2022年半导体设备市场现状及竞争格局分析

1、2022年半导体设备市场现状及竞争格局分析1.半导体设备：市场高速成长，国产化全面推进半导体设备泛指用于加工、制造各类集成电路产品所需的专用设备，属于集成电路产业 链上游支撑环节，常可分为前道工艺设备（芯片制造）和后道工艺设备（芯片封装测试） 两大类。其中，芯片制造主要包括六个工艺步骤，分别为：热处理、光刻、刻蚀、离子 注入、薄膜沉积和机械抛光，这六大工艺所对应的前道工艺设备分别是快速热处理/氧化 /扩散设备、光刻设备、刻蚀/去胶设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备 等。封装测试工序则包括减薄、划片、测试、分选等。全球半导体设备市场维持高速增长，自给率稳中有升。据日本半导体制造装置协

2、会统计， 2021 年全球半导体设备销售额为 1026.4 亿美元，其中，中国大陆地区半导体设备销售 额为 296.3 亿美元。单季度来看，自 2020 年第一季度开始，全球半导体设备销售额已 连续多个季度实现环比正增长，同时国内半导体设备销售额与进口额之间的差值不断扩 大，也侧面反映出我国半导体设备自给率快速提升。半导体设备是我国科技产业“卡脖子”的关键环节，因此国内半导体企业目前仍处于避 免竞争，并共同推进半导体设备国产化的阶段。分设备类型来看：热处理设备：热处理过程主要有氧化、扩散和退火三个步骤。其中，氧化工艺是将硅片在氧化环境中 加热到 9001100 度的高温，在硅片表面上生长一层均

3、匀的二氧化硅薄膜；根据所用氧 化剂的不同，氧化可分为水汽氧化、干氧氧化和湿氧氧化；主要用到的设备是氧化炉。 扩散工艺是在硅片表面掺杂三价或五价元素，控制半导体中特定区域内杂质的类型、浓 度和 PN 结等。退火工艺则是在离子注入以后，用以恢复晶体的结构和消除缺陷。2020 年全球热处理设备市场规模合计 15.37 亿美元，其中氧 化/扩散设备市场规模约 5.52 亿美元，2025 年氧化/扩散设备市场规模有望达到 7.10 亿 美元。薄膜沉积设备：薄膜沉积技术是将由能量激活形成的原子、离子、活性反应基团等在衬底表面进行吸附 并形成薄膜的设备，薄膜厚度在几微米至几纳米不等。在晶圆制造过程中，薄膜沉

4、积用 于在硅片上制作出晶体管并连接成电路，也可用于形成隔离介质层。薄膜沉积技术主要 有物理气相沉积、化学气相沉积和原子层沉积。从原理上来看：物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）是指在真空条件下用物理的 方法使镀膜材料气化成原子或分子，从而在衬底表面沉积成膜的方法，因材料纯度 佳、品质稳定、速度快、成本较低，主要用于金属薄膜的沉积。国内主要由北方华 创供应该类型设备，且认可度较高。化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）是通过化学反应的方式，利 用加热、等离子或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在 气相或

5、气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术，是一种通过气体混合的化 学反应在硅片表面沉积薄膜的工艺，可应用于绝缘薄膜、硬掩模层以及金属膜层的 沉积。常用的化学薄膜沉积设备主要分为四种：常压化学气相沉积（APCVD）、低 压化学气相沉积（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积设备（PECVD）、次常压 化学气相沉积（SACVD）。在集成电路加工领域，北方华创主要供应 LPCVD，拓 荆科技主要供应 PECVD 和 SACVD。原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）设备是一种可以将反应材料以单 原子膜形式通过循环反应逐层沉积在基片表面，形成对复杂形貌的基底表面全覆 盖成

6、膜的专用设备。由于 ALD 设备可以实现高深宽比、极窄沟槽开口的优异台阶 覆盖率及精确薄膜厚度控制，实现了芯片制造工艺中关键尺寸的精度控制，在结构 复杂、薄膜厚度要求精准的先进逻辑芯片、DRAM 和 3D NAND 制造中，ALD 是 必不可少的核心设备之一。由于该类型设备出现较晚，国内诸多企业均有布局研发， 包括：北方华创、拓荆科技、屹唐半导体及中微公司等。薄膜沉积作为晶圆加工的三大步骤之一，其市场规模增速较快。据 Maximize Market Research 数据，2017 年全球半导体薄膜沉积市场规模约为 125 亿美元，预计到 2025 年将达到 340 亿美元，CAGR 达到 1

7、3.3%。光刻机：光刻机是芯片制造中的核心设备。光刻机的工作原理是通过一系列的光源能量、形状控 制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例 缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图。目前，全球 光刻机市场的主要企业即 ASML，尼康和佳能，国内企业仍处于较为落后的阶段。刻蚀设备：刻蚀是光刻工艺之后重现掩膜图案的关键步骤。刻蚀是把经曝光、显影后光刻胶微图形 中下层材料的裸露部分去掉，从而在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。光刻机相当 于画匠，而刻蚀机是雕工，前者在硅片绘制出一张电路图，后者依照电路图雕刻线路， 腐蚀和去除不需要的部分。刻蚀

8、主要考虑的参数有刻蚀速率、刻蚀剖面（各向同性/各向 异性）、刻蚀偏差、选择比（对两种不同材料刻蚀速率的比值大小）、均匀性、残留物等。 刻蚀的材质包括硅及硅化物、氧化硅、氮化硅、金属及合金、光刻胶等。通过有针对性 的对特定材质进行刻蚀，才能使得晶圆制造不同的步骤所制造的电路之间相互影响降至 最低，使芯片产品具有良好的性能。从工艺上来看，刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀两种。干法刻蚀是利用反应气体与等离子 体进行刻蚀，让等离子体与薄膜发生反应或直接轰击薄膜，使之被腐蚀；湿法刻蚀是将 刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀。当前，集成电路制造领域主要使用干法刻蚀。根据被刻蚀材料的类型，干法刻蚀主要分为导体刻蚀、介

9、质刻蚀两种，导体刻蚀又分为 硅刻蚀和金属刻蚀。不同的刻蚀材质所使用的刻蚀机差距较大。目前刻蚀机主要使用的 等离子体生成方式包括电容耦合（Capacitively Coupled Plasma，CCP）以及电感耦合 （Inductively Coupled Plasma，ICP）。而由于不同方式技术特点的不同，他们在下游擅长的应用领域上也有区分。CCP 技术能量较高、但可调节性差，适合刻蚀较硬的介质 材料（包括金属）；ICP 能量低但可控性强，适合刻蚀单晶硅、多晶硅等硬度不高或较薄 的材料。从市场规模上来看，2020 年全球干法刻蚀设备市场规模为 136.89 亿美元，预计到 2025 年将增长

10、至 181.85 亿美元，年复合增长率约为 5.84%。去胶设备：去胶工艺可分为湿法去胶和干法去胶两类，湿法去胶使用溶剂对光刻胶等进行溶解。容 易对晶圆表面产生损伤；干法去胶可视为等离子刻蚀技术的延伸，主要通过等离子体和 薄膜材料的化学反应完成，反应过程中不损坏任何表面材料，是目前的主流工艺。2020 年全球集成电路干法去胶设备市场规模为 5.37 亿美元，预计 2025 年市场规模为 6.99 亿美元。从竞争格局上来看，2020 年，国内企业屹唐半导体凭借市占率全球第一，达到 31.29%；此外，北方华创干法去胶设备方面也有布局，其 中，北方华创在全球市占率达到 1.66%。清洗设备：根据清

11、洗介质的不同，目前半导体清洗技术主要分为湿法清洗和干法清洗两种工艺路线， 晶圆制造产线上通常以湿法清洗为主。细分设备市场层面，先进制程产线中单片清洗设 备占据市场主流，而成熟制程的产线中槽式清洗设备占有较大的市场份额。目前，中国 大陆已有数家企业可提供半导体清洗设备，主要是盛美半导体、北方华创、芯源微及至 纯科技四家公司，各自专注的领域有所差异。全球半导体清洗设备市场成长性回归，国产化率仍处于较低水平。市场规模层面，2020 年全球半导体清洗设备市场规模为 25.39 亿美元，预计 2024 年随 着半导体行业的发展，半导体清洗设备市场规模将达到 31.93 亿美元。从竞争格局的角 度来看，据

12、华经产业研究院数据，全球单片清洗设备市场由 DNS、TEL、LAM 和 SEMES 四家企业垄断，2020 年国内盛美上海占据全球 4%的市场份额。离子注入机：离子注入机是高压小型加速器中的一种，它将由离子源中得的离子加速为几百千电子伏 能量的离子束流，一般用于半导体、光伏等领域的材料离子注入，还可用于金属材料表 面改性和制膜等。按能量范围不同，离子注入机主要分为三种：低能大束流离子注入机、 高能离子注入机和中低束离子注入机，且三种离子注入机的运行原理基本相似。目前， 使用最广泛的是低能大束流离子注入机，其余两种离子注入机用量较少。2020 年我国集成电路领域离子注入机市场规模达到 43.24

13、 亿元，各 领域离子注入机总需求量为 256 台，其中国内企业产量为 26 台，国产化率仍处于较低 水平。3.驱动因素：产业升级确立成长性，国产替代赋予确定性半导体产业链向中国大陆转移、同时推动我国产业升级是高成长性的来源。经历数十年 发展，全球半导体行业早已步入成熟期，呈现周期性波动成长性略强于 GDP。以 2011- 2021 年半导体行业销售额为例，全球半导体市场 CAGR 为 6.18%，而国内市场 CAGR 则高达 18.39%；这说明，国内行业景气度远高于全球平均水平，全球半导体产业链正 向中国大陆转移。此外，从国内半导体行业发展节奏上来看，2015 年以前我国半导体 增长主要靠下

14、游封测企业推动，而 2016 年以来，上游设计、制造环节已成为国内半导 体行业增长的主要驱动力，半导体行业国产化呈现出从下游至上游推进的趋势。立足当下的全球政治格局，半导体设备、材料等上游环节的国产化迫在眉睫。从产业的 角度来看，半导体芯片制程以 28nm 节点为分水岭，分为先进制程和成熟制程。自 2016 年 ASML 开始销售可批量生产的 EUV 光刻系统以来，业内领先的晶圆厂可利用 EUV 系统将制程提升至 7nm/5nm（等效制程）；然而，受限于瓦森纳协议，国内晶圆厂无 法采购 EUV 光刻系统，导致其无法与海外巨头在同一起跑线上竞争。另一方面，中美 在半导体领域的角逐也导致国内部分

15、IC 设计公司被美国列入“实体清单”，无法使用台 积电、三星等晶圆代工厂的先进制程生产芯片。综上，我国芯片设计、制造端发展均受 到限制，若无法实现关键设备及材料的自主可控，将影响我国长期发展安全。4.政策支持：“02 专项”助力国内企业追赶海外半导体设备企业面临的壁垒较高，主要分为三个方向：技术壁垒、客户认证和量产能力。 可以说，对于这三个壁垒任意一个壁垒，后来者都很难居上。技术壁垒：芯片是人类在纳米尺度最精细的建筑艺术。以刻蚀设备设备为例，其技 术核心是过程控制，过程控制分为两个方向，分别是均匀性控制和颗粒控制；均匀 性控制方面，刻蚀设备需要在同一片晶圆上刻蚀上百亿个图形，同时讲误差控制在

16、几个原子层的范畴，这个过程涉及到对等离子体、温度及磁场的精确控制；颗粒控 制方面，一片 12 英寸的 5nm 制程晶圆上，直径为 20nm 的颗粒不能超过两个， 系统需要保持极高的纯净度。因此，半导体设备不仅仅是对整机设计及组装能力的 考验，也是对我国精密仪器全产业链的一次挑战。客户认证：晶圆厂为保证其工艺的稳定性，一般不会轻易更换设备、材料供应商， 因此半导体产业链相对封闭，半导体设备企业的客户认证壁垒也较高。以 ASML 首 台 EUV 光刻机为例，该设备于 2010 年首次进入中国台湾参与中试验证，经过了 多次产品迭代，直到 2016 年才开始形成批量销售。可以看出，若半导体设备企业 的产品无法完全打消客户顾虑，很难在下游形成放量。量产能力：除光刻机以外，大多数半导体设备在一座晶圆厂中需要配备数十台甚至 上百台，为保证工艺的稳定性，同款设备的技术参数、性能需保持高度的一致性。 因此，如何批量生产出性能高度一致的精密机床，也是半导体设备企业面临的难题。针对以上壁垒中的前两个，“02 专项”计划支持我国半导体设备企业研发与验证，是我 国近几年实现追赶的主要途径。半导体设备是精度极高的机床，考虑到我国与海外先进 水平还有数十年差距，若没有国家政策支持，依靠市场自发组织很难在短期内形成有效 突破。“集中力量办大事”是当下解决我