半导体行业专题报告:正在崛起的中国半导体设备

时间:2020-03-31 12:15:02 作者:炒股族
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关键结论与投资建议

回看中国改革开放的 40 多年,中国制造业的崛起离不开其上游设备行业的国产 化。在这过程中,国外技术绝不会轻易交出那些标志着生产能力制高点的装备 技术,没有优秀的设备及装备,就像砍柴没有镰刀,发展及制造效率必然大打 折扣。中国半导体缺少核心装备成为制约产业发展的核心要素之一。

目前来看,主要半导体领域的核心设备仍然被海外厂商所垄断,国内设备厂家 在单晶炉、刻蚀、沉积、划片、减薄等环节实现逐步突破,但仍有多个中高端 产业链环节依赖国外进口。因此半导体设备的国产化是振兴中国半导体产业的 起点。

中国具有巨大的市场,中国未来新建大量晶圆厂及产线将拉动国产设备近千亿 市场需求。在巨大的市场需求助力下,结合工程师红利、政策资金支持,中国 半导体设备产业一定能够崛起。

科技进步推动设备投资额台阶式上升


半导体设备是半导体产业进步的核心发动机


作为半导体产业的发动机,半导体设备是半导体技术迭代的基石

。大型制造业 的发展都需要其产业设备的发展推动,半导体产业也是如此。踏着晶体管集成 度约 18 个月翻番的摩尔定律旋律。半导体工艺从上世纪 70-80 年代的 3-10 微 米,发展至目前最先进的 7nm 制程,设备的进步起着至关重要的基石作用。

集成电路制造工艺复杂,所需设备种类广泛,设备精密度要求高。集成电路的 制作是将在 EDA 软件上设计好电路图制作成掩模(Mask),然后通过众多复杂的 工艺,像搭积木一般,一层一层构建在硅晶圆之上,形成裸芯片,然后进行封 装测试,成为成品。整个制造流程大约涉及到 300-400 道工序,半导体材料、 设备和洁净工程等上游产业链作为重要支撑。


在新一轮科技创新推动下,半导体设备产业迎来加速增长

2000 年以来全球设备市场发展趋势回顾:


PC 电脑联网时代(2000-2009):

全球顶尖芯片制程能力在 100~38nm,半导体 制程设备行业的市场规模位于 200~300 亿美元/年的平均水平。


智能手机移动互联网时代(2010-2017):

全球顶尖芯片制程能力在 32~16nm, 半导体制程设备行业的市场规模上升到 350~400 亿美元/年的平均线上。


5G、人工智能和物联网时代开启(2018-2025):

全球顶尖芯片制程能力达到 5~10nm,半导体制程设备的市场规模有望增加到 600~650 亿美元/年及以上 的数量级。

Semi 预计,2019-2021 年设备市场销售规模可达依 576/608/668 亿美元,随 着 5G 推动半导体设备行业规模将创历史新高,中国地区半导体设备销售市场 呈现较快增长。

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工艺制程世代升级催化新一代半导体制程设备,投资规模逐级提升

先进制程对设备需求显现日益加速增长。半导体技术制程随着摩尔定律的节奏 而进步,每更新一代工艺制程,则需更新一代更为先进的制程设备。以台积电 为例,每个节点的投资额迅速攀升,其中 16nm 制程 1 万片/月产能投资 15 亿美元,7nm 制 程 1 万片/月产能投资估计 30 亿美元,5nm 制程 1 万片/月 产能投资估计 50 亿美元,而 3nm 则预估需要 100 亿美元。

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拆分细分半导体设备投资占比,光刻、沉积、刻蚀和清洗等投资占比较高

根据 SEMI 历史数据,按照产业链上下游来看晶圆制造及处理设备类投资金额 最大,占总设备投资的 81%;封测环节设备投资约占总设备投资的 15%,晶圆 制造及处理设备为半导体行业中固定资产的核心。

晶圆制造设备投资中主要分为光刻机、刻蚀机、薄膜设备、扩散\离子注入设备、 湿法设备、过程检测等六大类设备,其中光刻、刻蚀和薄膜沉积设备等占比较 高,光刻机约占总体设备销售额的 30%,刻蚀约占 20%,薄膜沉积设备约占 25%(PVD 15%、CVD 10%)。

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全球半导体设备海外公司寡头垄断


半导体设备产业链全景图

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全球半导体设备市场集中度较高, 主要设备龙头 CR4 达 57%

主要核心设备领域仍然海外厂商主导,2018 年全球半导体设备厂商 CR4 达到 57%,CR10 达到 78%,市场集中度相对较高。国内设备厂家在单晶炉、刻蚀、 沉积、划片、减薄等环节实现逐步突破,多个中高端产业链环节依赖国外进口。

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细分环节核心设备均被海外公司寡头垄断


光刻机市场规模约 160 亿美元,3 大龙头拥有 95%市场


国外 EUV 光刻机龙头为 ASML、尼康、佳能等

,ASML 为龙头已能够实现前 道 5nm 光刻。上海微电子是国内顶尖的光刻机制造商,公司封装光刻机国内市 占率 80%,全球 40%,光刻机实现 90nm 制程,并有望延伸至 65nm 和 45nm, 公司承担多个国家重大科技专项及 02 专项任务。


刻蚀设备市场规模约 115 亿美金,海外前 3 大供应商拥有 94%市场份额

半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺:湿法腐蚀和干法刻蚀,目前全球主流 刻蚀工艺为干法刻蚀。

在湿法刻蚀中,液体化学试剂以化学方式去除硅片表面的材料。湿法腐蚀一般 只是用在尺寸较大的情况下(大于 3 微米)。干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态 中产生的等离子体,等离子体通过光刻胶中开出的窗口,与硅片发生物理或化 学反应,从而去掉曝露的表面材料。

刻蚀也可以根据被刻蚀的材料类型来分类,主要分成三种:金属刻蚀、介质刻 蚀、和硅刻蚀,其中介质刻蚀和硅刻蚀为主流。

目前全球硅基刻蚀主要厂商为 Lam(泛林集团) 和 AMAT(应用材料),两者拥有 97%的市场份额,介质刻蚀主要厂商为 TEL(东京电子) 和 Lam(泛林集团),拥 有 97%的市场份额。

中微半导体是唯一打入台积电 7nm 制程的中国设备商, 北方华创的 8 英寸等离子蚀刻机进入中芯国际,封装环节刻蚀机基本实现国产 化,国产化率近 90%。

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薄膜设备(气象沉积) 市场规模约 145 美金

CVD 主要厂商为日立、Lam(泛林集团)、TEL(东京电子)、AMAT(应用材料) 等 占据超 70%的市场。PVD 被 AMAT(应用材料)、Evatec、Ulvac 占据 90%市场 份额;


国内厂商北方华创实现 28nm PVD 设备的突破,封装设备国产 PVD 市占率接近 70%。

CVD 中的 MOCVD 是目前中微半导体已取得重要突破,目前已有 20%的国 产化率。


显影设备:

全球核心供应商为 TEL(东京电子) ,目前国内沈阳芯源有中低端产 品。

离子注入机:AMAT(应用材料) 拥有约 70%以上的市场,Axcelis Technologies 拥有 18%市场份额,前三家包揽97%市场份额。

目前国内只有凯世通和中科信有 离子注入机的研发生产能力,17 年凯世通已经销售太阳能离子注入机 15 台。


清洗设备:

主要设备厂商 SCREEN、东京电子、LAM 合计占比 88%,目前国内 的盛美半导体的 SAPS 产品已经进入一流半导体制造商产线。北方华创整合 Akrion 后提供单片清洗和槽式清洗设备,已经进入中芯国际产线。

至纯科技已经取得湿法清洗设备的批量订单,未来五年超过 200 台的订单。


CMP(化学机械抛光):

AMAT(应用材料) 拥有 70%市场份额, Ebara 拥有 26% 市场份额


热处理:

主要厂商有 AMAT(应用材料)、日立国际电气、TEL(东京电子)


去胶设备:

主要厂商有 PSK、Lam、日立高科技、屹唐半导体


划片/减薄机:

日本 DISCO 绝对垄断;


量测设备

:主要包括自动检测设备(ATE)、分选机、探针台等。


前端检测设备,

前三甲厂商科磊(KLA)市占率 50%、应用材料市占率 12%、日立 高科技市占率 10%,这三者累积市占率 72%;


后道测试设备

厂商,包括美国泰瑞达、日本爱德万占全球份额64%;


分选机厂商

厂商,包括科林、爱德万、爱普生等市占率高达 70%;而探针台基本 由东京精密、东京电子、SEMES 垄断。


国内厂商长川科技测试设备主要在中低端市场,主要在数模混合测试机和功率测 试机。其他包括上海睿励、中科飞测、上海精测半导体等。

半导体设备国产化是中国半导体产业振兴的起点

回看中国改革开放的 40 多年,中国制造业的崛起离不开装备设备行业的国产化。 国外技术绝不轻易交出标志技术及生产能力制高点的装备技术,而没有优秀的 设备装备就像砍柴没有镰刀,发展及生产效率必然大打折扣。因此半导体设备 国产化是中国半导体产业振兴的起点。


下游需求自主可控将拉动国产设备近千亿市场需求

近年来中国晶圆厂建设进度加快,根据芯思想研究院数据显示,新建的 20 家 FAB 中,19 年上半年有 2 家在建厂完毕逐步投产,12 家在建,4 家在规划中 或新增规划,2 家处于停摆状态。根据上述数据测算,总计将投入约 1177 亿人 民币,若按 65%~70%为设备投资,则有约需 760 亿~830 亿增量设备需求。


如果按各项目如期推进,则预计到 2020~2021 年,中国大陆晶圆厂装机产能将 达到每月400 万晶圆片/月(约当8吋),过去5年产能复合成长率(CAGR)达12%,

成长速度远高过所有其他地区,对设备需求量将每年拉动近千亿市场需求。

根据 SEMI 数据预估,未来中国区域显现更为显著的半导体设备销售增长潜力。预 计2020~2021 增速可达10%~16%,快于全球平均6~10%增速,中国区域迎来国 产设备增长的大好时机,年市场规模可达 130~160 亿美金。

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中国国产替代走上核心战略,龙头公司市场空间有 10 倍以上

半导体设备无论是产业安全自主可控需求外,也符合产业发展根本规律。只有在设 备上拥有核心技术升级与迭代能力,才能真正实现半导体制造上实现超越,国产化 率是当务之急,也势不可挡。

中国设备产业未来 10 年,第一步将迎接中国半导体产业对设备投资需求成倍的增 长,同时目标将国产化率从平均 5%~10%,提升到 70%~80%以上甚至更高;第 二步中国设备技术能力与国际厂商同台竞技之后,实现打开国门走向世界,从追赶 到超越的升华。

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从长江存储采购,看国内设备供应商进展情况

在近年来来的国产设备替代中,国内需求成为非常重要的推动力,我们下文列举了, 长江存储对国内设备商的采购情况。

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全球主要半导体龙头公司及半导体设备龙头公司梳理

全球排名前 50 的半导体公司,目前总市值达 2.08 万亿美元,2018 财年总收入为 4218 亿美元,净利润1051 亿美元,平均估值 20 倍,最新PE(TTM)中位数 31 倍。

国内外半导体设备龙头公司总市值 4141 亿美元,18 财年总收入 1233 亿美元,净利润 156 亿美元,平均估值 27 倍,中位数 PE(TTM) 25 倍。

国际上半导体设备龙头公司如 ASML、Applied Materials 以及 LAM 等年 收入在 100 亿美元-200 亿美元左右,相比之下国内设备龙头公司如北方 华创、中微公司等年收入在 10 亿美金以内,差距在 10 倍-20 倍之间。 国内半导体产业的逐步崛起,将给上游带来较大的市场需求,给上游设 备龙头公司带来较大的成长空间。

半导体设备 A 股重点上市公司


中微公司:刻蚀设备+MOCVD 领军企业

中微半导体在介质刻蚀设备、TSV 硅通孔刻蚀设备以及 MOCVD 设备三大细分 领域国内领先。2017 年底,作为 5 家刻蚀设备供应商之一,中微被台积电纳入 7nm 制程设备采购名单,2018 年底其自主研发的 5nm 等离子刻蚀机经台积电验 证通过。。

中微公司在介质刻蚀领域内取得本体存储厂商的第二大介质刻蚀设备供应商地位, 2017 年8 月-2018 年 4 月、2018 年6 月-2019 年 7 月的两个时间段内,中微半导 体分别中标长江存储订单 5 台、21 台刻蚀设备,所占份额依次是10%、30%。而 过去 3 年,长江存储与华虹系共采购中微 CCP 刻蚀设备 17/18/19 订单金额分别 约为 3/4/6 亿元,增长趋势显著。

此外公司已入股量测设备供应商睿励(上海)科学仪器,持股国内 CVD 供应商沈 阳拓荆,成为除光刻光、离子注入机之外的关键工艺设备平台。


北方华创半导体平台型设备企业

公司现有核心半导体设备已涵盖,物理气相沉积、刻蚀、清洗和立式炉等,覆盖相 对全面;伴随12英寸90-28nm节点之后,导入量产16/14nm设备,积极推进7/5nm 设备研发。

根据公开信息显示,公司已累计获得长江存储至少56台工艺设备订单,包括PVD、 刻蚀、清洗、退火、氧化炉、LPCVD 等多类产品。(1)PVD:6 台订单,包括 3 台 Al pad PVD、3 台 Cu BS PVD。公司在长存对 Al pad PVD 设备采购中占比达 100%, Cu BS PVD 设备占比达 21%,成功突破海外龙头应用材料等对PVD供 应的垄断格局。( 2)刻蚀:公司累计在 3D NAND 客户获得 9 台硅基刻蚀设备订单, 包括 8 台硅槽刻蚀、1 台多晶硅等离子蚀刻设备。其中,公司订单占长存硅槽刻蚀 设备采购中占 50%,多晶硅等离子蚀刻订单占比达 10%,打破全球硅基刻蚀市场 被Lam Research 等垄断格局。(3)热处理设备:累计中标39 台热处理设备订单, 占热处理总采购数量的 35%,仅次于第一供应商TEL。但从2019 年下半年至今的 热处理采购数据看,北方华创的份额已达 58%,高于上一轮41%的份额。

未来 2-3 年随着国内半导体制造产线大量投产,以及终端客户对半导体供应链的重 塑,对国产半导体设备需求量进一步加大。公司近年通过高研发投入、核心人员激 励、国际人才引进多战略布局举措,公司有望实现前道设备持续高速增长。


长川科技:数字测试机和分选平台领先企业

长川科技,专注于集成电路测试设备的研发、生产和销售。公司作为本土半导体测 试设备领军企业,自主研发实现数字测试机和探针台国产化突破。公司产品精度、 速度和稳定性在国内设备中已达到一流水平,已在国内许多封装测试工厂和设计公 司批量使用,得到客户的广泛好评。2019 年公司收购 STI,整合海内外客户群资 源禀赋,并基于 STI 核心技术为公司核心产品升级提供有力支撑。


精测电子:国产面板检测设备领先企业

公司成立于 2006 年,以模组检测设备起家,2013 年通过收购台湾光达和宏濑光 电,产品拓展至AOI、OLED 检测等领域,是国内面板检测设备领域覆盖最全的公 司之一。

随着国内面板厂崛起,以京东方和华星光电为代表等国内面板厂大幅扩产,带动对 公司产品需求增长。公司未来将充分发挥本土市场优势与核心研发能力,有望对标 全球检测设备龙头科磊。

此外公司产品在长江存储也有突破,根据中国国际招标网,1 月 17 日控股子公司 上海精测半导体技术中标长江存储的 3 台集成式膜厚光学关键尺寸量测仪,在长江 存储招标中的膜厚设备份额为 4%, 2019 年 12 月24 日,子公司武汉精鸿电子技 术有限公司中标长江存储的 5 台产品级高温老化测试机。


联得装备:国内平板显示模组设备领先企业

联得为国内模组设备领域领先企业,专注于显示面板模组邦定贴合设备的开发,与 GIS,京东方,华星光电等国内、国际一流客户一起成长。随着 5G 商用进程的加 快叠加 OLED 产线持续建设,下游行业对平板显示生产设备需求的增加将促进公 司盈利能力提升。


万业企业:从房地产业务转型半导体装备领域

万业企业房地产业务起家,近年来公司积极谋求业务转型。2018 年 8 月公司在 大基金支持下,完成收购凯世通 51%股权。2018 年一季度末,大基金持有万业企 业7%的股权,成为公司第三大股东。

凯世通主要产品为光伏离子注入机,拥有 iPV-3000、iPV-2000 和IonSolar 等核心 产品系列。离子注入机在光伏和IC 制造产业链中都属于重要设备,全球 IC 离子注 入设备市场规模约 20 亿美元,并随着芯片制程升级市场不断扩容。


晶盛机电:晶体硅生长设备龙头企业


晶盛机电为晶体硅生长设备龙头企业

,公司先后开发出拥有完全自主知识产权的直 拉式全自动晶体生长炉、铸锭多晶炉产品,并且实现可拉制 12 英寸的半导体级单 晶设备量产,突破国内空白打破海外垄断。

公司持续以单晶炉为核心不断延伸至相关半导体设备领域。目前公司半导体的客户 包括中环领先、有研半导体、郑州合晶、浙江金瑞泓等,且 公司目前在手订单充裕, 截至 2019 年 9 月 30 日,公司在手未完成订单约 25.58 亿元,涉及半导体设备约 5.34 亿元。随着国内半导体硅片厂建设持续如火如荼,硅片制造相关国产设备替 代空间巨大,半导体硅片设备将成为公司未来重要增长点。

(报告来源:国信证券


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