半导体设备专题报告系列一：半导体工艺控制设备，芯片良率关键，国产化率不足5%，替代空间大

2023年07月04日 半导体设备 半导体工艺控制设备，国产化率不足5%，替代空间大 ——半导体设备专题报告系列一 半导体设备 沪深300 38% 28% 18% 8% -2% -12% -22% 2022-072022-112023-032023-07 行业表现 研究要点：本报告详细拆分了半导体工艺控制设备市场各细分品类应用场景与市场规模，且将产业应用中的主流型号设备与对应国产设备型号进行了对比，以分析国产设备与海外设备的差距。 此外，报告还复盘了全球龙头KLA的发展历程，解析全球二三线厂商的核心竞争优势；同时对比目前主要国产厂商的研发与产品 布局进展以及体量规模，验证得出结论：半导体工艺控制设备作为芯片制造良率的关键，且作为行业重要“卡脖子”环节， 目前国产化率仍不足5%，各国产设备厂商均处于各自突破的早期成长阶段，未来成长空间巨大。 资料来源：Wind资讯 升幅%1M 相对收益-4.9 绝对收益-4.1 3M 5.2 0.3 12M 29.0 16.2 半导体工艺控制设备：工艺良率关键，对芯片制造至关重要半导体工艺控制设备主要两大应用场景，一是用于前道晶圆制造光刻/刻蚀/沉积/CMP等工艺环节的质量控制；二是用于中道先进封装重布线/凸点/硅通孔等工艺环节的质量控制。集成电路工艺节点每微缩一代，工艺中产生的致命缺陷就会增加50%,因此每一道工序的良品率都非常重要；且随着制程节点微缩，工艺控制设备的需求也将倍增。目前，产业应用中的半导体工艺控制设备75%都基于光学检测技术，19%基于电子束检测技术。 市场结构：缺陷检测设备占比62.6%，量测设备占比33.5% 工艺应用上看，半导体工艺控制设备分为“缺陷检测”和“量测”两大类：缺陷检测设备市场占比62.6%，包括掩模版缺陷检测/无图形缺陷检测/图形缺陷检测/电子束缺陷检测等，其中光学明场缺陷检测设备壁垒高、应用广，产业主流设备为KLA的39xx/29xx系列和AMAT的UVision系列，目前国产厂商上海精测已实现明场设备的首台套出货；量测设备市场占比33.5%，包括光学关键尺寸（OCD） /电子束关键尺寸测量（CD-SEM）/套刻误差测量/晶圆形貌测量/膜 厚测量等，其中关键尺寸和套刻误差测量需求较大。 郭倩倩分析师 SAC执业证书编号：S1450521120004 guoqq@essence.com.cn 马良分析师 SAC执业证书编号：S1450518060001 maliang2@essence.com.cn 胡园园联系人 SAC执业证书编号：S1450123070005 huyy1@essence.com.cn 相关报告收入盈利订单三重上修，平 2023-05-16 台化更显α竞争力——半导体设备板块2022年年报及2023年一季报总结 行业专题 证券研究报告投资评级领先大市-A维持评级 市场空间：半导体设备第四大赛道，全球百亿美元空间 在前道晶圆厂设备支出中，工艺控制设备占比近11%，是除光刻 /刻蚀/薄膜沉积以外的第四大赛道。根据Gartner数据，2022年全球半导体工艺控制设备市场规模达135亿美元，2023年受行业周期影响需求有所放缓，预计2024年将继续重回高位，达 到110亿美元以上量级。国内需求上看，内资在建12吋晶圆制 造产线预计合计将带来90亿美元工艺控制设备需求，预计将继 续支撑2023年起3-4年高需求。 竞争格局：美国KLA独占半壁江山，二线厂商各有特色 全球龙头KLA从光掩模版检测和膜厚测量起家，一路兼并收购实现90%以上产品覆盖率，2022年其半导体工艺控制系统收入规模70.8亿美元，同比增长36%，对应全球市占率52.4%。其他主要国际厂商中，AMAT布局明场/掩模版缺陷检测及电子束技术，在电子束检测市场占据近50%份额；ASML围绕光刻布局套刻误差和电子束量检测，2022年市占率5%；OntoInnovation布局也相对全面，2022年市占6.2%；日本厂商Lasertec在EUV掩模版缺陷检测领域具备绝对优势；以色列厂商新星测量（Nova）专注量测板块；Camtek则重点发力先进封装端工艺控制。 国产进展：国产厂商各自突破，国产化率不足5% 国产厂商中，中科飞测/上海精测/睿励仪器2022年营收分别为5.1/1.65/0.72亿元，合计营收仅7.5亿元，相较2022年中国大陆 35亿美元的市场规模，半导体工艺控制设备的国产化率不足5%，替 代空间巨大。近年来，国产半导体工艺设备公司均基于自身技术优势布局相关产品线，进展显著，从各自覆盖产品市场空间上看，中科飞测/上海精测/睿励仪器/东方晶源/上海微电子各自的SAM比例分别为27.2%/51.5%/20%/13.9%/6.3%，中科飞测设备放量相对较快，而精测电子覆盖品类相对更广。 投资建议： 建议关注核心国产半导体工艺控制设备厂商： 1)精测电子：77.3%控股上海精测，覆盖产品SAM比例51.5%，国产量产覆盖相对最广 2)中科飞测：覆盖产品SAM比例27.2%，2022年营收5.1亿元，国产放量相对最快 3)中微公司：34.75%持股睿励仪器，投资布局前道量检测设备，再增新成长曲线 风险提示：设备验证和国产化推进不及预期；下游晶圆厂扩产及招标不及预期；中美科技博弈影响上游供应链；市场空间/市占率等测算基于我们所做的关键参数假设可能存在误差。 内容目录 1.半导体工艺控制设备：芯片良率的关键，千种零部件技术壁垒高6 1.1.技术壁垒：75%基于光学检测技术，19%应用电子束技术6 1.2.发展趋势：软硬件结合，向高速/高精度/高吞吐量方向发展8 1.2.1.硬件：千种零部件，运动控制/光学系统是关键8 1.2.2.软件：大数据检测算法和软件重要性凸显9 2.细分赛道：缺陷检测占比62.6%，量测占比33.5%10 2.1.缺陷检测：明场光学检测高壁垒，主要用于图形晶圆检测11 2.2.量测：关键尺寸/套刻误差为主要应用场景15 3.市场空间：光刻/刻蚀/沉积外第四大赛道，2022年全球需求135亿美元18 3.1.全球市场：2024年设备支出重回高位，量检测设备需求再超100亿美元18 3.2.中国大陆：内资线持续扩产，在建产线合计量检测设备需求达90亿美元19 4.全球格局：KLA一家独大，二线厂商各有特色22 4.1.KLA：兼收并购布局全面，2015年迎来高速成长期，市占超50%23 4.2.AMAT：布局明场/掩模版/电子束，电子束应用领域全球市占近50%25 4.3.ASML：围绕光刻布局套刻误差/电子束量检测，2022全球市占5%26 4.4.OntoInnovation：布局相对全面，2022全球市占6.2%27 4.5.Lasertec：EUV掩膜板缺陷检测龙头，2022年全球市占6.4%29 4.6.Nova：专注量测板块，2022年全球市占3.4%30 4.7.Camtek：发力先进封装量检测，2022年全球市占2.4%31 5.国产进展：各自突破，国产化率不到5%32 5.1.中科飞测：布局无图形/图形缺陷检测/膜厚/三维形貌测量，SAM比例27.2%33 5.2.上海精测：布局明场检测/Review-SEM/CD-SEM/OCD/膜厚，SAM比例51.5%35 5.3.睿励仪器：布局膜厚/OCD/图形缺陷检测，SAM比例20%36 5.4.东方晶源：布局电子束量检测设备，SAM比例13.9%37 6.投资建议37 7.风险提示38 图表目录 图1.半导体量检测设备分类及应用6 图2.深3D结构检测：电子束高聚焦性可减少检测噪音7 图3.半导体检测与量测技术10 图4.2020年全球半导体工艺控制设备市场结构10 图5.KLA公司SurfscanSP1缺陷检测系统原理图11 图6.明场光学检测装备光路原理和灵敏度仿真方法13 图7.eDBO技术中的典型套刻标记16 图8.2016-2024E全球半导体设备及晶圆厂设备支出情况（亿美元）18 图9.2020年前道半导体设备（晶圆厂设备）市场结构19 图10.2016-2024E全球半导体工艺控制设备市场规模及增速（亿美元，%）19 图11.2016-2024E中国大陆半导体设备市场及增速（亿美元，%）20 图12.2021-2022年全球半导体设备支出地区结构20 图13.2016-2024E中国大陆半导体工艺控制设备市场规模及增速（亿美元，%）20 图14.2020年全球半导体检测和量测设备市场竞争格局22 图15.CY2022年半导体量检测设备企业营收规模（亿美元）23 图16.FY2022年半导体量检测设备企业毛利率/净利率对比23 图17.2021年全球电子束量检测设备市场结构25 图18.2021年全球电子束量检测设备市场竞争格局25 图19.ASML套刻误差测量系统YieldStar和电子束测量系统HMIeP5联合应用示例26 图20.ASMLFY2022年设备系统营收结构27 图21.ASMLFY2017-2022年营收及增速（亿美元，%）27 图22.创新科技产品矩阵27 图23.创新科技FY2011-2022年总营收及增速（亿美元，%）28 图24.创新科技FY2022年营收产品结构28 图25.创新科技FY2022年营收地区结构28 图26.Lasertec半导体量检测设备产品矩阵29 图27.LasertecFY2011-2022年总营收及增速（亿美元，%）29 图28.新星测量FY2011-2022年总营收及增速（亿美元，%）30 图29.新星测量FY2022年营收产品结构30 图30.新星测量FY2022年营收地区结构30 图31.康特科技FY2011-2022年总营收及增速（亿美元，%）31 图32.康特科技先进封装中微凸点量检测技术布局路径31 图33.康特科技FY2022年营收地区结构31 图34.2020年中国半导体检测和量测设备市场竞争格局32 图35.中科飞测FY2018-2022年营收及增速34 图36.中科飞测FY2018-2022年利润情况34 图37.中科飞测FY2022年营收产品结构34 图38.中科飞测FY2018-2022年研发投入情况34 图39.上海精测FY2019-2022年营收规模（亿元）36 表1：技术路线对比：光学检测技术，电子束检测技术，X光量测技术7 表2：半导体量检测设备主要零部件和供应商8 表3：半导体量检测设备主要零部件和供应商9 表4：半导体缺陷检测设备：无图形+有图形+掩模板11 表5：无图形缺陷检测设备：产品对比12 表6：有图形暗场/明场缺陷检测设备对比：KLA/AMAT/日立高新/上海精测13 表7：电子束缺陷检测/复检设备对比：KLA/AMAT/ASML/上海精测/东方晶源14 表8：掩模板缺陷检测设备对比：KLA/AMAT/Lasertec14 表9：半导体量测设备：三维形貌+薄膜膜厚+套刻精度+关键尺寸15 表10：关键尺寸测量设备：KLA/AMAT/日立高新/OntoInnovation/上海精测/东方晶源16表11：套刻误差设备对比：KLA/ASML17 表12：膜厚测量设备：KLA/OntoInnovation/上海精测/上海睿励/中科飞测17 表13：2022-2024E全球及中国大陆各细分半导体量检测设备市场规模（亿美元）21 表14：内资12吋晶圆厂在建产线汇总（不完全统计）21 表15：半导体量检测设备国际厂商产品布局矩阵22 表16：KLA主要布局产品及系列23 表17：KLA发展历程与收购史24 表18：FY2005-2022年KLA总营业收入及增速（亿美元，%）24 表19：CY2022Q1-2023Q1单季度按产品/应用/地区分营收结构25 表20：AMAT电子束量检测设备矩阵26 表21：半导体量检测设备国产厂商产品布局矩阵32 表22：中科飞测产品矩阵：无图形/有图形缺陷检测+三维形貌/膜厚量测+3D曲面玻璃量测33 表23