1、2020年深度行业分析研究报告目录1.半导体设备推动芯片制造业的发展.41.1半导体设备推动摩尔定律的实现.41.2不同的设备在芯片制造过程中分工明确.41.3半导体设备市场高度集中.61.3.1市场空间随下游半导体变化.61.3.2细分领域市场多为寡头垄断.72.半导体设备行业需要理解的三个问题.102.1为何设备企业在客户集中度很高的情况下仍拥有定价权？.102.1.1工艺复杂和分工细化提升设备厂商话语权.102.1.2设备厂商承担了晶圆厂的前期研发任务.102.1.3设备定制化带来极高客户粘性和转换成本.102.2为何光刻一家独大，刻蚀寡头垄断？.112.2.1光刻和刻蚀技术更替的差异带

2、来市场格局不同.112.2.2光刻：新旧技术替代带来完全垄断.112.2.3刻蚀：新旧技术共存形成寡头竞争.122.3为何近些年来刻蚀设备的价值占比不断上升？.152.3.1光刻机的技术瓶颈推动刻蚀机市场发展.152.3.2芯片设计的变化带来刻蚀设备需求的提升.163.展望未来，国产半导体设备正在逆袭.173.1工程师红利助力我国企业的追赶式研发.173.2半导体产业链中国转移和存储器国产化是重大机遇.183.2.1半导体产业链转向中国，突破国内客户是第一步.183.2.2存储器国产化为我国刻蚀机厂商带来机遇.203.2.3从专一突破到平台整合是我国企业应借鉴的成长之路.21插图目录图1：晶圆

3、加工过程示意图.5图2：典型晶圆加工厂的厂房区域布局.6图3：全球半导体设备销售额和集成电路销售额（单位：亿美元）.7图4：2017年半导体设备和晶圆厂设备市场份额.7图5：2018年光刻机市场份额.8图6：2018年刻蚀机市场份额.8图7：2018年CVD市场份额.8图8：2018年PVD市场份额.8图9：2017年CMP市场份额.8图10：离子注入机全球市场份额.8图11：前道晶圆检测设备市场份额.9图12：2017年后道检测设备市场份额.9图13：典型的CMOS剖面示意图和部分刻蚀工艺的作用.13图14：1988-2002年全球刻蚀设备销售额（单位：百万美元）.14图15：1988-20

4、02年全球刻蚀设备份额变化.14图16：2007-2018年全球刻蚀设备份额变化.14图17：2001-2017年各类设备在晶圆厂中的价值占比.15图18：全球刻蚀市场规模（亿美元）.15图19：利用刻蚀提升制造精度的方法示意图.16图20：不同制程中刻蚀工艺的步骤数示意图.16图21：2DNAND和3DNAND设备价值占比.17图22：2DNAND和3DNAND示意图.17图23：LamResearch历年下游客户占比.17图24：全球的半导体设备销售额和中国大陆半导体设备销售额（亿美元）.19图25：中国芯片市场规模和中国芯片本土制造市场规模（亿美元）.20图26：长江存储刻蚀机中标总数量

5、占比（截止2020年2月底）.21图27：长江存储介质刻蚀设备中标数量占比（2020年2月底）.21图28：长江存储硅刻蚀设备中标数量占比（2020年2月底）.21表格目录表1：单个芯片集成元件数量的演进.4表2：2018年前六大半导体设备公司主要产品分布.9表3：全球前六大半导体设备厂商历年市场份额.9表4：历代主流光刻机的主要特点.12表5：2019年前道光刻机全球出货量.12表6：两种主要等离子干法刻蚀技术的对照.13表7：部分半导体设备的海外领先企业和国内追赶企业.18表8：2018年底全球晶圆加工产能分布（8寸当量）.19rQrOoOtPmRtNpNoPsNyRnO9P9R8OpNn

6、NtRrRkPrRoNkPnPuMaQpPxPNZrNsMvPmMzQ1.半导体设备推动芯片制造业的发展1.1半导体设备推动摩尔定律的实现半导体是指在某些条件下导电某些条件下不导电的一类材料，生活中常用“半导体”一词来泛指半导体电子元器件。集成电路是最重要的一类半导体器件，又称为芯片。1906年美国人德福雷斯特（LeeDeForest）发明了世界上第一个真空三极管，1947年贝尔实验室发明了固态晶体管，1957年位于美国加州的仙童半导体公司（FairchildSemiconductor）制造出第一个商用平面晶体管。1959年，仙童公司和德州仪器公司（TexasInstruments）分别在硅片

7、和锗片上完成了微缩电路的制造，集成电路就此诞生。自问世以来，单个芯片上集成的元件数量不断增长。1965年英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（GordonMoore）提出，在价格不变的情况下一块集成电路上可容纳的元器件的数目将每18-24个月增加一倍，性能也将提升一倍，这就是著名的摩尔定律。自20世纪60年代到21世纪的前十几年，摩尔定律完美诠释了集成电路的发展历程。摩尔定律的背后是半导体设备的不断精进。集成电路多以单晶硅为基底材料，成千上万的元器件和导线经过一些列工艺被“雕刻”在硅片上，完成这些“雕刻”步骤的工具就是半导体设备。“雕刻”精度的提升带来元器件尺寸的缩小，现今的晶工艺尺寸是以纳

8、米级计量的。集合了全球顶尖制造技术的半导体设备在过去半个世纪中不断推动着人类工业文明的进步。表1：单个芯片集成元件数量的演进分类诞生时间元件数量小规模集成电路（SSI）20世纪60年代前期2100中规模集成电路（MSI）20世纪60年代中期1001000大规模集成电路（LSI）20世纪70年代前期100010万超大规模集成电路（VLSI）20世纪70年代后期10万100万特大规模集成电路（ULSI）20世纪90年代前期100万1000万巨大规模集成电路（GSI）20世纪90年代中期1000万以上资料来源：研究所1.2不同的设备在芯片制造过程中分工明确半导体设备主要可以分为前道设备和后道设备，前

9、道设备是指晶圆加工设备，后道设备是指封装测试设备。前道设备完成芯片的核心制造，后道设备完成芯片的包装和整体性能测试，因此前道设备通常技术难度更高。图1：晶圆加工过程示意图资料来源：半导体制造技术，研究所前道的晶圆加工工艺包括氧化、扩散、退火、离子注入、薄膜沉积、光刻、刻蚀、化学机械平坦化（CMP）等，这些工艺并不是单一顺序执行，而是在制造每一个元件时选择性地重复进行。一个完整的晶圆加工过程中，一些工序可能执行几百次，整个流程可能需要上千个步骤，通常耗时六到八个星期。这些工艺的大体作用如下：w氧化、退火工艺的主要作用是使材料的特定部分具备所需的稳定性质；w扩散、离子注入工艺的主要作用是使材料的特

10、定区域拥有半导体特性或其他需求的物理化学性质；w薄膜沉积工艺（包括ALD、CVD、PCD等）的主要作用是在现有材料的表明制作新的一层材料，用以后续加工；w光刻的作用是通过光照在材料表面以光刻胶留存的形式标记出设计版图（掩膜版）的形态，为刻蚀做准备；w刻蚀的作用是将光刻标记出来应去除的区域通过物理或化学的方法去除，以完成功能外形的制造；wCMP工艺的作用是对材料进行表面加工，通常在沉积和刻蚀等步骤之后；w清洗的作用是清除上一工艺遗留的杂质或缺陷，为下一工艺创造条件；w量测的作用主要是晶圆制造过程中的质量把控。集成电路就在沉积、光刻、刻蚀、抛光等步骤的不断重复中成型，整个制造工艺环环相扣，任一步骤

11、出现问题，都可能造成整个晶圆不可逆的损坏，因此每一项工艺的设备要求都很严格。如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻机是打草稿的画笔，刻蚀机则是雕刻刀，沉积的薄膜则是用来雕刻的材料。光刻的精度直接决定了元器件刻画的尺寸，而刻蚀和薄膜沉积的精度则决定了光刻的尺寸能否实际加工，因此光刻、刻蚀和薄膜沉积设备是芯片加工过程中最重要的三类主设备，占前道设备的近70%。图2：典型晶圆加工厂的厂房区域布局资料来源：半导体制造技术，研究所注：剪头代表硅片流程后道设备可以分为封装设备和测试设备，其中封装设备包括划片机、装片机、键合机等，测试设备包括中测机、终测机、分选机等。后道设备的功能较易理解，划片机将整个晶

12、圆切割成单独的芯片颗粒，装片机和键合机等完成芯片的封装，测试设备则负责各个阶段的性能测试和良品筛选。1.3半导体设备市场高度集中1.3.1市场空间随下游半导体变化根据日本半导体制造业协会统计，2018年全球半导体设备销售额为645亿美元。世界半导体贸易统计协会（WSTS）的数据显示，2018年全球半导体销售额为4688亿元，其中集成电路3633亿元；2019年由于存储器降价明显，全球半导体销售额下滑为4090亿美元，其中集成电路3304亿美元。近些年来半导体设备的销售额与集成电路销售额的波动大体同步，也体现了行业资本投资存在一定周期性。图3：全球半导体设备销售额和集成电路销售额（单位：亿美元）

13、存储器逻辑芯片模拟芯片微处理器右轴：半导体设备4,5004,0003,5003,0002,5002,0001,5001,0005007006005004003002000200042005200620072008200920000190资料来源：日本半导体制造业协会，WSTS，Wind，研究所1.3.2细分领域市场多为寡头垄断半导体设备中晶圆加工设备价值占比超过80%，其余为封装和测试设备。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%。图4：2017

14、年半导体设备和晶圆厂设备市场份额资料来源：SEMI，中微公司招股说明书，研究所全球半导体设备市场高度垄断，其中最重要的设备制造厂商包括阿斯麦（ASML）、应用材料（AppliedMaterials）、东京电子（TokyoElectron）、泛林半导体（LamResearch）、科磊半导体（KLA-Tencor）、迪恩士（SCREEN）、日立高新（Hitachi）、泰瑞达（Teradyne）、爱德万（Advantest）等等。这些厂商通常专注于某个领域，并在擅长的领域拥有较高的市场份额。图5：2018年光刻机市场份额图6：2018年刻蚀机市场份额尼康11%其他佳能7%6%应用材料19%其他9%阿

15、斯麦76%东京电子20%泛林52%资料来源：Gartner，鲸准2019集成电路行业研究报告，研究所资料来源：Gartner，鲸准2019集成电路行业研究报告，研究所图7：2018年CVD市场份额图8：2018年PVD市场份额其他UlvacEvatec5%6%其他4%30%应用材料30%泛林19%东京电子21%应用材料85%资料来源：Gartner，鲸准2019集成电路行业研究报告，研究所资料来源：Gartner，鲸准2019集成电路行业研究报告，研究所图9：2017年CMP市场份额图10：离子注入机全球市场份额东京精密其他电子1%1%荏原27%应用材料71%其他10%Axcelis20%应用

16、材料70%资料来源：电子产品世界，研究所资料来源：前瞻产业研究院，研究所图11：前道晶圆检测设备市场份额图12：2017年后道检测设备市场份额其他其他28%科磊50%科休23%泰瑞达35%7%日立10%科利登7%爱德万28%应用材料12%资料来源：中国产业信息网，研究所资料来源：华商情报网，研究所表2：2018年前六大半导体设备公司主要产品分布阿斯麦应用材料泛林东京电子科磊SCREEN光刻机涂胶显影刻蚀机清洗热处理ALDCVDPVD离子注入CMP前道检测资料来源：研究所表3：全球前六大半导体设备厂商历年市场份额200920001620172018应用

17、材料17.1%17.9%15.6%17.3%18.1%17.4%18.2%18.8%19.2%17.6%阿斯麦10.3%14.1%16.0%14.0%17.6%16.5%14.8%14.2%14.8%16.0%东京电子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%5.8%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%合计份额5

18、8.2%63.4%62.7%63.9%69.1%67.0%67.3%67.3%70.3%69.8%资料来源：Bloomberg，研究所主要的设备厂商中，阿斯麦在光刻机领域拥有绝对优势，应用材料、东京电子和泛林半导体则在刻蚀和薄膜沉积等领域寡头垄断，而科磊和迪恩士等则利用其在某项领域的技术优势获得一定市场份额。从市场份额情况可以看出，光刻机、刻蚀机和沉积设备三类主设备厂商拥有绝对的优势。2.半导体设备行业需要理解的三个问题2.1为何设备企业在客户集中度很高的情况下仍拥有定价权？2018年全球半导体设备销售额为645亿美元，仅四家晶圆厂（台积电，三星，海力士，美光）的采购额就接近450亿美元，半导体设备的客户集中度极高。依照产业经济学的一般规律，下游客户集中度越高，行业的定价权越弱，然而半导体设备却打破了这个规律。近年来，半导体设备的增速往往快于整个半导体行业的增速，半导体设备在整个产业链中拥有越来越多的定价权。我们认为主要原因有三点：产业链复杂，技术进步快，