2023年,半導體設備國產化進展如何?
2023年,受整個消費性電子市場需求下滑的影響,全球半導體市場出現了同比12%的萎縮(IDC數據),眾多的半導體製造商紛紛大幅削減半導體設備的資本支出以控製過多的產能增長,導致2023年全球半導體設備較去年同期下滑6.1%至1,009億美元(SEMI數據),這也是近4年來該市場首度陷入萎縮。
同時,也是在2023年裡,美國於2022年10月出台的對華半導體新規效力開始顯現,日本和荷蘭也跟進美國半導體新規,相繼出台了針對先進半導體設備的出口管制政策,日本新規2023年7月23日生效,荷蘭新規2023年9月1日生效,但ASML的許可證到2023底依然有效。
這也在一定程度上刺激了中國半導體製造商在有效期限內加速採購所需的日本和荷蘭的半導體設備。同時,也進一步推動了半導體設備的國產化進程的加速。
SEMI的預測數據也顯示,中國市場的半導體設備銷售額將2023年將超過300億美元,創下歷史新高紀錄,將進一步擴大和其他區域的差距。
那麼在2023年裡,中國國產的半導體設備進度如何?國產化比例又提升到了多少?
根據國內的半導體製造商的採購得標數據統計顯示,2023年1-11月,統計樣本中的晶圓產線合計中標875台設備,其中國產設備整體得標比例約47%。
一、國產半導體設備產業現狀
對於國產半導體設備廠商而言,其驅動力除了產業規模的自然擴張,還包括在國內市場的國產替代品。
根據中國電子專用設備工業協會的數據,2021年,國產半導體設備銷售額為385.5億元,年增58.71%,佔中國大陸半導體設備銷售額的比例為20.02%。
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以半導體晶圓製造設備為例,目前的國產設備對成熟製程的製程覆蓋率日趨完善,並積極推動高端製程的製程突破,產品正處於驗證密集通過、開啟規模化起量的成長階段。
並且,各大半導體設備廠商基於產品上線量產的契機,也在與客戶密切開展製程設備的合作研發、已有產品的迭代和細分新品類的擴充,利於產品競爭力和市場拓展的持續深入。
目前的半導體設備國產化率仍處於非線性成長區間,未來國產設備可望加速滲透。
透過對全球半導體設備市場競爭格局的分析可知,位居頭部的營收在百億美金量級的半導體設備龍頭公司,其業務結構基本上覆蓋了半導體設備細分市場規模前三大的品類:刻蝕、光刻和沈積。
有鑑於此,對於本土半導體設備廠商而言,在光刻、刻蝕和沈積等「大賽道」深入佈局的公司,具備更為廣闊的遠期收入空間,未來的發展前景十分廣闊。
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半導體設備市場細分品類眾多,目前,本土半導體設備產業仍處於成長早期,在各個「細分賽道」率先卡位並建立競爭優勢的設備廠商,預計在下游客戶端搶佔更優勢的生態位。
包括先發的研發驗證機會、領先的供應份額以及累積更豐富的量產經驗,從而在細分品類中建立起更高的競爭壁壘。
在製程技術方面,目前,國產半導體設備廠商在蝕刻、沉積、清洗、塗膠顯影、CMP、離子注入以及測試機、分選機、探針台等核心製程環節已取得長足進步,並且與海外傳統廠商形成了初步的技術對標。
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具體到產品方面,以北方華創、中微公司、盛美上海為代表的國產半導體設備公司不斷完善產品的平台化佈局,可服務市場規模快速擴張,遠期收入空間不斷打開。
另一方面,以拓荊科技、華海清科、芯源微、中科飛測等為代表國產半導體設備公司在各自專長的領域內已佔據了領先的供應份額,不斷夯實技術和市場壁壘。
在後道領域,國產半導體設備廠商在測試機、分選機、探針台等設備方面的配套較前道更為完善,並且以長川科技、華峰測控為代表的國產半導體設備廠商在SoC測試機、探針台等高階新品研發和市場拓展也快速推進,整體在後道設備市場具備一定的市佔優勢。
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北方華創
以國產半導體設備龍頭大廠北方華創為例,其產品管線佈局完整,涵蓋ICP蝕刻、PVD、熱處理、ALD、外延(EPI)、LPCVD、清洗、UV cure、PECVD、CCP蝕刻等製程等諸多環節。
2023年以來,北方華創相繼推出12吋晶邊蝕刻機、12吋去膠機等新產品,同時各類標竿產品相繼達到銷售里程碑(12吋深矽刻蝕機累計銷量達100腔,12英吋立式爐累計出廠500台)。
截至三季末,在蝕刻裝備方面,公司面向12吋邏輯、儲存、功率、先進封裝等客戶,ICP蝕刻產品出貨累計超過2000腔;應用於提升晶片良率的12吋CCP晶邊刻蝕機已進入多家生產線驗證。
薄膜裝備方面,突破了物理氣相沉積、化學氣相沉積和原子層沉積等多項核心關鍵技術,廣泛應用於積體電路、功率元件、先進封裝等領域,累計出貨超3000腔,支撐了國內主流客戶的量產應用。
立式爐裝備方面,累計出貨超過500台,憑藉優異的量產穩定性獲邏輯、儲存、功率、封裝、基板材料等領域主流客戶的認可。
外延裝備方面,累計出貨近千腔,涵蓋積體電路、功率元件、矽材料、第三代半導體等領域應用需求。
清洗裝備方面,擁有單晶片清洗、槽式清洗兩大技術平台,主要應用於12吋積體電路領域。並在多家客戶端實現量產,屢獲重複訂單。
中微公司
中微公司目前產品也涵蓋了MOCVD、LPCVD、ALD、EPI、ICP、CCP、ALE等諸多環節。
在蝕刻方面:邏輯領域,本公司12吋高階蝕刻設備已在從65奈米到5奈米的各個技術結點大量量產,並著力改進性能以滿足5奈米技術以下的若干關鍵步驟加工的要求;儲存領域,公司致力於提供超高深寬比掩膜(≥40:1)和超高深寬比介質蝕刻(≥60:1)的全套解決方案,目前這兩種設備都已經開展現場驗證、進展順利。
在薄膜沉積方面:公司短時間實現多種LPCVD設備的研發交付以及ALD設備的重大突破,其中CVD鎢設備能滿足先進邏輯器件接觸孔填充、DRAM器件接觸孔應用、3DNAND器件中的多個關鍵應用需求;ALD鎢設備,能夠滿足3DNAND等三維裝置結構中金屬鎢的填充需求,公司也正在開發另一ALD產品系列,能夠滿足先進邏輯和記憶體中金屬阻擋層和金屬閘極的應用需求。
在MOCVD方面:Prismo A7設備已在全球氮化鎵基LEDMOCVD市場居領先地位;用於Mini-LED生產的Prismo UniMax,已在領先客戶端大規模量產;用於矽基氮化鎵功率元件Prismo PD5已獲得重複訂單,用於碳化矽功率元件外延生產的設備正在開發中,即將進行樣機在客戶端的測試。
根據中微公司三季報顯示,其刻蝕設備在客戶端不斷核准更多蝕刻應用,市場佔有率不斷提高並持續收到領先客戶的批量訂單。本公司在關鍵先進製程節點的技術進展不斷推進,極高深寬比蝕刻設備、大馬士革刻蝕設備、EPI設備研發順利推進,第四季度儲存晶片價格回暖,國儲存大廠擴產潛力可望為公司帶來訂單彈性。
盛美上海
盛美上海經過多年持續的研發投入和技術積累,先後開發了前道半導體製程設備,包括清洗設備(包括單片、槽式、單片槽式組合、CO2超臨界清洗、邊緣和背面刷洗)、半導體電鍍設備、垂直爐管系列設備(包括氧化、擴散、真空回火、LPCVD、ALD)、塗膠顯影Track設備、等離子體增強化學氣相沉積PECVD設備、無應力拋光設備;後道先進封裝工藝設備以及矽材料基板製造製程設備等。
根據公告,公司熱反應的ALD爐管首台2022年已進入客戶端,2022年底ArFTrack設備已送往客戶端驗證。2023年2月公司首次獲得了歐洲半導體製造商的12腔單片SAPS兆聲波清洗設備訂單,3月公司首次獲得碳化矽基板清洗設備訂單。目前盛美上海研發的SAPS、TEBO兆聲波清洗技術及Tahoe單片槽式組合清洗技術,可應用於45nm及以下技術節點的晶圓清洗領城。公司PECVD設備研發進展順利。未來ALD、Track及PECVD可望迎來良好的產品週期並貢獻公司營收成長。
除了已有的長江儲存、華虹集團、海力士、中芯國際、長鑫儲存、長電科技、通富微電、中芯長電、Nepes、金瑞泓、台灣合晶科技、中科院微電子所、上海積體電路研發中心、華進半導體、士蘭微、芯恩半導體、晶合、中科智芯、芯德等主要客戶的重複訂單之外,今年新增加了中國領先的碳化矽基板製造商等客戶。同時公司在歐洲全球半導體製造商和多個國內客戶取得訂單和客戶群的突破。
拓荊科技
拓荊科技目前擁有PECVD、SACVD、ALD、HDPCVD、鍵結設備等較豐富的產品系列,部分產品已適配國內28/14nm邏輯晶片、19/17nm DRAM晶片及64/128層3DNANDFLASH晶圓製造產線,並成功實現產業化應用或驗證。
PECVD是拓荊科技核心產品,公司自成立以來就開始研發PECVD設備,經過十餘年的研發和產業化經驗,目前PECVD、ALD、SACVD、HDPCVD等系列薄膜設備均已實現量產,其中,PECVD設備訂單量佔比相對較高,ALD、SACVD、HDPCVD等新產品正逐步擴大量產規模。目前,拓荊科技量產產品對於薄膜沉積產品的覆蓋度逐漸從原有的33%成長至整個市場的50%左右。
以此為基礎,拓荊科技也將薄膜沉積設備逐漸拓展到SACVD、ALD、HDPCVD等設備領域,進一步豐富了薄膜沉積設備組合,目前三種設備中的部分產品型號已量產,並實現產業化應用。
此外,拓荊科技還有佈局晶片三維整合領域,聚焦混合鍵結設備,其晶圓對晶圓鍵結產品也已實現產業化應用。
華海清科
作為國內的半導體設備大廠華海清科產品涵蓋了CMP、減薄、清洗、測量等多個環節。
在CMP設備方面:公司在邏輯晶片、DRAM記憶體晶片、3DNAND記憶體晶片等領域的成熟過程均完成了90%以上CMP製程類型和製程數量的覆蓋度,部分關鍵CMP製程類型成為製程基準(Baseline)機台。2023上半年公司推出Universal H300機台,產品為四個12吋拋光單元雙拋光頭配置,面向積體電路、先進封裝、大矽片等領域客戶,已完成研發與基本效能驗證。Universal-150Smart產品相容於6-8英吋各種半導體材料拋光,已發送至兩家第三代半導體客戶驗證。
在減薄設備方面:公司推出Versatile-GP300量產機台,12吋晶圓片內磨削TTV<1um達到國際先進水平,實現國產設備在超精密減薄技術領域0-1突破。
在清洗設備方面:2023年上半年,應用於12吋矽基板CMP製程後清洗設備及應用於4/6/8吋化合物半導體清洗設備已推向相關細分市場。根據該公司2023年9月26日公告,公司首台12吋單片終端清洗機HSC-F3400機台出機發往國內大矽片龍頭企業。
膜厚測量設備:FTM-M300產品可應用於Cu、Al、W、Co等金屬製程薄膜厚度測量,目前已發送至多家顧客驗證,並進行小批量出貨。
離子注入設備:公司參股的芯嵛半導體(上海)有限公司所開發的離子注入機產品研發順利,目前處於產品驗證階段。
芯源微
作為國內唯一可提供量產型前道塗膠顯影設備的廠商,芯源微目前已完成在前道晶圓加工環節28nm及以上製程節點的全覆蓋,並持續向更高製程等級迭代。同時還有佈局前道清洗設備和後道封測設備。
在塗膠顯影設備方面:該公司第三代浸沒式高產能塗膠顯影設備平台架構FT300(Ⅲ)發布後在客戶端導入進展良好,同時未來可作為通用性架構全面向下兼容ArF、KrF、I -line、offline等工藝。
在前道清洗設備方面:2023年上半年,公司前道物理清洗機已成為國內邏輯、功率元件廠商所採用的主流產品。該公司新一代高產能實體清洗機也將進入客戶端驗證,可滿足儲存客戶對產能的高指標要求。
在後道封裝設備方面:公司與國內領先的chiplet廠商、SiC廠商保持了深度合作關係。此外,臨時鍵合機、解鍵結機均已進入客戶驗證階段,可望受助chiplet的發展帶來增量需求。
公司目前擁有瀋陽兩個廠區、上海臨港廠區,其中瀋陽老廠區生產後道、小尺寸領域設備;新廠區生產前道Track、物理清洗機。上海臨港廠區生產基地已於2023年1月順利封頂。本計畫達產後生產前道ArF塗膠顯影機、浸沒式塗膠顯影機、單片化學清洗機等設備。
中科飛測
作為國內高端半導體檢測和測量設備龍頭,中科飛測自2014年成立以來一直專注於半導體檢測和測量設備領域,目前已成功推出了無圖形晶圓缺陷檢測設備、圖形晶圓缺陷檢測設備、三維形貌測量設備、薄膜膜厚量測設備等產品,可廣泛應用於28nm以上製程積體電路製造及先進封裝環節。
目前,中科飛測平台化佈局產品線持續豐富,更先進製程研發驗證進展順利:
無圖形基於缺陷檢測設備:量產機型已涵蓋2Xnm以上製程節點,1Xnm設備研發進展順利;
圖形缺陷檢測設備:廣泛應用於邏輯、儲存、先進封裝等領域,具備三維檢測功能的設備已在客戶進行製程驗證,2Xnm明場奈米圖形晶圓缺陷檢測設備、暗場奈米圖形晶圓缺陷檢測設備研發進展順利;
三維形貌量測設備:支援2Xnm以上製程,訂單穩定成長;
薄膜膜厚量測設備:已涵蓋國內先進製程及成熟製程的主要積體電路客戶,金屬薄膜膜厚量測設備為新增長點,市場認可度進一步提升;
套刻精度量測設備:90nm以上製程節點的設備已實現大量銷售,2Xnm設備已透過國內頭客戶產線驗證,獲得國內領先客戶訂單。
關鍵尺寸量測設備:2Xnm產品研發進展順利。
經過多年的技術積累,中科飛測無圖形晶圓缺陷檢測設備等產品性能可比肩海外龍頭,產品已在中芯國際、長江存儲、長電科技和華天科技等國內知名客戶的產線上實現無差別應用。
長川科技
長川科技作為國內領先的後道設備廠商,其產品涵蓋了測試機、探針台、分選機、AOI光學檢測設備等。
目前公司數模混合測試機技術成熟,數位SoC測試機D9000等正在快速放量,下游客戶不斷拓展,公司未來在儲存測試機領域預計將進一步放量;
在分選機領域,公司形成轉塔式、平移式、重力式分選機全面佈局,平移式三溫分選機為主要成長動力,能夠覆蓋-55~150℃溫度範圍,工位數量最高16個,每小時最大產能高達1200片,可車規級等IC測試需求;
在探針台領域,公司產品支援幾乎所有8/12吋CP測試需求,目前也開始逐步起量;
在前道測試設備領域,公司透過收購STI提升自身AOI光學檢測實力,形成前道檢測設備iFocus系列等,並且針對半導體關鍵製程尺寸測量需求開發了全自動關鍵尺寸測量設備NanoX-6000。
經過多年研發和積累,該公司已成為國內領先的集成電路專用測試設備供應商,產品獲得了長電科技、華天科技、通富微電、士蘭微、華潤微電子、日月光等知名集成電路企業使用和認可。
華峰測控
作為為國內類比晶片測試龍頭,華峰測控近年來也正在集積極拓展延申功率晶片及SoC測試業務。
本公司主力機型STS8200系列主要應用於類比積體電路測試,STS8300機型主要應用於混合訊號和數位測試領域,同時也拓展了分立元件、功率和第三代化合物半導體元件測試。
目前,STS8300全球裝置量已達到一定數量,開始建立生態圈,闆卡已迭代第二代,產品將提供更高性能,更具性價比,8300上的數字闆卡已具備400M測試能力,具備進入數字測試領域能力。IGBT、SiC、GaN等各方向均實現覆蓋。
今年6月,該公司在上海舉辦的SEMICONChina 2023展會上推出了面向SoC測試領域的全新一代機型-STS8600,該機型擁有更多的測試通道數以及更高的測試頻率,並且配置水冷散熱系統,進一步完善了公司的產品線,拓寬了公司產品的可測試範圍。目前正在針對該機型進行性能驗證和單板開發。
二、國產設備中標比例不斷突破
我們以本土晶圓產線:中芯國際、華虹半導體、上海華力、長江儲存、合肥長鑫、積塔半導體、燕東微電子、福建晉華、粵芯半導體、武漢新芯、合肥晶合作為統計樣本,對其招標、得標資料進行分析。
依圖示的統計口徑,根據採招網的數據,2023年11月,統計樣本中的晶圓產線合計產生135項招標。以華虹半導體、積塔半導體、燕東微電子等產線招標為主。
2023年1-11月,統計樣本中的晶圓產線合計招標1607項,其中,華虹半導體、積塔半導體、中芯國際的招標量位居前三。整體而言,設備招標以量測、擴散、蝕刻設備為主。
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從得標情況來看,根據採招網的數據,2023年11月,統計樣本中的晶圓產線上合計得標362台設備,以刻蝕、清洗、氣液系統設備居多;國產設備整體中標比例約42%,其中,爐管、PVD、CVD、矽片再生設備的國產中標比例顯著。
具體來說,2023年11月,統計樣本中的國內半導體設備廠商合計中標101台設備,以北方華創、盛美上海、中微公司中標為主,在對應製程的中標比例為32%。
其中,北部華創中標16台蝕刻設備、6台爐管設備、5台PVD設備、5台濕腐蝕設備、3台清洗設備,在對應製程環節的得標比例分別為22%/100%/ 100%/24%/5%。
盛美上海得標15台清洗設備、4台矽片再生設備、1台電鍍設備、1台濕式腐蝕設備,在對應製程環節的得標比例分別為23%/100%33%/5%。
中微公司得標16台刻蝕設備,在對應製程環節的得標比例為22%。
2023年1-11月,統計樣本中的晶圓產線合計得標875台設備,以蝕刻、測試機、氣液系統設備居多;國產設備整體中標比例約47%,其中,PECVD、外延、氧化、矽片再生設備的國產得標比例較高。
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具體來說,2023年1-11月,統計樣本中的國內半導體設備廠商合計得標309台設備,北方華創、中微公司、萬業企業中標量領先。
其中,北部華創中標主要包括蝕刻、擴散、爐管設備,分別為34/10/7台;中微公司中標主要為蝕刻設備,合計42台。萬業企業得標主要包括氣液系統、沉積、CVD設備,分別為23/5/2台。
2023年1-11月,統計樣本中相關的國產半導體設備廠商合計中標量在對應製程環節的中標比例平均約為39%。
其中,北方華創的外延/氧化設備、拓荊科技的PECVD設備和盛美上海的矽片再生設備在對應製程環節的得標比例領先,皆為100%。
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進入2024年,隨著全球半導體市場的持續回暖,全球半導體設備市場也將迎來全面的成長,其中中國半導體設備市場規模仍將位居全球第一。
根據SEMI預計2024年半導體設備市場銷售額為1,053億美元,年增4%。2025年預計將大幅成長18%至1,240億美元,將超越2022年的1,074億美元,創下歷史新高紀錄。
SEMI也指出,截至2025年為止,中國大陸的半導體設備採購額可望持續成長、維持首位。
在國內半導體設備市場規模持續成長,美日荷先進半導體設備對華持續限制的背景之下,國產半導體設備的滲透率和市場份額將有望持續提升。