更多的通 孔和導(dǎo)線等的刻蝕，相比于2d nand的制造，3d nand中刻蝕設(shè)備的支持占比由約15%提升到約50%。 以泛林半導(dǎo)體的財(cái)報(bào)披露數(shù)據(jù)來看，來自存儲器廠商的營收貢獻(xiàn)量從2012年的40%左右提升至2019年的 70%左右，主要來自刻蝕設(shè)備出貨量的變化。因此3d nand的量產(chǎn)再次提升了刻蝕設(shè)備的需求。此外，隨著tsv封裝技術(shù)的應(yīng)用，刻蝕設(shè)備也應(yīng)用于芯片封裝產(chǎn)線。3d封裝被認(rèn)為是在摩爾定律失效的情 況下提升芯片性能的有效方式，隨著3d封裝的推廣，刻蝕設(shè)備可能得到更多的應(yīng)用。圖22： 2d nand和3d nand示意圖圖21： 2d

39、 nand和3d nand設(shè)備價(jià)值占比資料來源:東京電于公司官網(wǎng),東興證券研究所2d nand3d nand資料來源:中微公司招股說明書，東興證券研究所圖23： lam research歷年下游客戶占比存儲器代工廠邏輯/idm80%70%60%50%40%30%20%10%0%資料來源:lamresearch公司2012-2019年財(cái)報(bào),東興證養(yǎng)研充所3. 展望未來，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備正在逆襲3.1工程師紅利助力我國企業(yè)的追趕式研發(fā) 近些年來我國已經(jīng)開始在各類設(shè)備中開展追趕式研發(fā)，在技術(shù)難度最高的主設(shè)備中，刻蝕機(jī)走在國產(chǎn)替代的 最前列。我國企業(yè)受益于工程師紅利，相比國外企業(yè)，擁有研發(fā)效率高，研發(fā)風(fēng)

40、險(xiǎn)更低等優(yōu)勢，因此在半導(dǎo) 體設(shè)備領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)趕超的可能性不低。表7：部分半導(dǎo)體設(shè)備的海外領(lǐng)先企業(yè)和國內(nèi)追趕企業(yè)設(shè)備市場領(lǐng)先者國內(nèi)追趕者光刻機(jī)阿斯麥、尼康、佳能上海微電子刻蝕機(jī)泛林、應(yīng)用材料、東京電子中微公司、北方華創(chuàng)cvd應(yīng)用材料、泛林、東京電子北方華創(chuàng)pvd應(yīng)用材料、evatec、ulvac北方華創(chuàng)離子注入應(yīng)用材料、axcelis中信科cmp應(yīng)用材料、茬原華海清科、中電45所其化爐日立、東京電子北方華創(chuàng)、中電48所測試機(jī)泰瑞達(dá)、愛德萬、科利登、科休長川科技、華峰測控探針臺東京電子、東京精密長川科技資法來源：東興證篆研究所首先，追趕式研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)相對更低。領(lǐng)先企業(yè)在新產(chǎn)品研發(fā)的過程中通常要承擔(dān)兩個

41、類型的風(fēng)險(xiǎn)，一類是技術(shù)研發(fā)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，一類是對市場技 術(shù)路線判斷失誤的風(fēng)險(xiǎn)。由于高研發(fā)投入帶來的沉沒成本，市場判斷失誤往往會是企業(yè)失去優(yōu)勢。對于技術(shù) 追趕者來說，技術(shù)路線市場方向已經(jīng)被先行者確定，研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)會相對低一些。先行者為了保持其優(yōu)勢往往申請大量相關(guān)領(lǐng)域的專利，追趕者最主要的難度集中在如何在規(guī)避現(xiàn)有專利限制 的情況下實(shí)現(xiàn)技術(shù)貫通。其次，我國企業(yè)人工成本低，研發(fā)效率高。雖然半導(dǎo)體設(shè)備成本中直接人工占比較低，但廠家的競爭力來自于研發(fā)的效率，研發(fā)的人工成本依然會直接 影響公司的競爭力。據(jù)估計(jì)，美日等發(fā)達(dá)國家一般工程師的平均薪水是國內(nèi)的三到四倍，國內(nèi)廠商在研發(fā)團(tuán) 隊(duì)組建時成本優(yōu)勢明顯，對于資金并不

42、雄厚的追趕者來說這是一個不可忽視的利好。只要在某項(xiàng)重點(diǎn)領(lǐng)域中 實(shí)現(xiàn)對于國外企業(yè)的比較優(yōu)勢，我國企業(yè)就有機(jī)會實(shí)現(xiàn)技術(shù)替代。此外，受國情因素的影響，我國研發(fā)人員工作時長普遍高于發(fā)達(dá)國家的現(xiàn)象也是客觀存在的，這也有利于國 內(nèi)企業(yè)研發(fā)效率的提升。3.2半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中國轉(zhuǎn)移和存儲器國產(chǎn)化是重大機(jī)遇3.2.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)向中國，突破國內(nèi)客戶是第一步國產(chǎn)替代大趨勢創(chuàng)造有利市場環(huán)境。海外龍頭企業(yè)的快速成長期伴隨著全球半導(dǎo)體市場的高速增長。2000年以后，全球設(shè)備市場增速有所放緩， 但中國大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)剛剛起步。2005年中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額約13億美元，2018年上升至131億 美元，全球占比從4%增長

43、至20%,尤以2016年以后投資增加明顯。國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（semi）估計(jì)， 2020年中國半導(dǎo)體設(shè)備的投資額可能達(dá)到200億美元，是全球投資最高的國家。圖24：全球的半導(dǎo)體設(shè)備銷售額和中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備銷售額（億美元）全球 中國大陸右軸：中國大陸占比資料來源:wind,東興證券研梵所根據(jù)ic insights的報(bào)告，2018年底中國大陸的晶圓廠產(chǎn)能236.1萬片/月，占全球的12.5%,比2017年底 的10.8%增加了 1.7個百分點(diǎn)。2018年中國本土制造的芯片價(jià)值量約占本土銷售額的15%,到2023年可能 提升至20%。隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈向中國的轉(zhuǎn)移，抓住國內(nèi)客戶是國產(chǎn)設(shè)備企業(yè)實(shí)現(xiàn)

44、突破的第一步。表8： 2018年底全球晶圓加工產(chǎn)能分布（8寸當(dāng)量）國家/地區(qū)產(chǎn)能（千片/月）全球占比中國臺灣412621.8%韓國403321.3%日本316816.8%北美242612.8%中國大陸236112.5%歐洲11386.0%其他16468.7%總計(jì)18897瓷料來源：icinsights,東興證券研究所圖25：中國芯片市場規(guī)模和中國芯片本土制造市場規(guī)模（億美元）資料來源：ic insights,東興證券研丸所國內(nèi)用戶的對國產(chǎn)廠商的支持是空前的。在自由流通的市場中，下游客戶很難愿意犧牲自身的經(jīng)濟(jì)利益去培植新的供應(yīng)商，因而寡頭企業(yè)擁有的大量 客戶資源和用戶反饋信息是其他競爭者難以逾越

45、的優(yōu)勢，這在以研發(fā)為主導(dǎo)的高技術(shù)行業(yè)尤為明顯。但是， 對中國來說，自由公平的市場也許并不能輕易獲得。2018年的美國制裁中興事件讓人們猛然驚醒，即便是和 平年代我們也可能失去核心產(chǎn)品的供給，而隨后到來的華為事件和“實(shí)體清單”更是讓全社會形成共識，關(guān)乎 國民經(jīng)濟(jì)的核心技術(shù)和供應(yīng)鏈必須掌控在自己手中。半導(dǎo)體設(shè)備和材料位于制造業(yè)生態(tài)鏈的頂端，一旦美國將制裁力量伸向設(shè)備和材料領(lǐng)域，我國制造業(yè)的損失 將是極其慘重的。在這種情況下，培育我國自己的半導(dǎo)體設(shè)備和材料制造商成為整個半導(dǎo)體行業(yè)的共識，整 個產(chǎn)業(yè)鏈讓渡一部分利益去支持國內(nèi)設(shè)備廠商研發(fā)成為現(xiàn)實(shí)可能。3.2.2存儲器國產(chǎn)化為我國刻蝕機(jī)廠商帶來機(jī)遇首先，存儲器并不需要最先進(jìn)的制程，現(xiàn)有的193nm浸沒式光刻機(jī)已經(jīng)足夠，短期內(nèi)不會出現(xiàn)因euv的應(yīng) 用