从光刻机讲起，半导体前道设备国产化进度揭秘

作者：Wind万得发布时间：2024-09-27

导读：2024年9月9日，工信部印发了《首台（套）重大技术装备推广应用指导目录（2024版）》通知，在文件列表中包含国产氟化氪（KrF）光刻机，和氟化氩（ArF）光刻机的内容。9月10日，SMEE（上海微电子）公开一项关于极紫外（EUV）辐射发生装置及光刻设备的新专利。今年以来，以国产光刻机为代表的国产先进半导体前道设备消息频发，其产业发展到了什么阶段？投融市场表现如何？本文尝试分析和探讨。

综述

光刻机是半导体制造中的一种关键设备，它使用特殊的光源通过光罩照射到涂有光敏材料的硅片上，形成有效电路图案。根据光源的不同，光刻机可分为G-line光刻机、I-line光刻机、KrF光刻机、ArF光刻机（包括ArF Dry和ArFi，统称为DUV光刻机）、EUV光刻机等。光刻机被称为半导体工业皇冠上的明珠，是技术难度、价值量最高的半导体设备。

图表 1：光刻机的分类

数据来源：公开资料、来觅数据整理

根据《瓦森纳协定》，美国及其盟友限制向中国出口高端技术和设备，光刻机赫然在列。2018 年，中国企业中芯国际向 ASML 支付了一台 EUV 光刻机的定金，但最终却没有完成交付。此后，禁令愈演愈烈，先进的浸润式 DUV 光刻机如 NXT 2050i、NXT 2100i 亦无法交付。2024 年 9 月，迫于压力，ASML宣布将不再对中国特定购买的 DUV 光刻机提供售后维修服务。

ASML 底气在哪？当前全球光刻机市场竞争格局中，ASML、Nikon 和 Canon 三大供应商占据了 99%市场份额，其中 ASML 以 82.14%的市场份额占据绝对霸主地位。ASML 是光刻机的集大成者，引领光刻机的技术进步。目前来看，国内光刻机国产化率不足 1%，是国产设备里最需要突破的领域。

此前工信部公布的光刻机技术实力如何？很明显，公开的氟化氩光刻机是一台 ArF Dry 光刻机，其精度极限可以理解为 65nm 制程。坦白来说，公开的设备距离海外先进水平仍有非常大的差距。但考虑到中试线和在研线，乐观预期下，国内已初步在成熟制程上具备替代的能力。

半导体设备可以初步分为半导体前道设备、半导体后道设备、半导体设备零部件。其中半导体前道设备在半导体工艺中主要应用于制造环节，是半导体设备中技术难度最高、价值量最大的部分，半导体前道设备占据半导体设备的 80%以上的市场份额。光刻机又在半导体前道设备中占据核心位置。除了光刻机外，其他半导体前道设备包括刻蚀机、薄膜沉积设备等。光刻、薄膜沉积、刻蚀是半导体制造的三大核心工艺。

图表 2：2023年半导体前道设备细分市场格局

数据来源：公开资料、来觅数据整理

薄膜沉积是指在芯片纳米级结构中逐层堆叠薄膜形成电路结构，根据薄膜沉积时反应的原理不同，薄膜沉积设备可以分为PVD（物理沉积）、CVD（化学沉积）、ALD（原子层沉积），这三种设备应用于不同的工艺，彼此之间相互补充。先进制程逻辑芯片升级与存储芯片3D化带来薄膜沉积设备需求量增大，预计2024年国内薄膜沉积设备市场规模有望突破400亿元。

就目前市场竞争格局而言，海外厂商如AMAT、ASMI、Lam、TEL等占据薄膜沉积设备大部分市场份额。但国内薄膜沉积设备技术进展良好，拓荆科技、北方华创等厂商已顺利导入国内先进制程产线，产品精度可用于14nm及以上芯片的制造。

刻蚀是指使用化学或物理方法有选择地在硅片表面去除不需要的材料的过程，根据工艺的不同，刻蚀机可以分为干法刻蚀和湿法刻蚀，目前，干法刻蚀已占据大部分市场。干法刻蚀中根据离子能量不同，可以主要分为ICP刻蚀设备（硅刻蚀、金属刻蚀）、CCP刻蚀设备（电介质刻蚀），二者市场份额几乎相当。

从全球市场来看，Lam、TEL和AMAT几乎垄断全球干法刻蚀设备市场。国内主要的干法刻蚀设备厂商包括北方华创、中微公司、屹唐半导体等。以目前国内晶圆厂招标数据来看，刻蚀设备国产替代率较高。目前中微公司5nm刻蚀机已进入台积电产线，刻蚀机在能力上基本已解决国产替代的问题。

从2023年的半导体前道设备上市公司营收角度来看，清洗设备和CMP设备的国产化率已经比较高，刻蚀设备和薄膜沉积设备的国产化率稍微高一点，预计在20-30%左右，其余的设备国产化率低于个位数，核心的光刻机国产化几乎为0。从工艺覆盖角度来看，除了光刻机，国产设备在成熟制程上基本已经突破，除了提升成熟制程设备的工艺覆盖度以外，正在积极进行先进技术节点的突破。

图表 3：2023 年细分半导体前道设备的国产化率情况

数据来源：公开资料、来觅数据整理

美国对我国先进技术节点的生产设备等禁运，导致国内先进技术节点发展受阻；成熟制程的扩产符合市场规律：当前28nm及以上的技术节点仍然占据较大的市场规模，伴随国内设计企业逐步转单国内，原来使用60nm、45nm芯片的产品逐步转向28nm，28nm需求未来仍将保持旺盛。TrendForce集邦咨询预测 2023-2027年全球成熟制程（28nm及以上）及先进制程（28nm及以下）的产能比重大约为7：3，其中中国大陆在成熟制程的占比将从2023年29%成长至2027年的33%。同时，先进制程节点的突破更具战略意义，自主可控是必然。

目前先进制程芯片主要用在消费电子和服务器高端芯片上，国内设计客户如海思等对于先进制程有迫切的需求，只有真正实现先进制程的量产突破才解决卡脖子难题。先进制程的突破同时具备充足的市场动力和战略安全意义，这与芯片制造工艺和设备的发展是相辅相成的，当下国产设备加速导入，可以积累量产经验，有利于后续顺利导入先进产线，届时，国产半导体设备厂商可以享受技术驱动扩容的市场，远期成长性的确定性较高。

投融动态

2024年，全球半导体前道设备市场表现强劲，主要得益于全球半导体行业的复苏和AI产业的驱动。根据Wind数据，2024年全球半导体设备市场规模预计将达到109亿美元，中国大陆市场半导体设备出货金额预计将超过350亿美元，占全球市场的32%，继续保持领先地位。

自2014年国家大基金一期成立以来，半导体前道设备诞生了许多回报倍数高的项目，资本也一直关注该赛道。然而随着时间的推移，半导体前道设备平台型公司逐渐成型，整体市场机会亦有所减少。但半导体前道设备市场广阔，国产替代之路还未走到尽头，产业内仍存在许多成倍增长的机会。根据来觅PEVC数据，2024年半导体前道设备融资事件超20起，累计融资金额超20亿人民币。感兴趣的读者，可以登录Rime PEVC平台获取半导体前道设备赛道全量融资案例、被投项目及深度数据分析。

图表 4：2024年以来半导体前道设备主要融资事件

数据来源：来觅数据

展望

全球晶圆厂产能的大幅扩张和半导体设备行业的景气向上，预示着半导体前道设备市场将继续保持增长态势。同时，中国大陆半导体设备市场在全球的占比逐年提升，国内平台型半导体设备公司的业绩持续兑现，以及国产设备厂商在部分细分领域的突破，都为半导体前道设备市场的发展提供了强有力的支撑。

平台化公司逐渐成型，产业与资本合力攻坚薄弱领域。经过十数年的发展，国内半导体前道设备有了质的突破，部分设备媲美海外先进水平。但短板依然存在，部分关键设备仍依赖进口。我们认为随着国内资本和科技的不断投入，核心设备的国产化率提升只是时间问题。

晶圆厂扩产持续，相关企业或迎增长良机。我们认为逻辑芯片先进制程扩产与存储芯片扩产正在进行中，而相关设备的增量是成熟制程的数倍以上。根据TrendForce，截至2027年，已规划的12英寸晶圆厂中国大陆最多。随着国内晶圆厂加快突破封锁，大量扩产亦会使得半导体前道设备需求井喷，相关企业亦将复制增长奇迹。

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