• 半導體設備行業深度報告:新一輪景氣周期,大國重器替代正當時

    首頁 2021-09-02 15:37:37

    1、半導體設備:工欲善其事,必先利其器

    1.1 半導體設備在硅片制造、前道及后道工藝中舉足輕重

    半導體設備泛指用于生產各類半導體產品所需的生產設備,屬于半導體產業鏈的關鍵支撐環節。半導體設備是半導體產業的技術先導者,芯片設計、晶圓制造和封裝測試等需在設備技 術允許的范圍內設計和制造,設備的技術進步又反過來推動半導體產業的發展。在從硅片制 造到晶圓制造,再到封裝測試的整個工藝過程中,半導體設備扮演著十分重要的角色。

    半導體芯片制造過程復雜,前期須制備硅片,整個硅片制造過程包含多個步驟,首先將多晶 硅提純后得到單晶硅棒,經過磨外圓、切片得到初始硅片,之后再進行倒角、研磨、拋光、 清洗和檢測等工藝,最終得到可用于生產加工的硅片。期間主要設備包括單晶爐、滾圓機、 切片機、倒角機、研磨機、拋光機、清洗設備和檢測設備等。在 IC 設計完成之后,就進入到 正式的芯片生產制造環節,具體分為晶圓制造(前道工藝)和封裝測試(后道工藝)。

    晶圓制造過程是芯片制造最為核心的環節,晶圓制造中的七大步驟分別為熱處理(氧化/擴散 /退火)、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜沉積、清洗、拋光。通常熱處理、光刻、刻蝕、離子注 入、薄膜沉積、清洗步驟需要重復進行若干次,之后進行 CMP 及金屬化,最終還需要進行 前道量測,只有量測合格的芯片方可進入到封裝測試環節。其中,熱處理(氧化/擴散/ 退火) 工藝主要用到氧化爐、擴散爐、退火爐;光刻工藝主要用到光刻機、涂膠顯影/去膠設備;刻蝕工藝主要用到刻蝕機;離子注入工藝主要用到離子注入機;薄膜沉積工藝主要 用到 PVD/CVD/ALD 設備;清洗工藝主要用到清洗機;拋光工藝主要用到 CMP 設備;量測則用 到膜厚/OCD 關鍵尺寸量測設備、電子束量測設備等。

    封裝測試包括封裝和測試兩個環節,封裝過程主要包括背面減薄、晶圓切割、貼片、引線鍵 合、模塑和切筋/成型,需用到減薄機、切割機、貼片機、烤箱、引線鍵合機、注塑機以及切 筋/成型設備等。封裝結束后做最后的成品測試,主要用到測試機、探針臺、分選機等。測試 合格后的芯片將被應用于消費電子、IoT、汽車電子、工控、醫療、通信等各下游領域。

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    半導體行業素有“一代設備,一代工藝,一代產品”的經驗,半導體設備要超前半導體產品 制造開發新一代產品,半導體產品要超前電子系統開發新一代工藝,因此半導體設備行業是 半導體制造的基石,支撐起了整個電子信息產業,是半導體行業的基礎和核心。半導體設備 價值高,一條半導體生產線中設備投資約占總投資規模的 75-80%,整個半導體產業的發展 衍生出巨大的設備需求市場。

    1.2 行業規模穩步上升,晶圓制造設備占比超 80%

    2005-2020 年,受消費電子、PC 等下游景氣度提升拉動,全球半導體需求整體向好,全球半導體設備規模呈現總體上升趨勢,2005 年為 328.8 億美元, 2020 年達到歷史最高的 711.9 億美元,同比增長 19.1%。

    分國家和地區看,日本呈現先降后 升的趨勢,2020 年規模為 75.8 億美元,占比 10.7%;北美則先升后降,2020 年規模為 65.3 億美元,占比 9.2%;歐洲整體穩中略降,2020 年規模為 26.4 億美元,占比 3.7%;韓國整 體呈上升趨勢,2020 年規模為 160.8 億美元,占比 22.6%;中國臺灣亦呈上升趨勢,2020 年規模為 171.5 億美元,占比 24.1%;中國大陸增速最塊,規模最大,2020 年規模為 187.2 億美元,占比 26.3%。

    2021Q1,受韓國三星和 SK 海力士增產存儲器,中國長江存儲尖端技術開 發等因素影響,全球半導體設備銷售額達到 235.7 億美元,同比增長 51%。其中韓國 73. 1 億 美元,同比增長 118%,排名全球第一;中國大陸 59.6 億美元,同比增長 70%,排名第 2; 中國臺灣 57.1 億美元,同比增長 42%,排名第 3。2021Q1 中國大陸和中國臺灣合計占全球 占比達到 49.5%,已成為全球最重要的半導體設備銷售市場。

    半導體設備主要包括前道工藝設備和后道工藝設備,前道工藝設備為晶圓制造設備,后道工 藝設備包括封裝設備和測試設備,其他類型設備主要包括硅片生長設備等。根據 SEM I 數據, 2006-2020 年,晶圓制造設備整體規模及占比穩步提升,規模從 287.4 億美元提升至 586.7 億美元,占比從 71.0%提升至 82.4%,是半導體設備行業最核心的一環;封裝設備保持基本穩定,從 24.6 億美元提升至 38.8 億美元,占比從 6.08%下降至 5.5%;測試設備先降后升, 從 2006 年的 64.2 億美元降至 2013 年的 27.2 億美元低點之后,到 2020 年又提升至 60.2 億美元,占比則從 15.9%下降至 8.5%。

    展望未來,受益于消費電子、5G、汽車電子、IoT 需求拉動,頭部晶圓廠為應對各種芯片缺貨不斷擴充產能,廠商紛紛擴大投資,帶動了大量半導體設備的采購需求,預測全球半導體設備市場規模 2021 年將達到 953 億美元,同比增長 33.9%;2022 年將達到 1013 億美元,同比增長 6.3%。

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    2020 年晶圓制造設備占全部半導體設備份額約 82%,其中光刻設備、刻蝕機和薄膜沉積設備占比最大,分別約為 25%、17%和 24%,合計占比 66%。 后道工藝設備中,封裝設備占比約 5%,測試設備占比約 8%。單晶爐等其他設備占比約 4%。 總體而言,在整個半導體設備中,晶圓制造設備最為重要,其中又以光刻設備、刻蝕機、薄膜沉積設備最為核心。

    1.3 美國、荷蘭、日韓占據絕大部分市場,國產替代空間大

    2020 年全球半導體設備廠商 Top15 排名中,美國應用材料營收 163.7 億美元,占比 17.7%,排名第一;荷蘭阿斯麥營收 154.0 億美元,占比 16.7% ,排名第二;美國泛林半導體營收 119.3 億美元,占比 12.9%,排名第三。行業 Top5 廠商合計占 比 65.5%,Top10 廠商合計占比 76.6%,Top15 廠商合計占比 82.6%,集中度較高。

    2020 年中國大陸已經成為最大的半導體設備市場,但全球 Top15 設備商沒有中國企業,中 國半導體設備明顯落后于美國、荷蘭、日本等,國產化率整體不足 20%,相對較低,供給和 需求嚴重不匹配,國產替代、自主可控需求迫切。目前,國內也涌現出了一批優秀本土企業, 根據中國半導體行業協會數據,2019 年中國半導體設備五強企業分別為北方華創、中微公 司、中電科電子裝備集團、盛美股份以及拓荊科技。我們認為,隨著未來企業研發不斷投入、 經驗不斷迭代升級、同時 Foundry 廠加速認證和導入本土設備商,行業景氣度不斷攀升,國 內半導體設備商將迎來快速發展期。

    2、硅片生長設備:晶盛機電實現 8-12 英寸設備量產出貨

    將多晶硅拉制成單晶硅棒主要有兩種技術工藝,直拉法(CZ)和區熔法(FZ)。直拉法是當今制備單晶硅的主 流技術。具體工藝流程是在石英坩堝中放入多晶硅,加熱使其熔融,然后夾住一塊單晶硅的籽晶并懸浮在坩堝之上,同時把籽晶的一端拉制插入熔體直到融化,之后緩慢旋轉并向上提拉,這樣在液體與固體的界面就會經過逐漸冷凝形成單晶硅。目前邏輯、存儲器芯片中使用 的單晶硅片大多采用直拉法制備,市占率超過 90%,且以生產 12 英寸為主。

    區熔法單晶硅棒的制作過程可分為 3 步:1)在真空或稀有氣體環境下的爐室中,利用電場 給多晶硅棒加熱,直到被加熱區域的多晶硅融化,形成熔融區;2)用籽晶接觸熔融區,并融 化;3)將多晶硅上的熔融區不斷上移,同時籽晶緩慢旋轉并向下拉伸,逐漸形成單晶硅棒。 由于區熔法不使用石英坩堝,避免了很多污染源,所以用區熔法拉的單晶純度高。用區熔法 制作的硅片主要用于功率器件和某些耐高壓電子器件的制造,硅片尺寸以 8 英寸及以下尺寸 為主。與 CZ法制作的硅片相比,FZ 法最大的特點就是拉制單晶的電阻率相對較高,純度更 高,能夠耐高壓,但是難以制備大尺寸硅片,機械能較差,所以在集成電路中使用較少。

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    整個硅片制造過程包含拉單晶、磨外圓、切片、倒角、研磨、拋光、清洗和檢測等工藝,最 終得到可用于生產加工的硅片。期間主要設備包括單晶爐、滾圓機、切片機、倒角機、研磨 機、拋光機、清洗設備和檢測設備等,其中單晶爐是最重要的硅片制備設備。

    國內廠商也已具備單晶爐生產能力,主要有晶盛機電、南京晶能等。 南京晶能已經能生產 12 英寸單晶爐設備。2020 年晶盛機電 8 英寸半導體長晶設備及加工設 備已實現批量銷售,12 英寸長晶設備、研磨和拋光設備已通過客戶驗證并實現銷售,此外晶 盛機電還具備單晶硅截斷機、研磨機、拋光機等設備生產能力。

    除了單晶爐之外,硅片加工環節還包括滾磨機、切片機、倒角機、研磨設備、CMP 拋光、清 洗設備、檢測設備等,每一項對于硅片生長都不可或缺,設備供應商以國外廠商為主,國內 廠商由于起步晚,相對落后,但是在單晶爐、滾磨機、CMP 拋光機、清洗設備等環節也實現 了一定的自主可控。

    3、晶圓制造設備:國外廠商全面領先,國內廠商全面布局,刻蝕機全球領先

    半導體設備泛指用于生產各類半導體產品所需的生產設備,屬于半導體行業產業鏈的關鍵支 撐環節。半導體設備是半導體產業的技術先導者,芯片設計、晶圓制造和封裝測試等需在設 備技術允許的范圍內設計和制造,設備的技術進步反過來又推動了半導體產業的發展。半導 體設備通?煞譃榍暗拦に囋O備(晶圓制造)和后道工藝設備(封裝測試)兩大類。

    3.1 光刻機:人類智慧集大成者,阿斯麥絕對龍頭

    光刻技術是指在特定波長的光照作用下,借助光刻膠將掩膜版上的圖形轉移到基片上的技術。 光學曝光是一個復雜的物理化學過程,具有大面積、重復性好、易操作以及成本低等特點, 是半導體器件與大規模集成電路制造的核心步驟。2020 年光刻機市場規模約 151 億美元,在整個半導體設備中占比約 21%;涂膠顯影設備市場規模約 19 億美元,在整個半導體設備中占比約 3%;干法去膠設備市場規模約 6 億 美元,在整個半導體設備中占比約 1%。

    光刻工藝一般包括脫水烘烤、旋轉涂膠、軟烘、曝光、曝光后烘焙、顯影、堅膜烘焙、顯影 檢查等 8 個步驟,光刻機在曝光環節使用。曝光環節是形成圖形的關鍵步驟,以正性光刻膠為例,正膠的曝光區域更加容易溶解于顯影液,因此在曝光后經過顯影液溶解,晶圓上面就 形成了所需的圖形。

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    光刻機在曝光過程中,首先通過曝光單元發射出光線,然后透過提前制作好的掩膜版到達透鏡,透鏡可以縮小掩膜版投影到光刻膠上的圖形,最終光刻膠被紫外線曝光的部分變得可溶 解(正膠)。對比相機和光刻機,被拍攝的物體就等同于微影制程中的光罩,聚光鏡就是單反 鏡頭,而底片(感光元件)就是預涂光阻層的晶圓。光刻機主要包括光源、投影物鏡和工件臺三個子系統及其 他部件。其中,光源系統主要用來發射激光,投影物鏡系統主要用來對光線進行精準聚焦, 工件臺主要用來承載硅片并根據光刻需求進行精密運動,其決定了光刻機的分辨率和生產效 率。

    對于光刻系統而言,有 3 項技術是決定性能成敗的關鍵。第 1 是投影透鏡的分辨率,分辨率 越高,可形成的圖形復雜度就越高;第 2 是對準精度,在生產過程中,需要更換幾十次光罩, 并且在曝光過程中會反復蝕刻電路圖案,因此每一次硅晶圓和掩模版的完全對齊至關重要; 第 3 是產量,當大規模生產時,產量的高低就決定了生產力的高低。

    光刻機產業鏈主要包括上游核心組件及配套設備、中游光刻機生產及下游光刻機應用三大環 節。光刻機技術極為復雜,在所有半導體制造設備中技術含量最高。主要涉及系統集成、精 密光學、精密運動、精密物料傳輸、高精度微環境控制等多項先進技術,生產一臺光刻機往往涉及到上千家供應商,主要組件包括雙工作臺、光源系統、曝光系統、浸沒系統、物鏡系統、光柵系統等,配套設施包括光刻膠、掩膜版、涂膠顯影等。

    光刻機按照有無掩模,可細分為有掩模光刻機和無掩模光刻機。無掩模光刻機分為電子束/激 光/離子束直寫光刻機,有掩模光刻機分為接近/接觸/投影光刻機。

    隨著光源、曝光方式不斷改進,光刻機前后共經歷了 5 代產品,每一代產品都在不斷降低光源波長,同時縮小制程線寬。第四代浸入式光刻機,最高制程可達 7nm,在 7nm 之后必須使用第五代 EUV 光刻機,其采用 EUV 光源,波長為 13.5nm,制程節點為 7-3nm,是目前最先進的光刻機。

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    全球光刻機市場主要由 ASML、尼康、佳能三家占據,受全球消費電子、IoT、汽車電子等需求拉動,Foundry 廠擴產等影響,整體銷量從 2016 年的 245 臺上升到 2020 年的 413 臺。 2020 年, EUV 光刻機全球僅有 ASML 獨家供應,銷量 31 臺,占比 100%;ArFi 光刻機由 ASML 和尼康 2 家供應,ASML 銷量 68 臺,占比 86%,尼康銷量 11 臺,占比 14%;ArF 光刻機由 ASML 和尼康 2 家供應,ASML 銷量 22 臺,占比 67%,尼 康 11 臺,占比 33%;KrF 和 i-line 光刻機相對低端,ASML、尼康和佳能 3 家均能供應。

    ASML、尼康、佳能的光刻機銷量分別為 258 臺、33臺、 122 臺,占比分別為 62%、8%、30%;銷售額分別約為 780 億元、120 億元、88 億元,占 比分別為 79%、12%、9%。ASML 銷售額占比高于銷量占比的原因,主要是 ASML 在高端光刻機領域具有絕對領先優勢,尤其在 EUV 光刻機領域,更是全球獨家供應商,平均 1臺EUV 光刻機價值量超過 1.45 億歐元,平均 1 臺 DUV 光刻機價值量 接近 0.38 億歐元,超高的技術壁壘奠定了 ASML 在高端光刻機領域的霸主地位,也保證了 高端光刻機的高價值量。

    2020 年 EUV、ArFi、ArF、KrF、i-line 光刻機銷量分別為 31 臺、79 臺、33 臺、143臺、 127 臺,占比分別為 8%、19%、8%、35%、31%;銷售額分別約為 53.5 億美元、51.4 億 美元、16.5 億美元、19.6 億美元、10 億美元,占比分別為 35%、34%、11%、13%、7%。 EUV 銷量占比最低,但憑借超高的價值量,銷售額占比排名第一。未來隨著 4nm、3nm、甚 至 2nm 技術不斷突破,先進制程占比不斷提升,我們預計 EUV 價值量會不斷提升,同時銷售額占比會繼續領先。

    全球光刻機市場主要由 ASML、尼康、佳能三家主導,國內企業如上海微電子已經實現 0 的 突破,上海微電子裝備(集團)股份有限公司(簡稱 SMEE)主要致力于半導體裝備、泛半 導體裝備、高端智能裝備的開發、設計、制造、銷售及技術服務。公司設備廣泛應用于集成 電路前道、先進封裝、FPD 面板、MEMS、LED、Power Devices 等制造領域。其中 IC 前道 制造用 SSX600 系列步進掃描投影光刻機,可滿足 IC 前道制造 90nm、110nm、280nm 關 鍵層和非關鍵層的光刻工藝需求,可用于 8 英寸或 12 英寸線的大規模工業生產。SMEE 當 前最先進的為 90nm 工藝光刻機,預計 28nm 工藝光刻機將有望在 2021-2022 年實現交付。

    3.2 涂膠顯影/去膠:東京電子涂膠顯影設備一家獨大,屹唐股份干法去膠設備全球第一

    涂膠顯影設備是光刻工藝中的設備,是在 8 英寸和 12 英寸產線上,與光刻機配套使用的涂 膠、烘烤及顯影設備,包括涂膠機、噴膠機和顯影機。通過與光刻機聯機作業,完成光刻工 藝流程。作為光刻機的輸入和輸出環節,在曝光前涂膠機進行光刻膠涂覆,在曝光后顯影機 進行顯影,期間主要通過機械手使晶圓在各系統之間傳輸和處理,從而完成晶圓的光刻膠涂 覆、固化、顯影、堅膜等工藝過程,涂膠和顯影不僅直接影響到光刻工序曝光圖案的形成, 圖形質量對后續刻蝕和離子注入等工藝中圖形轉移的結果也有著重要影響,是 IC 制造過程 中的關鍵設備。

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    按照所處工藝環節的不同,可分為前道涂膠顯影設備和后道涂膠顯影設備,全球前道涂膠顯影設備市場規模 2020 年為 19.06 億美元,預計到 2023 年將上升至 24.76 億 美元;全球后道涂膠顯影設備市場規模相對較小,2020 年為 0.81 億美元,預計到 2023 年 將上升至 1.08 億美元。全球涂膠顯影設備以前道為主,2020 年前道涂膠顯影設備市場規模 占比 95.9%。

    分廠商來看,全球涂膠顯影設備市場,東京電子占據龍頭地位,占比 88%, 迪恩士、細美事和蘇斯微合計占比 10%。中國涂膠顯影設備市場,仍然以國外廠商為主,其 中東京電子占比 91%,迪恩士占比 5%,國內廠商芯源微占比 4%,國產化率很低。

    在光刻、刻蝕完成后,還需要在不損壞底層材料和結構的情況下清除各類光刻膠。去膠工藝 分為濕法和干法,濕法去膠工藝通過使用溶劑對光刻膠等進行溶解;干法去膠工藝可視為等 離子刻蝕技術的延伸,主要通過等離子體和薄膜材料的化學反應完成,是目前的主流工藝。 目前干法去膠設備技術不斷提升,相應的圖形化薄膜清除完整性、對標底層材料的選擇比、 相應的底層材料表面保護、晶圓顆粒污染控制等技術指標日趨嚴格,逐漸成為先進光刻中的 一道關鍵步驟。

    2020 年全球 IC 制造干法去膠設備市場規模為 5.37 億美元,預計到 2025 年將增長至 6.99 億美元,CAGR 為 5.40%。全球市場格局來看,國內廠商屹唐股份排名第 一,占比 31.29%;北方華創排名第七,占比 1.66%;其余基本以國外廠商為主,包括比思科、日立高新、泛林半導體、泰仕半導體等。2018-2020 年,屹唐股份在干法去膠設備領域 分別位于全球第三、全球第二和全球第一的市場地位,市場占有率逐年提升,不斷鞏固在全球的領先地位。

    3.3 刻蝕機:干法刻蝕占比 90%,中微公司 5nm 量產出貨

    刻蝕是利用顯影后的光刻膠圖形作為掩模,在 SiO2、Si3N4、金屬、多晶硅等襯底上腐蝕掉一 定深度的薄膜物質,得到與光刻膠圖形相同的集成電路圖形?涛g是用化學或物理方法有選 擇地在硅片表面去除不需要的材料的過程,是與光刻相聯系的圖形化處理的一種主要工藝, 是半導體制造工藝的關鍵步驟。同光刻工藝技術一道,刻蝕技術也決定著集成電路圖形的精 細程度。

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    在刻蝕工藝中,最核心的設備就是刻蝕機?涛g機產業鏈上游為四大組成部分,包括預真空 室、刻蝕腔體、供氣系統及真空系統;中游為刻蝕機的制造,分為濕法刻蝕及干法刻蝕 2 種; 下游應用包括半導體器件、太陽能電池及其他微機械制造等。

    根據刻蝕方法不同,刻蝕主要分為濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕是使用液體化學藥品或刻 蝕劑去除基板材料的工藝,是化學反應過程。干法刻蝕則是使用等離子體或蝕刻氣體來去除 襯底材料,期間會產生氣態產物,這些產物應擴散到大量氣體中并通過真空系統排出。干法 刻蝕有三種類型:化學反應(使用反應性等離子體或氣體),物理去除(通過動量傳遞)以及化學反應和物理去除的組合。

    濕法刻蝕各向異性較差,側壁容易產生橫向刻蝕造成刻蝕偏差,通常用于工藝尺寸較大的應 用,或用于干法刻蝕后清洗殘留物等。干法刻蝕是目前主流的刻蝕技術,其中以等離子體干 法刻蝕為主導。根據產生等離子體方法的不同,干法刻蝕主要分為電容耦合等離子體刻蝕 (CCP)和電感耦合等離子體刻蝕(ICP)。按照被刻蝕的材料類型來劃分,干法刻蝕主要分 成三種:金屬刻蝕、介質刻蝕和硅刻蝕。電容耦合等離子體刻蝕(CCP)主要是以高能離子 在較硬的介質材料上,刻蝕高深寬比的深孔、溝槽等微觀結構;而電感耦合等離子體刻蝕(ICP ) 主要是以較低的離子能量和極均勻的離子濃度刻蝕較軟的或較薄的材料。

    2010-2016 年,刻蝕設備市場規模一直在 65 億美元左右波動, 2017年之后由于全球半導體產線 Capex 提升,尤其是中國Foundry 廠以及存儲廠提速建設, 同時工藝制程提升帶動刻蝕機加工時長提升,刻蝕設備需求快速提升,行業規?焖僭鲩L, 2017-2020 年,全球刻蝕設備規模從 92 億美元增長至 123 億美元。預計 2021-2025 年,全 球刻蝕設備規模將從 132 億美元增長至 155 億美元,行業景氣度持續提升。

    國內廠商中,中微公司市占率 1.37%,是國內領軍企業,在邏輯集成電路制造環節,公司開 發的12英寸高端刻蝕設備已運用在國際知名客戶 65nm-5nm 等先進的芯片生產線上;同時, 公司根據先進集成電路廠商的需求,已開發出小于 5nm 刻蝕設備用于若干關鍵步驟的加工, 并已獲得行業領先客戶的批量訂單。在 3D NAND 芯片制造環節,公司的 CCP 刻蝕設備可 應用于 64 層和 128 層的量產,同時公司根據存儲器廠商的需求正在開發新一代能夠涵蓋 128 層及以上關鍵刻蝕應用以及相對應的極高深寬比的刻蝕設備和工藝。

    國內廠商起步較晚,如中微公司、北方華創、屹唐股份等企業尚處于追趕階段, 全球市場占有率較低。國內集成電路制造廠商及國產刻蝕設備仍有較大的發展空間。

    半導體設備行業深度報告:新一輪景氣周期,大國重器替代正當時

    隨著集成電路芯片制造工藝的進步,線寬不斷縮小、芯片結構 3D 化,晶圓制造向 7nm、5nm 以及更先進的工藝發展。由于目前先進工藝芯片加工使用的浸沒式光刻機受到波長限制, 14nm 及以下的邏輯器件微觀結構的加工多通過等離子體刻蝕和薄膜沉積的工藝組合 ——多 重模板工藝來實現,利用刻蝕工藝實現更小的尺寸,使得刻蝕技術及相關設備的重要性進一 步提升,刻蝕等相關設備的加工步驟也進一步增多。 14nm 制程所需使用 的刻蝕步驟達到 64 次,較 28nm 提升 60%;5nm 制程所需刻蝕步驟更是高達 160 次,較 14nm 提升 150%,工藝升級持續推動刻蝕機用量提升。

    在存儲器領域,集成電路 2D 存儲器件的線寬已接近物理極限,NAND 閃存已進入 3D 時代。 目前 64 層 3D NAND 閃存已進入大生產,96 層和 128 層閃存已處于批量生產階段。3D NAND 制造工藝中,增加集成度的主要方法不再是縮小單層上線寬而是增加堆疊的層數?涛g要在氧化硅和氮化硅的疊層結構上,加工 40:1 到 60:1 的極深孔或極深的溝槽。3D NAND 層數的增加要求刻蝕技術實現更高的深寬比。

    3.4 薄膜沉積:ALD 是未來趨勢,北方華創與拓荊科技奮起直追

    薄膜沉積是半導體器件制造過程中的一個重要環節,通過薄膜沉積工藝可以在晶圓上生長出 各種導電薄膜層和絕緣薄膜層,為后續工藝打下基礎。根據工作原理不同,薄膜沉積工藝可分為物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)和原子層沉積(ALD)三大類,所需的設 備是薄膜沉積設備。

    PVD:是指是用物理的方法使鍍膜材料氣化,在基體表面沉積成膜的方法,主要有蒸鍍、濺 射和離子鍍等。特點是沉積材料純度佳、品質穩定、溫度低、速度快、制造成本較低。主要 用于金屬薄膜的沉積。其中,蒸鍍是在真空環境中把蒸鍍材料加熱熔化后蒸發,使其大量原 子、分子、原子團離開熔體表面,凝結在工件表面上形成鍍膜。濺射是用高能粒子(通常是 由電場加速的正離子)沖擊固體表面,固體表面的原子、分子與這些高能粒子交換動能,從 而由固體表面飛濺出來,飛濺出來的原子及其他離子在隨后過程中沉積凝聚在工件表面形成 薄膜鍍層,稱為濺射鍍膜。離子鍍是在真空條件下,利用氣體放電使氣體或被蒸發物質離子 化,在氣體離子或蒸發物質離子轟擊作用下,把蒸發物質或其反應物蒸鍍在工件上。

    CVD:是指在真空高溫條件下,兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內,氣態原 材料相互之間發生化學反應,形成一種新的材料,沉積到晶片表面上。特點是用途廣泛、不 需要高真空、設備簡單、可控性和重復性好、適合大批量生產。主要用于介質/絕緣材料薄膜 的生長。包括低壓 CVD(LPCVD)、常壓 CVD(APCVD)、等離子體增強 CVD(PECVD)、 金屬有機物 CVD(MOCVD)、激光 CVD(LCVD)等。

    ALD:ALD 是一種可以將物質以單原子膜形式一層一層的鍍在基底表面的方法,是一種原子 尺度的薄膜制備技術,本質屬于 CVD 的一種,特點是可以沉積均勻一致,厚度可控、成分可 調的超薄薄膜,ALD 方法既可以沉積介質/絕緣薄膜,也可以進行金屬薄膜的沉積。隨著納米技術和半導體微電子技術的發展,器件和材料的尺寸要求不斷地降低,同時器件結構中的寬深比不斷增加,這樣就要求所使用材料的厚度降低至十幾納米到幾個納米數量級。相對于傳 統的沉積工藝,ALD 技術具有優異的臺階覆蓋性、均勻性和一致性,可沉積寬深比達 2000:1 的結構,因此逐漸成為了相關制造領域不可替代的技術,具有很大發展潛力和應用空間。

    全球薄膜沉積設備整體規模穩定增長,2020 年市場 規模為 172 億美元,受益于 Foundry 廠、存儲、AMOLED 以及太陽能電站等需求的增加, 預計到 2025 年將達到 340 億美元。分類型來看,CVD 設備應用最廣,占比 57%;其次是 PVD,占比為 25%;ALD 及其他鍍膜設備占比 18%。

    半導體設備行業深度報告:新一輪景氣周期,大國重器替代正當時

    從各類設備來看,全球 CVD 設備市場中,應用材料占比 30%,泛林半導體占比 21%,東京 電子占比 19%,三大廠商占據了全球 70%的市場份額;全球 PVD 設備市場中,應用材料占 比 85%,基本壟斷,處于絕對龍頭地位;全球 ALD 設備市場中,東京電子占比 31% ,先域 占比 29%,合計占比 60%。中國整個薄膜沉積設備領域 98%以來進口,國產化率僅有 2%, 未來替代空間巨大,國內廠商中,北方華創和拓荊科技處于領先地位,北方華創 CVD、PVD 等相關設備已具備 28nm 工藝水平,14/10/7nm 等先進制程正處于研發與驗證階段。拓荊科技 CVD 和 ALD 相關設備已廣泛應用于國內晶圓廠 14nm 及以上制程集成電路制造產線,并 已展開 10nm 及以下制程產品驗證測試。

    3.5 離子注入:摻雜核心工藝,美國廠商占比 90%

    離子注入機是集成電路制造前工序中的關鍵設備,為改變半導體載流子濃度和導電類型需要 對半導體表面附近區域進行摻雜。摻雜通常有兩種方法:一是高溫熱擴散法,即將摻雜氣體 導入放有硅片的高溫爐,將雜質擴散到硅片內的一種方法;二是離子注入法,通過離子注入 機的加速和引導,將要摻雜的離子以離子束形式入射到材料中去,離子束與材料中的原子或 分子發生一系列理化反應,入射離子逐漸損失能量,并引起材料表面成分、結構和性能發生 變化,最后停留在材料中。與擴散工藝相比,離子注入可對注入劑量、注入角度、注入深度、 橫向擴散等方面進行精確的控制,使得離子注入在半導體制造中被廣泛應用。

    離子注入機產業鏈上游主要包括機械材料、電器材料、儀器儀表、真空系統、掃描系統等, 中游為離子注入機的設計制造,下游應用包括集成電路、太陽能電池以及 AMOLED 制造等。

    根據離子束電流和束流能量范圍的不同,通?梢园央x子注入機分為低能大束流離子注入機、 中低束離子注入機和高能離子注入機。不同類型的離子注入機運行原理基本相同,由于離子 束電流和束流能量范圍不同,在工藝中的主要應用各有不同。

    2013-2019 年,全球離子注入機市場整體呈現上升趨勢,2013 年為 8. 1 億 美元,2019 年增長到 18 億美元,同比增長 17.6%。中國市場 2016 年為 23.2 億元,2020 年為 44.5 億元,其中 IC 用離子注入機規模最大,2020 年市場規模為 43.2 億元,占比 97.1%。

    目前世界范圍內以集成電路領域離子注入機為主要業務的公司共有 6 家, 包括 美國 AMAT/Varian 和 Axcelis,日本 SMIT 和 Nissin,中國臺灣 AIBT和中國電科裝備(中科信)。 美國 AMAT/Varian 和 Axcelis,其中 Axcelis 的前身為 Eaton,在高能離子注入機領域占據了近乎壟斷地位;日本 SMIT擁有全系列離子注入機產品,日本 Nissin 主要產品為中束流離子 注入機,大束流正在研發之中;中國臺灣 AIBT 只涉及大束流離子注入機產品業務;中國電子科技集團旗下中科信已成功實現離子注入機全譜系產品國產化,包括中束流、大束流、高 能、特種應用及第三代半導體等離子注入機,工藝覆蓋至 28nm。

    3.6 熱處理(氧化/擴散/退火):RTP 設備屹唐股份全球第二

    在半導體工藝中,熱處理是不可或缺的重要工藝之一,具體包括氧化/擴散/退火。氧化是將硅 片放置于氧氣或水汽等氧化劑的氛圍中進行高溫熱處理,在硅片表面發生化學反應形成氧化 膜的過程,氧化膜可作為離子注入的阻擋層及注入穿透層(損傷緩沖層)、表面鈍化、絕緣柵 材料以及器件保護層、隔離層、器件結構的介質層等。擴散是指在高溫條件下,利用熱擴散 原理將雜質元素按工藝要求摻入硅襯底中,使其具有特定的濃度分布,從而改變硅材料的電 學特性,形成半導體器件結構,擴散工藝在硅 IC 工藝中被用于制作 PN 結或構成集成電路中 的電阻、電容、互連布線、二極管和晶體管等器件。退火是指在氮氣等不活潑氣氛中加熱離 子注入后的硅片,修復離子注入帶來的晶格缺陷的過程,可以激活雜質、消除損傷。用于氧 化/擴散/退火的基本設備包括臥式爐、立式爐和快速升溫爐(RTP)。

    傳統的退火技術包括高溫爐退火、尖峰退火、激光/閃光毫秒退火等,普通爐管退火設備需要 幾小時的加熱時長,隨著 IC 性能提升,快速熱退火設備(RTP)只需幾秒甚至幾毫秒便可使 晶圓上升至所需溫度,總體熱預算較低,可以更好地提高晶圓的性能,滿足先進 IC 制造的需 求,在晶圓加工/IC 制造中的競爭優勢愈發明顯。

    半導體設備行業深度報告:新一輪景氣周期,大國重器替代正當時

    2020 年全球熱處理設備市場規模 15.37 億美元,其中快速熱處理設備 7.19 億美元,占比 46.8%,氧化/擴散爐 5.52 億美元,占比 35.9%,柵極堆疊設備 2.66 億美 元,占比 17.3%。預計未來將保持穩定增長,2025 年規模達到 19.91 億美元,CAGR 為 6.7%。 分廠商來看,應用材料占比 69.72%,全球第一,中國廠商屹唐股份占比 11.5%,全球第二, 其他還包括國際電氣、維易科、斯庫林等。

    3.7 清洗:濕法清洗占比 90%,盛美股份國內領先

    在晶圓制造過程中,清洗可以減少雜質,提升良率,實際生產中一方面需要提高單次的清洗 效率,同時在每一步光刻、刻蝕、薄膜沉積等重復性工序后,都需要一步清洗工序,清洗步 驟約占整體工藝步驟的 33%。隨著線寬不斷縮小,IC 對雜質越來越敏感,因此清洗過程就 顯得尤為重要。

    整個清洗設備上游包括氣路系統、管路系統、控制系統等,中游為清洗設備的設計和制造, 下游則應用于 Foundry 廠、IDM 廠等。

    半導體清洗工藝分為濕法清洗和干法清洗,濕法清洗采用特定的化學液體,主要包括溶液浸 泡法、機械刷洗法、超聲波清洗法等,干法清洗主要包括等離子清洗、氣相清洗法等,目前 90%以上的清洗步驟為濕法工藝。其中濕法清洗對應的設備包括單片清洗設備、槽式清洗設 備、組合式清洗設備和批式旋轉噴淋清洗設備等,其中以單片清洗設備為主流。

    2018 年全球半導體清洗設備市場規模為 34.17 億美元,2019-2020 年全 球半導體行業景氣度下行,市場規模有所下降,分別為 30.49 億美元和 25.39 億美元,預計 2021 年隨著全球半導體行業復蘇,全球半導體清洗設備市場開始逐步增長,預計到 2024 年 將達到 31.93 億美元。全球清洗設備廠商中,日本迪恩士全球第一,占比 45.1%;東京電子、 細美事和泛林半導體分列 2-4 位,占比分別為 25.3%、14.8%和 12.5%,盛美股份和其他廠 商合計占比 2.3%。

    2019 年中國半導體清洗設備招標份額中,依然以國外廠商為主,迪恩士占比 48%,泛林半 導體占比 20%,東京電子占比 6%,國內企業合計占比 22%。其中盛美股份占比 20.5%,在 國內企業中排名第一,在所有企業中排名第二;北方華創占比 1%;芯源微占比 0.5%。

    3.8 CMP:兼具機械拋光與化學拋光優點,美日廠商合計占比超 90%

    CMP 技術,即化學機械拋光,是先進集成電路制造前道工序、先進封裝等環節必需的關鍵制 程工藝,集成電路制造的核心技術,主要目的是實現芯片的平坦化。早期的拋光技術包括機 械拋光和化學拋光,但由于去除速率低,在先進制程中均無法滿足芯片量產需求,而 CMP 技 術結合了機械拋光和化學拋光各項優點,兼顧了表面全局和局部平坦化,拋光質量高,在目 前 IC 制造中被廣泛使用。CMP 設備包括拋光、清洗、傳送三大模塊,在工作中,拋光頭將 晶圓待拋光面壓抵在粗糙的拋光墊上,借助拋光液腐蝕、微粒摩擦、拋光墊摩擦等耦合實現 全局平坦化。

    整個 CMP 設備上游包括檢測系統、控制系統、拋光墊等,中游為 CMP 設備的設計和制造, 下游則應用于集成電路、平板顯示、MEMS 等。

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    2012-2018 年,全球 CMP 市場規模整體呈現增長態勢,14.77 億美元上升 到 25.82 億美元,2019 年受下游需求影響,略微下滑至 23.05 億美元。中國 CMP 設備市場規模 2013 年為 0.8 億美元,到 2019 年上升至 4.6 億美元,2020 年 略降至 4.3 億美元。

    全球CMP 設備廠商中,應用材料占據絕大部分份額,占比70%,其次為荏原機械,占比 25%。 2019 年分全球各國家地區來看,中國占比 35%,是全球 CMP 設備最大市場,其中中國大陸 25%,中國臺灣 10%;其次是韓國,占比 26%,北美、日本和歐洲分列 3-5 名,占比分別為 13%、9%、7%。

    隨著 CMP 設備制造技術不斷發展,國內廠商中也涌現出了一批優秀的企業。2019 年華力微 電子 CMP 設備累計招標結果中,國內企業華海清科和天雋機電分別中標 6%和 12% ,合計 占比接近 20%。國內 CMP 設備生產企業主要有華海清科、天雋機電、中電 45 所、爍科精 微等,填補了國內 CMP 設備廠商空白,但是相比國外廠商,CMP 設備國產化率仍有較大提 升空間。

    4、封裝測試設備:封裝設備國外主導,測試設備國內廠商占據一席之地

    4.1 封裝設備:全球市場規模近 40 億美元,國外廠商主導

    2020 年全球半導體封裝設備市場規模為 38.8 億美元,同比增長 34%,占整個半導體設備市場規模約 5%,中國半導體封裝設備市場規模近年來小幅增長, 2018 年 9.2 億美元,2019 年 9.4 億美元,2020 年增長到 10.4 億美元。封裝過程步驟較多, 所需的設備類型也較多,主要包括貼片機、劃片機/檢測設備、引線焊接設備、塑封/切筋成型 設備等。細分到各個產品種類來看,貼片機占比最大,達到 30%;劃片機/檢測設備占比 28%; 引線焊接設備占比 23%;塑封切筋成型設備占比 18%;電鍍設備占比 1%。

    全球封裝設備廠商以國外為主,貼片機國外廠商包括荷蘭 Besi、新加坡 ASM Pacific、美國 K&S 等,中國廠商包括艾科瑞思、大連佳峰等;劃片機/檢測設備和引線焊接設備國外廠商包 括 ASM Pacific、K&S 等,中國廠商包括中電科 45 所等;塑封/切筋成型設備國外廠商包括 Town、YAMADA、Besi、ASM Pacific 等,中國廠商包括富士三佳等。

    4.2 測試設備:美日廠商領先,國內廠商積極布局

    電子系統故障檢測存在“十倍法則”,即如果一個芯片中的故障沒有在芯片測試時發現,則在 電路板(PCB)環節發現故障的成本為芯片級別的十倍。因此,檢測在半導體產業中扮演著 十分重要的角色,從設計驗證到最終測試都不可或缺,貫穿整個半導體制造過程。具體包括 設計驗證、工藝控制檢測、晶圓測試(CP)和成品測試(FT)。

    半導體檢測設備,分為前道量測和后道測試。前道量測主要在晶圓制造過程使用,目的是檢 查每一步制造工藝后晶圓產品的加工參數是否達到設計要求或存在缺陷,更多偏向于外觀性 /物理性檢測,主要用到膜厚/OCD 關鍵尺寸量測設備、電子束量測設備等。具體分為“量測” 和“檢測”,量測指的是通過量定薄膜厚度、摻雜濃度、關鍵尺寸等關鍵參數,檢驗是否符合 設計要求,檢測主要是檢測有無顆粒污染、機械劃傷和圖案缺陷等,前道量測在一定程度上 反映了代工廠的競爭力;半導體后道測試設備主要是用在封測環節,目的是檢查芯片的性能 是否符合要求,更多偏向于功能性/電性測試,主要使用測試機、探針臺和分選機。

    2020年全球半導體前道量測設備市場規模34.1 億美元, 占全球半導體設備市場規模約 5%;后道測試設備市場規模 60.2 億美元,占全球半導體設備 市場規模約 8%;中國半導體測試設備市場規模小幅增長,由 2019 年的 147 億元,增長到 2020 年的 176 億元,預計 2021 年銷售額將達到 206 億元,2026 年將達到 398 億元。

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    2018 年中國半導體后道測試設備中,測試機、探針臺和分選機占比分別為 63.1%、15.2%和 17.4%。根據應用領域的不同,測試機主要包括 SOC 測試機、存儲測試機、 模擬測試機、數字測試機等,占比分別為 14.8%、27.6%、7.6%和 8.0%。

    目前全球先進測試設備制造技術基本掌握在美國、日本等廠商手中。2020 年全球前道量測設 備廠商中,科磊排名第一,占比 58%;應用材料排名第二,占比 12%;國內從事前道量測設 備的廠商主要有精測電子(子公司上海精測)、賽騰股份(收購 Optima)、上海睿勵(中微公司持股 20.45%,第一大股東)、中科飛測、東方晶源等。后道測試機廠商中,愛德萬、泰瑞達和科休基本壟斷了市場,占比分別為 50%、40%和 8%,主要生產中高端設備,效率和穩定性較好,國內測試機廠商有長川科技、華峰測控、聯動科技等,以生產大功率測試機、模 擬/數;旌蠝y試機為主,主要用于分立器件、電源 IC 等產品,其中華峰測控在中國模擬測 試機領域市占率約 60%。

    在全球探針臺領域,東京精密占比 46%,排名第一;東京電子占比 27%,排名第二,二者合 計占比 73%,其余廠商主要有中國臺灣旺矽、惠特、深圳矽電、長川科技、中電科 45 所等。 中國大陸探針臺市場,東京精密和東京電子依然占據最大份額,合計占比 58%。在分選機領 域,愛德萬、科休、愛普生合計市占率約 60%,國內企業主要有長川科技、上海中藝等。

    5、芯片制造各工藝步驟國內外廠商對比

    從公司角度,全球半導體設備公司中,仍然以國外公司為主,前道設備中,應用材料設備產 品線廣,涉及干法刻蝕、CVD、PVD、RTP、離子注入、CMP 設備等;ASML 在光刻機領域 獨樹一幟,EUV 更是 100%獨家供應;泛林半導體則主攻刻蝕和薄膜沉積設備;東京電子在 刻蝕、薄膜沉積、熱處理、清洗以及探針臺設備方面均有所建樹;科磊則專注前道量測設備。 后道測試設備中,愛德萬和泰瑞達遙遙領先。

    國內廠商亦在奮起直追,北方華創產品線豐富, 涉及刻蝕、薄膜沉積、熱處理和清洗等設備;中微公司刻蝕機處于國際領先地位,5nm 刻蝕 機已實現出貨,同時涉及 MOCVD,并參股布局前道量測和 ALD 設備商,產品線布局日益完 善,前景十分廣闊;上海微電子 90nm 光刻機已經出貨,有望在 2021-2022 年實現國產 28nm 光刻機量產;盛美股份專注清洗設備;晶盛機電在硅片生長和加工設備方面國內領先;芯源 微則在涂膠顯影領域國內領先;華海清科專注 CMP 設備;萬業企業(凱世通)已經開始布 局集成電路用離子注入機;精測電子子公司上海精測在前道量測和后道測試均衡布局;長川 科技在后道測試設備全布局;華峰測控則專注模擬測試機。

    從半導體工藝工序角度,硅片制造設備主要有德國 PVA TePla AG、美國 Kayex 等,國內主 要有晶盛機電;前道設備中,最重要的光刻、刻蝕、薄膜沉積設備基本被阿斯麥、應用材料、 泛林半導體、東京電子等美國、荷蘭、日本廠商壟斷,國內廠商中微公司、北方華創、芯源 微、拓荊科技、屹唐股份、上海微電子在各細分領域有所斬獲;其余的熱處理、離子注入、 CMP、清洗、量測設備等同樣被應用材料、泛林半導體、東京電子、先域、荏原機械、迪恩 士、科磊等美國、日本、荷蘭公司主導,國內廠商亦有布局,包括中電科(中科信)、萬業企 業(凱世通)、華海清科、盛美股份、至純科技、精測電子(上海精測)等。

    后道設備中,封 裝設備廠商主要有 Besi、ASM 太平洋科技等,國內中電科 45 所有所突破;測試設備則被愛 德萬、泰瑞達、科休、東京精密、東京電子等企業壟斷,國內長川科技實現測試機、探針臺、 分選機全布局,華峰測控則在模擬測試機領域國內領先?傮w而言,半導體設備國產化率普 遍不高,除了去膠設備近 70%,清洗設備 22%,其余基本均在 20%以下,光刻機領域低于 1%,半導體設備國產化率整體不足 20%,未來國產替代提升空間大。

    6、新一輪景氣周期開啟,國產替代刻不容緩

    6.1 政策+資金支持

    半導體設備行業是國家產業政策鼓勵和重點支持發展的行業,半導體設備作為芯片上游行業, 對芯片制造起著至關重要的作用,由于與工藝流程密切相關,技術壁壘高,突破難度大,為大力發展半導體行業,加速推進相關設備自主可控,國家先后頒布了一系列政策措 施支持行業發展,為行業發展深度助力。中國半導體設備行業迎來了前所未有的政策契機,有助于中國半導體設備行業技術水平提高和行業快速發展。國家同樣在資金層面大力支持,先后設立了大基金一期和二期,體現出國家對半導體設備行業的重 視和支持。

    6.2 全球半導體產能向中國大陸轉移

    全球晶圓以 12 英寸為主。全球量產晶圓尺寸包括 6 英寸、8 英寸、12 英寸等,其中 12 英寸 應用最為廣泛,8 英寸次之。根據 SEMI 數據,2018 年全球 12 英寸市場份額 64% ,8 英寸 市場份額 26%,合計占比 90%,全球晶圓產能主要由 12 英寸和 8 英寸主導。

    半導體設備行業深度報告:新一輪景氣周期,大國重器替代正當時

    未來 12 英寸及 8 英寸產能持續提升。12 英寸方面,2019-2024 年全球 12 英寸 Foundry 廠數量將由 123 個增加至 161 個,共新增 38 個,其中中國臺灣增加 11 個, 中國大陸增加 8 個,合計 19 個,占全球新增數量的 50%,2024 年產能將達到 700 萬片/月 以上。其中中國大陸有望快速增長,SEMI 預計中國大陸 12 英寸 Foundry 廠產能全球占比 將由 2015 年的 8%增長至 2024 年的 20%,產量達到 150 萬片/月。8 英寸方面,根據 SEMI 數據,2024 年全球 8 英寸產能將達到歷史新高的 660 萬片/月,相比于 2020 年提升 17%, 增加 95 萬片/月。

    2021-2022 年全球將新建 29 座晶圓廠,其中 2021 年底前開始建設 19 座, 中國大陸和中國臺灣最多,分別為 5 座和 6 座;其余 10 座 2022 年開工,中國大陸 3 座, 中國臺灣 2 座,美國 2 座。這 29 座晶圓廠達產后將新增產能 260 萬片/月(8 英寸等效),新 建晶圓廠主要用來滿足通信、高性能計算、自動駕駛汽車等市場對芯片的強勁需求。受益于 12 英寸和 8 英寸產能擴張,以及 2021-2022 年全球新建 29 座晶圓廠,半導體設備行業將持 續受益。

    6.3 北美半導體設備支出創新高

    北美作為全球設備龍頭地區,2020 年全球 Top15 廠商中,美國有 4 家,分別是應用材料、 泛林半導體、科磊和泰瑞達,合計占比 38.9%,因此北美半導體設備支出對于判斷全球半導體設備行業景氣度具有指向意義。近 30 個月的北美半導體設備支出整體 呈現出增長趨勢,在 2021 年上半年增速創歷史新高,2021 年 6 月北美半導體設備制造商出 貨金額為 36.7 億美元,較 2021 年 5 月的 35.9 億美元環比提升 2.3%,相較于 2020 年同期 23.2 億美元同比提升 58.4%,行業景氣度持續向好。

    6.4 全球晶圓廠 Capex 提升

    作為晶圓廠上游行業,半導體設備與晶圓廠資本開支密切相關。2019 年全球半導體資本開支中,Top5 廠商(三星、臺積電、英特爾、SK 海力士、美光)占比高 達 68%左右,因此 Top5 廠商的資本開支直接決定了全球半導體資本開支走勢,亦決定了半 導體設備行業的景氣度。

    展望 2021 年 Top5 廠商資本開支,三星由于對 DRAM 未來市場前景不明確,DRAM 投資或 將趨緩,預計 2021 年和 2020 年基本持平,達到 280 億美元;英特爾 2020 年資本開支 143 億美元,受美國半導體基建投資預期拉動,2021 年預計提升至 195 億美元,同比增長 37%; 臺積電方面,2020 年 172 億美元,由于 5G、高性能計算等應用趨勢推升,公司決定調高 2021 年資本開支至 300 億美元,同比大幅增長 74%,預計 80%將用于 3nm、5nm 及 7nm 等先進制程,10%用于先進封裝技術量產需求,10%用于特殊制程;

    自 2012 年以來,全球半導體晶圓廠資本開支呈現出整體上升,小幅波動的態勢。由于存儲器市場持續火熱以及中國 IC 投資高漲,2018 年資本開支達到 1071 億美元,2019 年由于供過于求,開始消化庫存,資本開支回落至 1027 億美元,同比下降 4.1%。全球半導體晶圓廠資本開支具有周期性,自 2020 年開始,半導體行業迎來了新一輪上升周期,2020 年由于疫情爆發,新能源車放量,全球缺芯問題嚴重,晶圓廠資本開支企穩回升,達到 1121 億美元,同比增長 9.2%。2021 年,由于缺芯問題依然嚴峻,先進制程進一步突破,同時美國、日本、歐洲等普遍意識到半導體制造本土化的重要性,預計全球半導體晶圓廠資本開支規模有望持續提升至 1270 億美元,同比增長 13%。伴隨著半導體行業資本開支持續拔高,半導體設備行業景氣度有望不斷提升,相關廠商有望進一步受益。

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    7、重點企業分析

    7.1 晶盛機電

    公司是國內領先的半導體材料裝備和 LED 襯底材料制造的高新技術企業,圍繞 IC、太陽能 光伏、LED 等領域開發相應設備及材料。公司開發的晶體生長設備、晶體加工設備、晶片加 工設備、疊瓦組件設備等主要應用在半導體及光伏產業,其中 8 英寸長晶設備及加工設備已 批量銷售,12 英寸長晶設備、研磨和拋光設備已通過客戶驗證并實現銷售,其他加工設備也 陸續客戶驗證中。碳化硅外延設備已通過客戶驗證,同時在碳化硅晶體生長、切片、拋光環 節規劃建立測試線,以實現裝備和工藝技術的領先。

    在光伏行業,公司將緊跟行業發展浪潮,強化競爭優勢;在半導體領域,持續推進半導體裝 備和輔材耗材的新產品研發和市場推廣,加快 12 英寸單晶硅的客戶驗證和導入;在第三代 半導體領域,公司積極布局碳化硅生長設備及材料開發,已成功生長出 6 英寸碳化硅晶體。 未來有望持續受益于半導體、光伏行業景氣度上行帶來的重大發展機遇。

    7.2 中微公司

    公司主要產品為半導體刻蝕設備和 MOCVD 設備,分別應用于集成電路刻蝕工藝和化合物半 導體外延片生長?涛g設備是半導體前道設備中 3 大最重要設備之一,公司的 CCP 目前已 達到 5nm 工藝并且實現銷售,同時公司也在積極開發新一代 ICP 設備。目前公司等離子體 刻蝕設備已被廣泛應用于國際一線客戶從 65nm 到 5nm 的集成電路加工制造及先進封裝。

    公司的 MOCVD 設備在行業領先客戶的生產線上大規模投入量產,公司已成為世界排名前列、 國內占主導地位的氮化鎵基 LED 設備制造商。

    作為半導體設備國內領頭企業,公司通過入股方式積極布局半導體制造多種設備,努力打造 半導體設備平臺型公司。入股拓荊科技,布局 CVD 和 ALD 領域;入股上海睿勵,布局前道 量測設備。未來,公司刻蝕機將受益于先進制程進步以及國產替代的大趨勢,MOCV D 則受益于Mini/Micro LED新型顯示帶來的LED外延片需求量快速增長,以及疫情環境下紫外 LED 殺菌、消毒意識逐步增強。

    8、風險提示

    1、消費電子、新能源車等下游需求不及預期;

    2、晶圓廠擴產、資本開支不及預期;

    3、全球新冠疫情加劇。


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