来源：金融界上市公司研究院
作者：鲁臻
受益于5G、AI和IoT产业驱动，市场对半导体设备需求日益增长。
半导体行业技术高、进步快，每更新一代半导体工艺制程，则需新一代更为先进的制程设备。过去几十年，半导体设备基本被美日欧等国企业所垄断，但随着全球半导体产业第三次转移历史机遇期的来临，同时摩尔定律步伐的放缓将为中国设备厂商追赶世界一流技术水平提供时间窗口。从日、韩及中国台湾的历史经验来看，全球性的产业转移必将催生一批新的龙头企业。
核心设备价值占比接近70％ 寡头垄断格局短期难打破
半导体的制造工艺流程主要包括晶圆制造、晶圆加工和封装测试三个部分。其中，晶圆制造主要需要单晶炉、CMP、清洗机等设备；晶圆加工主要运用光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、清洗机等设备；封装测试主要运用各类测试和封装设备。
从价值来看，根据Gartner和SEMI等机构的统计，按工程投资分类，洁净室投资占比约为20％-30％左右，其余的70％主要为半导体相关设备采购。其中晶圆加工环节（即赋予晶圆相应的电学特性）所需设备投资价值占比最高，约占80％左右。封装测试环节和晶圆制造环节受先进制程工艺影响较小，对于设备精度需求相对较低，因此所需设备投资价值量占比较低，分别为20％和0.5％。
图片来源：Gartner、SEMI、广发证券发展研究中心
数据显示，在晶圆加工设备中，光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备三类主要设备合计价值占比接近70％。目前，光刻机、刻蚀机等核心设备领域处于寡头垄断格局，海外龙头ASML、应用材料、东京电子等厂家占有高达90％及以上市场份额。国内设备厂家则在单晶炉、刻蚀、沉积、划片、减薄等环节逐步突破。
2017年~2019年全球十大半导体设备厂商
制表：金融界上市公司研究院 数据来源：VLSIResearch
高端设备领域技术差距大 国产化突围方向在中低技术设备环节
根据世界半导体贸易协会（WSTS）数据，我国已经成为全球最大的半导体消费市场，2018年市场规模占比达到32％，超过美洲（主要是美国）的22％。尽管近年来我国半导体产业发展迅速，但主要发力在后端封装测试环节，而在关键设备领域与国外巨头的技术差距仍然较大。
基于此，近年来国内设备厂商开始了在各类设备中开展追赶式研发，在技术难度最高的主设备中，刻蚀机走在国产替代的最前列。东兴证券认为，我国企业受益于工程师红利，相比国外企业，拥有研发效率高，研发风险更低等优势，因此在半导体设备领域实现技术赶超的可能性不低。具体来看：
光刻机
由于光刻机涉及系统集成、精密光学、精密运动、精密物料传输、高精度微环境控制等多项先进技术，是所有半导体制造设备中技术含量最高的设备，也因此，光刻机被誉为半导体产业皇冠上的明珠。
目前，ASML公司是全球最大的光刻机厂商，市占率超过80％，在EUV领域处于完全垄断的地位。除ASML以外，日本佳能（CANON）、尼康（NIKON）也是国外知名的光刻机生产商。ASML可以覆盖所有档次光刻机产品，尼康、佳能的产品分别仅停留在了28nm和90nm的节点上。
根据ASML估计，2019年光刻机设备在半导体设备市场中占比将从2018年的19％提升至27％，主要来源于先进制程中对DUV、EUV工艺需求剧增。2019年台积电、三星为扩产7nm/5nm制程而大量采购EUV光刻机，同时DRAM厂商也考虑在DRAM制造工艺中导入EUV光刻工艺，主要目的是为了降低成本。
从国内情况来看，成立于2002年的上海微电子是国内最先进的光刻机研发制造企业，当前该公司最先进的光刻机产品是600系列光刻机。SSX600系列光刻机最高能够实现90nm工艺制程，在国内市场份额超过80％，并且也销往国外，其正在研究适用于65nm节点的设备。而荷兰的ASML的高端光刻机已经能够实现5nm工艺制程，两者之间的差距较大。
刻蚀机
在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：湿法腐蚀和干法刻蚀。其中，在湿法刻蚀中，液体化学试剂以化学方式去除硅片表面的材料。湿法腐蚀一般只是用在尺寸较大的情况下（大于3微米）。干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体，等离子体通过光刻胶中开出的窗口，与硅片发生物理或化学反应，从而去掉曝露的表面材料。目前全球主流刻蚀工艺为干法刻蚀。
刻蚀也可以根据被刻蚀的材料类型来分类，主要分成三种：金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀，其中介质刻蚀和硅刻蚀为主流。
自2012年以来，刻蚀机在晶圆厂设备中的价值占比逐步提升，与之对应的是光刻机的价值占比下滑，主要系来自于光刻机技术瓶颈和芯片结构变化带来的晶圆加工工序的调整。根据SEMI和东兴证券的数据，2017年，刻蚀设备在产线中的价值占比达到24％左右，取代光刻机成为晶圆加工厂投资额最高的设备。2018年全球刻蚀机销售额超过100亿美元。
目前，全球的刻蚀设备寡头企业共有三家，分别是泛林半导体、应用材料和东京电子。尽管国内厂商中微公司的刻蚀设备在销售规模上与全球巨头尚有差距，但已应用于全球最先进的7nm和5nm产线。2018年，中微公司的5nm等离子体刻蚀机宣布通过台积电验证，将用于全球首条5nm制程生产线。并且中微公司之前在7nm、12nm等制程中，一直都是台积电的刻蚀机供应商，目前在刻蚀机领域，排名全球第5。
薄膜沉积设备
半导体制造中的薄膜沉积是指任何在硅片衬底上沉积一层膜的工艺，这层膜可以是导体、绝缘物质或者半导体材料。薄膜沉积有化学和物理工艺之分，具体而言可分为化学气相沉积设备（CVD）和物理气相沉积设备（PVD）两类。据Gartner统计数据显示，2018年这两种设备占半导体制造设备的比重分别为15％和4％。
根据SEMI的统计，2018年全球半导体设备达到645.3亿美元，其中晶圆处理设备为502亿美元，按上述比例计算可得，2018年CVD设备和PVD设备的全球市场规模分别达75.30亿美元和20.08亿美元。
另据Gartner2018年的数据，CVD前三大厂商为应用材料、Lam和东京电子，占全球市场份额达到74％，PVD仅应用材料一家就占据了74％的份额。国内设备厂商中占有一定份额的是北方华创（PVD占比1.4％）和中微公司（其他沉积占7％，主要为MOCVD设备）。
具体来看，北方华创的PVD设备应用跨越90nm至14nm的多个技术代，12寸PVD、ALD以及LPCVD设备进入集成电路主流代工厂。中微公司已经开发了三代MOCVD设备，该设备是一种高端薄膜沉积设备，主要用于蓝绿光LED和功率器件等生产加工，包括第一代设备PrismoD-Blue、第二代设备PrismoA7及第三代更大尺寸设备；沈阳拓荆在PECVD、ALD上具有一定进展，其中12英寸PECVD设备，可用于40nm~28nm集成电路的生产，并具有14nm~5nm技术的延伸性。
清洗设备
清洗是指去除硅片表面沾污如颗粒、有机物、金属和自然氧化层等的工艺，在半导体制造中步骤可达上百次，大约占据所有晶圆制造步骤数量的2/3。目前主流的清洗工艺为湿法清洗工艺，根据Gartner统计，2018年湿法清洗设备占晶圆制造（含晶圆级封装）的价值占比约为5％。
据SEMI的统计，2018年全球半导体设备达到645.3亿美元，其中晶圆处理设备为502亿美元，按5％的比例计算2018年湿法清洗设备全球市场规模约为25.1亿美元。
从市场占有率来看，根据 Gartner 2018 年的数据，单片式清洗设备几乎被国际四大厂商 Screen、东京电子、SEMES、Lam 占据，其中前两大厂商占全球 75％的市场份额。槽式清洗设备方面，Screen 和东京电子合计占据约 80％的市场份额。
然而，国内清洗设备厂商主要有盛美半导体和北方华创。其中，盛美半导体以单片式设备为主，以兆声波清洗技术为核心，形成SAPS、TEBO、Tahoe等产品系列，在12寸先进制程上应用广泛，目前已经进入韩国SK海力士、华力微电子、长电科技、中芯国际、合晶科技、长江存储等业内一流半导体制造商产线；北方华创2016年收购Akrion进军清洗设备领域，至今已经形成了较为完善的产品布局，8寸槽式清洗设备具有一定竞争力。
封装设备
根据SEMI统计，2018年全球封装设备市场规模40亿美元，在全球半导体设备市场中占比6.2％，仅为制程设备市场规模的1/13，也低于测试设备市场规模。过去10年，全球封装设备市场规模年均增长6.9％，其增速仅次于半导体设备中的制程设备，快于测试设备。
从行业格局来看，全球封装设备的竞争格局也和制程设备、测试设备一样，行业高度集中。根据各公司公告数据，K&S在线焊设备方面全球领先，球焊机市场率64％，Besi、ASM Pacific垄断装片机市场，Disco则垄断全球2/3以上的划片机和减薄机市场。
从国内市场来看，装片机主要被ASM Pacific、Besi、日本FASFORD和富士机械垄断，艾科瑞斯实现国产化突破；倒片机则被ASM Pacific、Besi垄断，中电科实现倒片机国产化突破；线焊设备主要来自美国K&S、ASM Pacific、日本新川等外资品牌，暂无国产品牌进入主流封测厂；划片切割/研磨设备则主要被DISCO、东京精密等垄断，中电科实现减薄设备国产化突破；塑封系统/塑封机也主要被TOWA、ASM Pacific、APIC YAMADA垄断。
测试设备
半导体检测贯穿半导体设计、制造、封装与测试三大过程，是提高芯片制造水平和进行成品率管理的关键之一。
测试机、分选机、探针台是其核心设备。其中，测试机（ATE）是检测芯片功能和性能的专用设备，分选机和探针台是将芯片的引脚与测试机的功能模块连接起来并实现批量自动化测试的专用设备。在设计验证和成品测试（FT）中，测试机和分选机配合使用；在晶圆制造环节的硅片级测试（WET、CP）中，测试机和探针台配合使用。
从市场规模来看，根据SEMI、Gartner数据，2009年至2018年测试设备在全球半导体设备市场占比10％左右，2018年全球测试设备市场规模56亿美元，占比8.7％，同比增长20％。在测试设备市场中，测试机、分选机和探针台分别占比为63.1％、17.4％和15.2％。对比2009年至2018年，测试设备行业增速与晶圆制造工艺设备增速基本同步。
从行业竞争格局来看，半导体测试设备行业集中度较高。根据华西证券数据，在测试机市场，泰瑞达、爱德万两大海外龙头占据90％以上的份额，中高端芯片测试机几乎被国外企业垄断，而国内华峰测控和长川科技在部分细分领域有所突破；在探针台市场中，东京电子、东京精密的技术实力较为领先，二者市占率合计超过80％。国内企业中长川科技处于研发阶段，深圳矽电处于测试阶段；在分选机市场，爱德万、科休&爱普生等，市占率合计约60％； 国内企业主要有长川科技等。
整体来看，目前中国在半导体设备领域还有很长的路要走。国信证券数据显示，目前半导体设备平均国产化率仅为5％~10％，替代空间巨大。根据SEMI预计，2020年/2021年全球设备市场销售规模分别为608/668亿美元，复合增速约8％，其中中国市场增速快于全球市场，约为10％~16％。而2020/2021年中国半导体设备销售额将达149/164亿美元。
此外，国信证券预测，未来3~5年随着大陆晶圆厂建设和扩产进度加快，整体晶圆产能有望增长100％以上。其中规划的12英寸晶圆产能增幅可达200％，预计将带动国产半导体设备需求爆发。
附：国内外半导体设备细分领域龙头企业一览
制表：金融界上市公司研究院 数据来源：公开资料整理、东兴证券
