北方华创业务涉及半导体设备、电子元器件、光伏和锂电，是国内业务布局最全的半导体设备公司。
上海微电子装备公司从事光刻机的研发与制造，目前量产型产品主要用于先进封装、LED 制造、面板制造领域，在国内先进封装和 LED 制造领域占据垄断地位，同时打入了中国台湾市场。因光刻机研发难度较大，系统集成工作量很庞大，需要攻克较多技术点。
中微半导体主要从事刻蚀机、TSV 和 MOCVD 产品研发与制造，MOCVD 产品目前已占国内蓝光 LED 制造领域一半以上份额，刻蚀机产品除进入大陆主要晶圆厂外，也进入了台积电等国际先进晶圆厂。刻蚀机难度仅次于光刻机。中微在海外申请了 624 项专利，为国内设备企业里最高，足见中微在刻蚀机领域已有相当实力，并且提前展开了国际化布局，为进去海外市场做足了准备。
长川科技和北京华峰测控均从事半导体测试设备研发与制造。其中长川的业务包括分选机和测试机，北京华峰只做测试机。半导体测试设备相对晶圆制造设备难度稍低，且两家公司目前均还没有进入高端数字测试机领域，公司体量也稍小，因此长川和华峰的专利数量比晶圆设备公司低一些，但在国产半导体测试设备领域，长川和华峰已是双龙头，专利数量初具规模。
总的来看，目前国内半导体设备行业各细分领域的龙头公司的专利数量已初具规模。但也要清醒地看到，国产设备公司专利数量和国外龙头设备公司比仍差距较大，如应用材料公司拥有超过 11900 个专利。
国产半导体设备技术——国产替代正当时
设备简介：技术高、进步快、种类多、价值大。半导体行业技术高、进步快，一代产品需要一代工艺，而一代工艺需要一代设备。IC 制造设备主要分为光刻机、刻蚀机、薄膜设备、扩散\离子注入设备、湿法设备、过程检测等六大类，其中光刻机约占总体设备销售额的 18%，刻蚀机约占 20%，薄膜设备约占 20%。
市场规模：2020 全球预计超 700 亿美元，中国大陆约占 20%。SEMI预计 2020 年半导体设备市场将增长 20.7%，达到 719 亿美元，创历史新高。2017 年中国大陆市场需求规模约占全球的 15%左右，2020 年预计占比将达到 20%，约 170 亿美元。
竞争格局：从总体到局部，市场集中度高。半导体设备市场集中度高，主要有美日荷厂商垄断。总体上看，半导体设备市场 CR10 超 60%，前五名分别为应用材料、拉姆研究、东京电子、阿斯麦和科磊半导体；局部上看，每一大类设备市场均呈现寡头竞争格局，前两名厂商占据一半以上的市场份额。
国产化情况：国产自给率低，技术加速追赶。根据中国电子专用设备工业协会数据，预计 2018 年国产泛半导体设备销售额约 109 亿元，但真正的 IC 设备国内市场自给率仅有 5%左右，国产替代空间巨大。在 02 专项的统筹规划下，国内半导体厂商分工合作研发不同设备，涵盖了主要设备种类。国内厂商仍处于技术追赶期，但随着摩尔定律趋近极限，技术进步放缓，国内厂商与全球龙头技术差距正在逐渐缩短，我们认为未来 3-5年将是半导体设备国产替代黄金战略机遇期。
第一部分、概览：全球垄断，02专项顶层设计求突破
1、设备简介：技术高、进步快、种类多、价值大
半导体行业技术高、进步快，一代产品需要一代工艺，而一代工艺需要一代设备。半导体产业技术进步主要有两大方向：一是制程越小→晶体管越小→相同面积上的元件数越多→性能越高→产品越好；二是硅片直径越大→硅片面积越大→单个晶圆上芯片数量越多→效率越高→成本越低。
半导体工艺流程主要包括单晶硅片制造、IC 设计、IC 制造和 IC 封测。单晶硅片制造需要单晶炉等设备，IC 制造需要光刻机、刻蚀机、薄膜设备、扩散\离子注入设备、湿法设备、过程检测等六大类设备。半导体设备中，晶圆代工厂设备采购额约占 80%，检测设备约占 8%，封装设备约占 7%，硅片厂设备等其他约占 5%。
2、竞争格局：从总体到局部，市场集中度高
半导体设备市场集中度高，CR10 超 60%。全球半导体设备生产企业主要集中于欧美、日本、韩国和我国台湾地区等，以美国应用材料、荷兰阿斯麦、美国泛林集团、日本东京电子、美国科天等为代表的国际知名企业起步较早，经过多年发展，凭借资金、技术、客户资源、品牌等方面的优势，占据了全球集成电路装备市场的主要份额。
3、国产化情况：国产设备自给率低，技术加速追赶
国产设备自给率低，进口替代空间大。供给端看，根据中国电子专用设备工业协会对国内 42 家主要半导体设备制造商的统计，2017 年国产半导体设备销售额为 89 亿元，自给率约为 14.3%。中国电子专用设备工业协会统计的数据包括 LED、显示、光伏等设备，我们认为实际上国内集成电路 IC 设备国内市场自给率仅有 5%左右，在全球市场仅占 1-2%。
02 专项顶层设计，技术加速追赶。2006 年，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）》设立国家科技重大专项——极大规模集成电路制造装备及成套工艺科技项目（简称 02 专项）研发国产化设备，并于 2008 年开始实施。在 02 专项的统筹规划下，国内半导体厂商分工合作研发不同设备，涵盖了主要设备种类。
国内 IC 制造设备工艺覆盖率仍比较低，国产厂商技术加速追赶。国产全部IC 设备在逻辑 IC 产线上 65/55nm 工艺覆盖率才 31%，40nm 工艺覆盖率仅17%，28nm 工艺覆盖率仅 16%；在存储芯片产线上的工艺覆盖率大概约为15-25%。随着摩尔定律放缓，国产厂商技术加速追赶。以北方华创刻蚀机为例，2007 年研发出 8 寸 100nm 设备，比国际大厂晚 8 年；2011 年研发出 12 寸 65nm 设备，比国际大厂晚 6 年；2013 年研发出 12 寸 28nm 设备，比国际大厂晚 3~4 年；2016 年研发 12 寸 14nm 设备，比国际大厂晚 2~3年。
第二部分、设备：呈现寡头竞争格局
1、硅片制造设备
1.1硅片制造难度大，设备种类多
硅片是半导体、光伏电池生产的主要原材料，90%以上的集成电路都是制作在高纯、优质的硅片上的。硅片直径的增大可降低单个芯片的制造成本，目前 300mm 硅片已成为业内主流。
硅片制造过程中涉及到单晶炉、滚磨机、切片机、倒角机、研磨设备、CMP抛光设备、清洗设备、检测设备等多种生产设备。其中单晶炉、抛光机、测试设备是主要设备，分别约占硅片厂设备投资的 25%、25%、20%。日本在硅片制备设备产业中占有相对优势，其产品覆盖了硅片制造的全套设备。
2、晶圆制造设备——光刻机
光刻机竞争格局：步进扫描投影光刻机的主要生产厂商包括 ASML(荷兰)、尼康(日本)、佳能(日本)和 SMEE (中国)。ASML 于 2001 年推出了 TWINSCAN 系列步进扫描光刻机，采用双工件台系统架构，可以有效提高设备产出率，已成为应用最为广泛的高端光刻机。ASML 在光刻机领域一骑绝尘，一家独占全球 70%以上的市场份额。国内厂商上海微电子 (SMEE)研制的 90nm 高端步进扫描投影光刻机已完成整机集成测试，并在客户生产线上进行了工艺试验。
3、晶圆制造设备——刻蚀机
3.1刻蚀原理及分类
刻蚀是使用化学或者物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程。通常的晶圆加工流程中，刻蚀工艺位于光刻工艺之后，有图形的光刻胶层在刻蚀中不会受到腐蚀源的显著侵蚀，从而完成图形转移的工艺步骤。
刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀两种。早期普遍采用的是湿法刻蚀，但由于其在线宽控制及刻蚀方向性等多方面的局限，3μm 之后的工艺大多采用干法刻蚀，湿法刻蚀仅用于某些特殊材料层的去除和残留物的清洗。
干法刻蚀也称等离子刻蚀。干法刻蚀是指使用气态的化学刻蚀剂（Etchant）与圆片上的材料发生反应，以刻蚀掉需去除的部分材料并形成可挥发性的反应生成物，然后将其抽离反应腔的过程。刻蚀剂通常直接或间接地产生于刻蚀气体的等离子体，所以干法刻蚀也称等离子体刻蚀
等离子体刻蚀机可以根据等离子体产生和控制技术的不同而大致分为两大类，即电容耦合等离子体（capacitively coupled plasma，CCP）刻蚀机和电感耦合等离子体（Inductively coupled plasma，ICP）刻蚀机。在集成电路生产线上，等离子体刻蚀设备通常按照被刻蚀材料的种类分为硅刻蚀设备、金属刻蚀设备和电介质刻蚀设备三大类。
CCP 刻蚀机主要用于电介质材料的刻蚀工艺，如逻辑芯片工艺前段的栅侧墙和硬掩模刻蚀，中段的接触孔刻蚀，后段的镶嵌式和铝垫刻蚀等，以及在 3D闪存芯片工艺(以氮化硅/氧化硅结构为例)中的深槽、深孔和连线接触孔的刻蚀等。
ICP 刻蚀机主要用于硅刻蚀和金属刻蚀，包括对硅浅沟槽(STI)、锗(Ge)、多晶硅栅结构、金属栅结构、应变硅(Strained-Si)、金属导线、金属焊垫(Pad)、镶嵌式刻蚀金属硬掩模和多重成像(Multiple Patteming)技术中的多道工序的刻蚀等。另外，随着三维集成电路(3D IC)、CMOS 图像传感器(CIS)和微机电系统（MEMS)的兴起，以及硅通孔(TSV)、大尺寸斜孔槽和不同形貌的深硅刻蚀应用的快速增加，多个厂商推出了专为这些应用而开发的刻蚀设备。
随着工艺要求的专门化、精细化，刻蚀设备的多样化，以及新型材料的应用，上述分类方法已变得越来越模糊。除了集成电路制造领域，等离子体刻蚀还被广泛用于 LED、MEMS 及光通信等领域。
3.2刻蚀机行业发展趋势及竞争格局
随着芯片集成度的不断提高，生产工艺越来越复杂，刻蚀在整个生产流程中的比重也呈上升趋势。因此，刻蚀机支出在生产线设备总支出中的比重也在增加。而刻蚀机按刻蚀材料细分后的增长速度，则根据工艺技术的发展阶段不同呈现此消彼长的状况。例如，当 0.13μm 工艺的铜互连技术出现时，金属刻蚀设备的占比大幅下降，而介质刻蚀设备的占比大幅上升；30nm 之后的工艺中出现的多重图像技术及越来越多的软刻蚀应用，则使得硅刻蚀设备的占比快速增加。
国际巨头泛林集团、东京电子、应用材料均实现了硅刻蚀、介质刻蚀、金属刻蚀的全覆盖，占据了全球干法刻蚀机市场的 80%以上份额。国内厂商中微半导体在介质刻蚀领域较强，其产品已在包括台积电、海力士、中芯国际等芯片生产商的 20 多条生产线上实现了量产；5nm 等离子体蚀刻机已成功通过台积电验证，将用于全球首条 5nm 工艺生产线；同时已切入 TSV 硅通孔刻蚀和金属硬掩膜刻蚀领域。北方华创在硅刻蚀和金属刻蚀领域较强，其55/65nm 硅刻蚀机已成为中芯国际 Baseline 机台，28nm 硅刻蚀机进入产业化阶段，14nm 硅刻蚀机正在产线验证中，金属硬掩膜刻蚀机攻破 28-14nm 制程。
4、晶圆制造设备——薄膜生长设备
4.1薄膜生长设备分类
采用物理或化学方法是物质（原材料）附着于衬底材料表面的过程即为薄膜生长。薄膜生长广泛用于集成电路、先进封装、发光二极管、MEMS、功率器件、平板显示等领域。
根据工作原理的不同，集成电路薄膜沉积可分为物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和外延三大类。
CVD 是通过混合化学气体并发生化学反应，从而在衬底表面沉积薄膜的一种工艺，用于沉积的材料包括金属材料(W， TIN， Co)、介电材料(Si02、Si，N4、掺磷二氧化硅、掺硼磷二氧化硅)和半导体材料(多晶硅、无晶硅)等。
MOCVD 主要用于制备半导体光电子、微电子器件领域的各种砷化镓、氮化镓等三五族化合物，在 LED、激光器、高频电子器件和太阳能电池等领域具有规模化生产的能力。MOCVD也可作为气相外延的一种。
4.2薄膜生成设备竞争格局
PVD 领域，AMAT 一家独大，约占全球市场份额的 80%以上；CVD 领域，AMAT、LAM、TEL 三家约占全球市场份额的 70%以上。国内设备厂商中北方华创薄膜设备产品种类最多，目前其 28nm 硬掩膜 PVD 已实现销售，铜互连 PVD、14nm 硬掩膜 PVD、Al PVD、LPCVD、ALD 设备已进入产线验证。中微半导体的 MOCVD 在国内已实现国产替代。沈阳拓荆的 65nmPECVD 已实现销售。
5、晶圆制造设备——扩散及离子注入设备
在集成电路制造过程中，掺杂主要有扩散和离子注入两种工艺，扩散属于高温工艺，而离子注入工艺属于低温工艺。
5.1扩散炉分类及竞争格局
扩散炉广泛用于分立器件、电力电子、光电器件和光导纤维等行业的扩散、氧化、退火、合金等工艺中，因此按照功能不同，有时也称扩散炉为退火炉、氧化炉。扩散炉主要分为卧式扩散炉和立式扩散炉。
扩散设备方面，卧室扩散炉较为简单，国内基本能实现自给自足，设备厂商主要有北方华创、中电科第 48 所等。立式扩散/氧化炉设备门槛较高，全球主要厂商有东京电子(TEL)、日立国际(HKE)等，单台平均售价约为 80 万美元，国内仍主要依赖进口，只有北方华创公司能够小批量提供 300mm 立式炉产品。
5.2离子注入机分类及竞争格局
离子注入机是集成电路装备中较为复杂的设备，根据注入离子的能量和剂量的不同，离子注入机大体分为低能大束流离子注入机、中束流离子注入机和高能离子注入机 3 种类型。其中，低能大束流离子注入机是目前占有率最高的注入机，适用于大剂量及浅结注入，如源漏极扩展区注入、源漏极注入、栅极掺杂以及预非晶化注入等多种工艺。中束流离子注入机可应用于半导体制造中的沟道、阱和源漏极等多种工艺。高能离子注入机在逻辑、存储、成像器件、功率器件等领域应用广泛。
离子注入设备厂商主要有美国的 AMAT、Axcelis 等。国内生产线上使用的离子注入机多数依赖进口，国内北京中科信、中电科 48 所、上海凯世通等也能提供少量产品。其中，中科信公司已具备不同种类（低能大束流、中束流和高能）离子注入机上线机型的量产能力。
6、晶圆制造设备——湿法设备
湿法工艺是指在集成电路制造过程中需要使用化学药液的工艺，主要有湿法清洗、化学机械抛光和电镀三大类。
6.1湿法清洗机
湿法清洗是指针对不同的工艺需求，采用特定的化学药液和去离子水，对圆片表面进行无损伤清洗，以去除集成电路制造过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层、抛光残留物等物质。清洗机主要分为槽式清洗机和单圆片清洗机。
槽式圆片清洗机主要厂商有日本的迪恩士(SCREEN)、东京电子(Tokyo Electron)和 JET，三家约占全球 75%以上的市场份额。韩国的 SEMES 和KCTECH 主要供给韩国市场。
单圆片清洗设机主要厂商有日本的迪恩士、东京电子和美国泛林集团提供，三家约占全球 70%以上的市场份额。在国内的单圆片湿法设备厂商中，盛美半导体独家开发的空间交变相位移(SAPS)兆声波清洗设备和时序气穴振荡控制(TEBO)兆声波清洗设备已经成功进入韩国及中国的集成电路生产线并用于大规模生产。北方华创的清洗机也成功进入中芯国际生产线。
6.2化学机械抛光设备
CMP 设备主要生产商有美国 AMAT 和日本 Ebara，其中 AMAT 约占 CMP设备市场 60%的份额，Ebara 约占 20%的份额。国内 CMP 设备的主要研发单位有天津华海清科和中电科 45 所，其中华海清科的抛光机已在中芯国际生产线上试用。
6.3电镀设备
电镀设备主要的生产商包括 Lam Research、AMAT 以及 TEL。其中，Lam Research 在前道的镶嵌式技术电镀铜设备中占据 90%以上的市场份额，日本的东京电子在先进封装领域约占据 50%市场。盛美半导体设备已经掌握了电镀机的核心专利技术，包括多圆环阳极技术和兆声波辅助电镀技术等， 自主开发了 Utra ECP 系列电镀机。
7、晶圆制造设备——工艺检测设备
工艺检测设备的供应商主要有科磊半导体、应用材料、日立高新等，国内厂商主要有上海睿励科学仪器和深圳中科飞测科技。
8、封装测试设备
根据 SEMI 数据，2017 年全球封装测试设备市场高速增长 27.89%，销售额达到 83.1 亿美元。2017 年中国大陆半导体封装测试设备与封装模具市场增长了18.6%，达到 206.1 亿元，约为 30.53 亿美元，其中封装设备市场 14 亿美元，测试设备与封装模具市场为 16.53 亿美元。2017 年国内半导体设备市场规模为 82.3 亿美元，封装测试设备占比超过 1/3，达到 37.1%。
8.1封装设备
封装和组装可分为四级，即芯片级封装(0 级封装)、元器件级封装(1 级封装)、板卡级组装(2 级封装)和整机组装(3 级封装)。在 0 级封装阶段，为了实现圆片的测试、减薄、划切工艺，与之对应的主要封装设备有圆片探针台、圆片减薄机、砂轮和激光切割机等。在 1 级封装阶段，为了实现芯片的互连与封装工艺，与之对应的主要封装设备有黏片机、引线键合机、芯片倒装机、塑封机、切筋成型机、引线电镀机和激光打标机等。在此阶段，为了实现圆片级芯片尺寸封装(WLCSP)工艺，相应的主要封装设备还有植球机、圆片凸点制造设备、圆片级封装的金属沉积设备及光刻设备等。在 2 级封装阶段，为了实现 PCB 组装工艺，与之对应的主要封装设备有焊膏涂覆设备、丝网印刷机、点胶机、贴片机、回流炉、波峰焊机、清洗机自动光学检测设备等。
8.2测试设备
近年来，测试设备商经过不断整合，形成了以日本爱德万测试(ADVANTEST)和美国泰瑞达(TERADYNE)两大公司，其产品约占全球半导体企业测试设备市场份额的 80%以上。国内测试设备厂商有长川科技、华峰测控、广立微等。
9、启示：各类产品均呈现寡头竞争格局
中微半导体：国内介质刻蚀机龙头，有望登陆科创板
中微半导体成立于 2004 年 5 月 31 日，董事长尹志尧没回国之前，一直在美国硅谷从事半导体行业，在世界最大的半导体设备企业——美国应用材料担任公司副总裁，参与了美国几代等离子体刻蚀机的研发。公司产品主要包括介质刻蚀设备、硅通孔刻蚀设备和 MOCVD 设备，均已成功进入海内外重要客户供应体系。目前，MOCVD设备在国内市场占有率达 70%，成为全球 MOCVD 设备领域的两强之一。
刻蚀机方面，公司在国际投资最多的 17 家芯片制造公司中，已进入 11 家，在最先进的代工厂公司中超过 250 个反应台，已加工 6000 多万片合格的晶圆。公司自主研制的 5nm 等离子体介质刻蚀机经台积电验证，性能优良，将用于全球首条 5nm 制程生产线。台积电宣布2019年将进行5nm制程试产、预计2020年量产。公司介质刻蚀机在主要亚洲晶圆代工市场中占有率达到 25%，在主要亚洲存储厂中市场占有率达到 15%。
上文已提到 CCP 是电容耦合刻蚀机，ICP 是电感耦合刻蚀机，TCP 其实也是电感耦合刻蚀机，ICP 是立体式电感线圈，而 TCP 是平面式电感线圈。公司 TSV、MEMS 刻蚀机采用的是 TCP 原理，未来公司将继续延伸至 ICP 刻蚀机和薄膜设备领域。根据中微半导体预计，目前全球 CCP 刻蚀机市场规模约 20 亿美元，TSV/MEMS 刻蚀机市场规模超过 10 亿美元，MOCVD 设备市场规模超过 10 亿美元，ICP 刻蚀机市场规模约有 30 亿美元，合计市场空间超过 70 亿美元，公司未来成长空间大。
