半导体设备产业深度报告:高景气及国产化下的投资机会(上篇)

2023-02-09 未来智库

(报告出品方/作者:中信建投证券,刘双锋、雷鸣、孙芳芳)

一、全球半导体产业迎来第三波发展浪潮

1.1 各类电子产品新旧应用需求推动半导体芯片规模不断扩大

半导体芯片在各类终端虽然应用比例不同,但是新旧应用需求共同推动逻辑、存储和 DAO 规模的不断扩大。 根据美国半导体协会(SIA)公布的数据显示,2020年全球芯片销售额 4390 亿美元,同比增长 6.5%。从长期来看,因个人装置和晶片运算设备需求不断提升,将导致半导体市场将在未来几年持续成长。除了个人装置和伺服器,半导体应用包括 AI、5G、自驾车等也都迅速发展,使2021 年半导体产业营收金额,预期将较前一年再成长 8.4%。

另外,根据全球半导体贸易统计协会(WSTS)的数据,全球半导体市场规模在 2020 年同比增长 6.8%, 达到历史最高的 4,403.9 亿美元。由于世界经济发展呈现恢复,汽车产业等将快速复苏,再加上 5G 进一步普 及扩大需求的推升等原因,全球半导体贸易统计协会(WSTS)预测,2021年全球半导体产业市场规模将达到 4,882.7 亿美元,超过 2020 年的 4,403.9 亿美元,创出历史新高。

半导体分为逻辑、存储、DAO,受益工业、汽车等领域,DAO 市场规模增长最快且达到 12.55%。半导体器 件有 30 多种,但业界一般分为三大类别:逻辑、存储、DAO。以 DAO 类别为例,在智能手机和消费电子中的价 值占比约 1/3,而在工业和汽车应用领域占比高达 60%。由于全球经济形势的逐渐改善以及市场对具有新功能的 **的需求,例如人脸识别、三维成像、机器视觉、利用多传感器实现自动控制、嵌入式人工智能、5G 手机服 务、自动驾驶需求等,DAO 将保持持续增长且增长最快。根据 WSTS 的预测数据,2021 年度 DAO 市场规模将增 长 12.55%,达 1517 亿美元,并占到全球半导体市场规模的 31%。

逻辑器件是处理“0”和“1”的数字芯片,是所有设备计算和处理的构建模块,约占整个半导体价值链的 42%。逻辑类别主要包括:微处理器(比如 CPU、GPU 和 AP)、微***(MCU)、通用逻辑器件(比如 FPGA), 以及连接器件(比如 WiFi 和蓝牙芯片)。

存储器芯片用来存储数据和代码信息,主要有 DRAM 和 NAND 两大类,约占整个半导体价值链的 26%。DRAM 只能暂时存储数据和程序代码信息,存储容量一般比较大;NAND 俗称闪存,即便掉电也可以长期保存数据和代码,手机的 SD 卡和电脑的 SSD 固态硬盘都使用这类存储器芯片。

DAO 代表分立器件、模拟器件,以及其它类别的器件(比如光电器件和传感器),约占整个半导体价值链 的 32%。二极管和晶体管都是分立器件;模拟器件包括电源管理芯片、信号链和 RF 器件;其它类别的器件虽然 占比不高,但也不可忽视(计算机和电子设备缺少一个器件就无法工作),比如传感器在新兴的物联网应用中 越来越重要。

全球半导体若按这三大类别细分,总体销售额按照应用划分如下:智能手机占 26%;消费电子占 10%;PC 占 19%;ICT 基础设备占 24%;工业控制占 10%;汽车占 10%。

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通信、计算机、消费为半导体下游需求前三大市场,多行业均存在旺盛芯片需求。2019 年,通信和计算机 是芯片行业最大的两个细分市场,两大市场合计占比超过 70%。其中通信芯片占到了芯片市场总量的 35.6%,而 计算机芯片的占比也同样为 35.6%。排在第三的消费芯片占比 11.8%,汽车芯片占 8.7%,工业和其他应用的芯 片占 8.3%。

1.1.1 智能手机“硅含量”大幅提升,5G、快充等芯片用量翻倍增长

手机市场回暖复苏,全球 5G 渗透率持续提升。根据 IDC 数据,2021 年,智能手机出货量预计将达到 13.8 亿台,比 2020 年增长 7.7%。这一趋势预计将持续到 2022 年,年同比增长 3.8%,出货量总计 14.3 亿台。展望 未来,IDC 预计,个位数的低增长将持续到 2025 年,五年 CAGR 为 3.7%。全球 5G 手机渗透率持续提升,预计 2021 年全球将出货 5-5.5 亿部 5G 手机。

5G 终端的“硅含量”大幅提升,促进半导体需求。根据我们的测算,5G 手机相对 4G 手机,SoC 的面积大 25%, RF Transceiver 面积翻倍,PMIC(电源管理芯片)颗数 2-3 倍,射频前端 1.5-2 倍。例如高通 4G 平台需要 3-4颗PMIC,而骁龙 888 平台需要 8-9 颗,下一代平台需再增加一颗,联发科天玑 1000 平台需要 8-9 颗(不包括** 头和快充)。5G 手机渗透率持续提升,促进半导体需求大幅增长,对产能的占用也大幅提升。

快充、光学升级等新应用也推动半导体增速。快充能够为消费者带来良好体验,渗透率迅速提升,目前苹 果从 5V*1A、5V*2A 升级 18-20W 快充,安卓甚至开始推 65W 最高达 120W 以上的快充头,快充会多一颗同步 整流芯片和一颗协议芯片,ACDC 的面积也会变大,对功率器件的需求同步增加。另外,光学升级仍为手机厂商 竞争的焦点,1 亿像素大底开始渗透到中低端机型,面积越大的 CMOS 图像传感器芯片要求更高的芯片制程和 更大的晶圆面积,对产能的需求也会提升。

根据我们的测算,下游电源管理芯片(2021/2022 年增速分别为 10.2%、9.2%,下同)、CMOS 图像传感芯 片(10.9%、5.6%)、指纹识别芯片(17.6%、15.8%)、显示驱动 IC(7.2%、7.1%)、射频芯片(10.5%、9.1%) 以及功率器件(8.1%、6.1%)等模拟芯片和功率器件的需求量持续增加。

1.1.2 汽车、工控等行业需求从疫情后恢复,新能源车带动功率半导体需求

汽车需求恢复,新能源车**率半导体用量将出现 10 倍以上增长。政策与成本双重推动下,电动车将逐步 替代燃油车,我们预计 2030 年,xEV(各类电动车,包括轻混)渗透率将达到 60%。新能源汽车普遍采用高压 电路,当电池输出高压时,需要频繁进行电压变化,对电压转换电路需求提升,此外还需要大量的 DC-AC 逆变 器、变压器、换流器等,这些对 IGBT、MOSFET、二极管等半导体器件的需求量很大。功率半导体单车价值量 从传统车的 40 美元将提升至 400-500 美元。根据汽车销量数据,我国与全球新能源汽车进入快速增长阶段,对 功率半导体需求迅速扩大。

工业需求随着全球 GDP 水平修复而复苏。2020 年由于疫情冲击,我国 GDP 同比增长 2.3%,美国下滑 3.5%; 2021 年根据 IMF 预测,我国 GDP 增长 7.9%,美国增长 1.1%。全球疫情得到控制,生产活动恢复,工业半​导​ 体需求复苏。

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1.1.3 PC、平板、物联网、矿机等需求增长

疫情推动 PC、平板等存量市场大幅增长。平板及 PC 原本为低个位数增长甚至略有下降的存量市场,在此 轮疫情的推动下出现需求爆发。IDC 预计 2021 年全球 PC 市场出货量同比增速达到 18.2%,主要驱动力为疫情 带动的新应用场景大幅拉动了 PC 需求,其中 2C 端和 2B 端的短期渗透率和长期更换频率都发生了基本面的变 化,新应用场景带来长期驱动,IT 预算也会迎来增长。

虚拟币带动矿机等需求,加剧了行业缺货情况。自 20 年下半年以来,虚拟货币**攀升,带来挖矿热潮。 目前比特币等虚拟货币采用 ASIC 矿机,以太坊等虚拟货币采用显卡矿机。矿机与显卡需求高涨对于先进制程 的需求较为明显,也部分挤占了 PC 等产品的显卡供应,加剧了行业缺货情况。目前尽管币价冲高回落,但此 前的矿机订单均已排满至 2022 年。

小家电、物联网等市场下游需求旺盛。海外宅家需求推动家电类产品需求,2020 年,全球小家电市场的收 入为 2241 亿美元,同比增长 11%。同时智能家居成为确定性的趋势,智能化的全屋互联、全场景生态已经深入 人们的生活,物联网终端连接数也稳定增长。

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1.2 成熟制程芯片市场仍然巨大并将成为主要的市场增长点

DAO 成熟节点需求强劲,逻辑芯片先进成熟制程全覆盖。成熟制程进入门槛相对较低,下游应用领域广阔, 将成为各晶圆厂商角逐主赛场。根据 SIA 和 BCG 的数据,2019 年,28nm 以上成熟节点占整体产能的比例为 60%, 其中 100-180nm 和 180nm 以上节点占整体产能的比例相同均为 19%。成熟节点应用分布方面,28-45nm 节点上, DAO 占整体应用产能的比例较小为 7%;55-90nm 节点上,DAO 占整体应用产能的比例有所上升为 33%;100-180nm 节点上,DAO 占整体应用产能的比例为 40%;180nm 以上节点,DAO 占整体应用产能的比例最大为 76%,随着芯 片节点增大,DAO 芯片应用市场不断上升。逻辑芯片在成熟节点上占比减小,2019 年,180nm 以上节点中逻辑 芯片占整体应用产能的比例为 24%,DAO 为为成熟制程主要的应用。

2021 年成熟节点产能短缺将延续,更多晶圆厂加速聚焦特色工艺。节点工艺越先进功耗比越小,但面临上游 IC 设计费用越来越大的短板。根据 Counterpoint 的数据,2020 年,全球 40nm 以上成熟节点产能市占率前 5 的晶圆代工厂商分别为台积电(28%)、联华电子(13%)、中芯国际(11%)、三星(10%)、格芯(7%)。2020 年成熟节点产能严重短缺,虽然 2021 年以来各大晶圆厂正积极扩产,但从供应链结构协调周期来看,成熟节点 芯片短缺形势到 2022 年才会有所缓解。面对成熟节点的多样化需求,非头部晶圆厂联华电子、格芯、TowerJazz、 世界先进、华虹宏力更加注重特色工艺代工业务的拓展,在 MCU、模拟电路和分立器件上持续投入,持续提升 产品竞争力。

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40nm 以上成熟节点市占率稳定,各节点市场趋于均衡态势发展。成熟节点主要应用于中小容量的存储芯片、 模拟芯片、MCU、电源管理、模数混合、传感器、射频芯片。根据 IC insight 的数据,2020 年全球芯片产能在 2,109 万片左右,其中 40nm 以上节点产能市占率为 40.8%;10nm-20nm(不含)节点产能市占率为 38.4%;10nm 以下节点产能市占率为 10%。2022-2024 年,全球芯片产能预计为 2408/2515/2599 万片,其中 40nm 以上节点产 能市占率预计分别为 38.2%/37.4%/37.2%;2019-2024 年 40nm 以上成熟节点产能 CAGR 为 2.59%,维持良好市场 需求。2024 年,10nm 以下先进节点产能市占率预计为 29.9%,主要由于 5G、无人驾驶、高运算等芯片需求增加 所致。

1.3 缺货涨价潮下景气周期持续时间有望延续至 22 年

行业缺货涨价潮持续,并逐渐传导至下游终端。2021 年春节之后,涨价潮从 8 英寸蔓延至 12 英寸,各半 导体大厂纷纷发布涨价函,芯片交期进一步拉长。博通产品交期 50 周,联发科、瑞昱均为 20-30 周以上。进入 二季度后,缺货和涨价潮持续,半导体厂商纷纷发布涨价通知。同时,芯片缺货传导到汽车、手机、PC 等终端 产品,下游**、日产、丰田、福特、大众、通用等整车厂均相继发布停产或减产规划。此前 IHS 预计 2021 年 一季度由于芯片短缺所引起的轻型汽车减产数量将达 67.2 万辆,预计二季度的汽车减产 130 万辆。

我们认为本轮半导体景气周期持续度将超出此前预期,预计延续至 2022 年。我们认为本轮景气周期的本质 是行业需求的高速增长,而不仅仅是库存周期。展望长期趋势,从需求侧,5G 拉动终端“硅含量”是确定性趋势, 并将随着 5G 手机、新能源车、物联网等行业增长而继续呈现旺盛需求,从供给侧,2022 年之后,全球晶圆产 能将陆续释放,带来供需逐步趋于平衡,逐步缓解涨价趋势。

二、半导体技术多方向的发展给装备带来**度的发展空间

全球数字经济在国民经济中地位持续提升,“连接”与“智能”是最基本的逻辑内核,半导体产业的支撑作用 越发越重要。每 1 美元半导体芯片的产值可带动相关电子信息产业约 10 美元产值,并带来约 100 美元的 GDP。 根据 Gartner 及 WSTS 公布的 2020 年产值,全球半导体设备为 710 亿美元,带来半导体芯片产值为 4400 亿美 元,对应的 IT 相关电子信息产业约 3.7570 万亿美元,带来的 GDP 产值为 35 万亿美元。

随着晶体管的尺寸逐步趋近物理极限,半导体技术正在向先进工艺,特色工艺,先进封装及三维集成三个 方向推动半导体产业的可持续发展,同时也为设备的发展带来了更广阔的发展空间。

2.1 逻辑芯片技术代不断演进和多样化需求使装备需求不断增加

晶体管在芯片中起到“开关”作用,能通过影响相互的状态传递信息。晶体管的栅极控制着电流能否从源 极流向漏极,电子流过晶体管相当于“开”,电子不流过晶体管相当于“关”。随着晶体管尺寸缩小,源极和 栅极间的沟道不断缩小,当沟道缩短到一定程度时,即便不加电压,源极和漏极也因间距过小而互通,即产生 “漏电”现象,晶体管则失去“开关”的功能,无法实现逻辑电路。

逻辑器件内部结构拆解:对于逻辑器件,其工艺流程是由一层层制备起来的,可以分为前道工序和后道工 序。在前道工艺中,首先在硅衬底上划分两个区域,一为制备晶体管的区域,另一位离子注入后实现 N 型和 P 型的区域。之后,是制作栅极,随后仍为离子注入,以此来完成结构中每一个晶体管的源极(source)和漏极(drain), 实现硅衬底上的 N 型和 P 型场效应晶体管。之后进行的工艺被称为后道工艺,建立若干层的导电金属线,不同 的金属线之间用柱状金属进行相连。由于目前大多选用 Cu 作为导电金属,后道工序也可以被称为 Cu 互联。

后道工序的具体步骤(BEOL)(Wikipedia)首先对源极及源极、漏极和多硅区进行硅化,随后添加电解 质,并对其进行 CMP 处理。在 PMD 中打孔进行接触,添加金属层,之后添加第二层电介质(金属间电介质), 通过介电层形成通孔,将较低的金属和较高的金属连接,通过 CVD 工艺填充通孔。重复添加金属层、添加金属 间电介质、形成通孔的步骤,直至获得所有金属层。最后添加钝化层,来保护微芯片。

新的集成技术在晶圆衬底上也添加了很多新型功能材料,例如:前道(FEOL)栅极的高介电常数材料,它能 有效地增大栅极的电容并减少漏电流。前道(FEOL)中的关键光刻层是 FIN 和栅极(gate)。后道(BEOL)的关键光 刻层是 V0/M1/V1/M2,其中 V0/V1 是通孔层,M1/M2 是金属层。

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摩尔定律的续命关键结构:晶体管结构从平面晶体管---FinFET—GAA,22nm、14nm、7nm、3nm……. 节点持续攻克。基于平面(Planar)晶体管制程技术发展到 22nm 以下节点后,平面晶体管开始遇到源极漏极间距过近的瓶颈。英特尔在 2011 年率先转向 22nm FinFET。FinFET 的立体构造将漏极和源极由水平改为垂直, 沟道被栅极三面环绕,不仅增厚绝缘层,而且增加接触面积,避免漏电现象的发生。随着深宽比不断拉高,FinFET 逼近物理极限,为了制造出密度更高的芯片,环绕式栅极晶体管(GAAFET,Gate-All-Ground FET)成为新的 技术选择。三星、台积电、英特尔均引入 GAA 技术的研究,其中三星已经先一步将 GAA 用于 3nm 芯片。不同 于 FinFET,GAAFET 的沟道被栅极四面包围,沟道电流比三面包裹的 FinFET 更加顺畅,能进一步改善对电流 的控制,从而优化栅极长度的微缩。

集成电路制程越先进,产线投资规模越高:在摩尔定律的推动下,元器件集成度的大幅提高要求集成电路 线宽不断缩小,导致生产技术与制造工序愈为复杂,制造成本呈指数级上升趋势。当技术节点向 5 纳米甚至更 小的方向升级时,普通光刻机受其波长的**,其精度已无法满足工艺要求。因此,集成电路的制造需要采用 昂贵的极紫外光刻机,或采用多重模板工艺,重复多次薄膜沉积和刻蚀工序以实现更小的线宽,使得薄膜沉积 和刻蚀次数显著增加,意味着集成电路制造企业需要投入更多且更先进的光刻机、刻蚀设备和薄膜沉积设备等, 造成巨额的设备投入。根据 IBS 统计,随着技术节点的不断缩小,集成电路制造的设备投入呈大幅上升的趋势。 以 5 纳米技术节点为例,其投资成本高达数百亿美元,是 14 纳米的两倍以上,28 纳米的四倍左右。巨额的 设备投入只有具备一定规模的头部集成电路制造厂商可以负担,其进一步加剧了集成电路制造行业向头部集中 的趋势,为头部集成电路制造企业的发展创造了良好机遇。

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光刻机进入 EUV 时代,逻辑代工厂龙头台积电资本开支显著提升:公司在 2020Q4 法说会表示, 2021 年 资本预算预计在 *** 亿至 280 亿美元之间,其中约 80%的资本预算将用于先进的工艺技术,包括 3 纳米、5 纳米和 7 纳米。大约 10%将用于先进的包装和面膜制造,约 10%将用于特殊技术。根据公司历年来资本支出以 及先进制程进度,7nm 为 DUV 光刻机进入 EUV 光刻机关键的节点,台积电 N7+采用 EUV 光刻机设备,2019Q2 季度 N7+客户终端产品量产,由于 EUV 光刻机金额非常昂贵,导致 2019 年的资本开支同比增长 65%,随着后 续 5nm、3nm 对 EUV 光刻机需求更大。

台积电各制程迭代周期稳定,引领全球最先进工艺。台积电为全球晶圆代工行业龙头,市场份额达到 50% 以上。从各个制程产品的收入占比可以看出,台积电各制程工艺的生命周期表现相当稳定,大概每 2-3 年就有 新一代制程实现量产。随着新制程的推出,呈现出新制程产能爬坡时间越来越短,而制程间隔时间逐步拉长的 趋势。

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2.2 NAND Flash 技术发展给设备带来机遇

3D NAND 制造工艺:具有垂直结构存储单元的 3D NAND,可以实现更高的存储容量。在制造过程中,首 先步骤 a)在硅衬底上沉积薄层材料,如:二氧化硅和氮化硅交替沉积,两种材料均为绝缘体,氮化硅是牺牲 层,将会被移除。每一层必须高度均匀且极度光滑来以便确定垂直通道孔的位置。步骤 b)进行通道孔的刻蚀, 并在步骤 c)中对通道中进行多晶硅沉积。然后,在步骤 d)中,用氧化物(二氧化硅)填充通道的中心,比固 体多晶硅通道具有更好的子阈值特征和阈值电压分布。在步骤 e)中,刻蚀出狭缝,以将彼此各列分开。在步 骤 f)中,从侧面选择性地刻蚀,去除掉氮化硅层,留下较为窄的结构。接着,在步骤 g)中覆盖二氧化硅隧道 电介质层,在步骤 h)中覆盖氮化硅电荷捕获层,在步骤 i)中覆盖高氧化铝高介电常数的电介质。最后,在步 骤 j)中,用氮化钽填充结构中大部分缝隙和间隙,在步骤 k)中,将其与高介电常数的电解质一起从缝隙的中 心刻蚀掉。

3D NAND 堆栈层数越多,高楼越盖越高,容量就越大,存储密度就越高,为 3D 闪存的核心竞争力。2015 年还只有 32 层存储单元,仅仅四五年之后,我们看到了 96 层、128 层、112 层、144 层、176 层等结构的发布。 到 2020 年底,美光、SK 海力士公开宣布在 176 层 3D NAND 上率先取得突破进展。TechInsights 预计 2021 年, 各先进大厂进入 192 层以上制程,到 2023 年将会达到 300 层以上。此外,随着 3D NAND 层数不断堆叠,设备 投资金额持续增加,而刻蚀、沉积等设备是 3D NAND 中持续微缩的关键,所以刻蚀、沉积等设备随着层数的 增加而增加。

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NAND 闪存单元根据其可以存储的位数进行分类为 SLC、MLC、TLC、QLC,目前三星、铠侠、西部数 据、美光、SK 海力士、英特尔均推出更高层 QLC 3D NAND,主流厂商 176L 已经实现量产。正常来说,存储 单元 SLC>MLC>TLC>QLC 性能&可靠性越来越弱,**越来越便宜,容量密度越来越高。

SLC(全称 Single-Level Cell)每个 Cell 单元只存储 1bit 信息,只有 0、1 两种电压变化,结构简单, 电压控制也快速,反映出来的特点就是寿命长,性能强,P/E 寿命在 1 万到 10 万次之间。

MLC(全称是 Multi-Level Cell)每个 cell 单元存储 2bit 信息,电压有 00,01,10,11 四种变化,所以它比 SLC 需要更复杂的的电压控制,加压过程用时也变长,意味着写入性能降低了,同时可靠性也下降了,P/E 寿命根据不同制程在 3000-5000 次不等,有的还更低。

TLC(Trinary-Level Cell)每个 cell 单元存储 3bit 信息,电压从 000 到 111 有 8 种变化,容量比 MLC 再次增加 1/3,成本更低,但是架构更复杂,P/E 编程时间长,写入速度慢,P/E 寿命也降至 1000-3000 次,部分情况会更低。

QLC(Quad-Level Cell)每个 cell 单元存储 4bit 信息,电压从 0000 到 1111 有 16 种变化,容量增加了 33%,但是写入性能、P/E 寿命会再次减少。

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2.3 DRAM 技术发展和创新给设备带来机遇

目前 DRAM 1x/1y 纳米制程趋于成熟,1Z,1α 技术开始布局。在未来几年为了维持 DRAM 技术发展,满足 大数据时代的需求,DRAM 在新材料、新架构上会有更多的选择,也逐步导入 EUV 及 HKMG 以缩小线宽及加强外 围电路性能等。DRAM 的尺寸变化对刻蚀机、ALD、炉管、清洗等设备需求工艺步骤需求不断增加。

DRAM 前后十年技术演变,三星 1Znm 率先导入 EUV,原厂 2021 年将进入 1αnm 技术新阶段。DRAM 制程越先进,总体对应的容量密度和性能明显提升,功耗将下降:

2010-2014 年三星、海力士、美光处于 20nm 级(2xnm,2ynm,2znm)技术工艺,x,y,z 表示精密度 依次提高,如果 2xnm 代表 29nm,那么 2ynm 大概是 25nm 左右 ,2z 就是 20nm 左右。

三星 2015 年率先进入第一代 10nm 技术,在内存工艺进入 20nm 之后,由于制造难度越来越高,内存 芯片公司对工艺的定义已经不是具体的线宽,而是分成了 1X、1Y、1Z,大体来说 1Xnm 工艺相当于 16-19nm 级别、1Ynm 相当于 14-16nm,1Znm 工艺相当于 12-14nm 级别。

三星和海力士大规模导入 EUV 光刻机,DRAM 制程进入 1α 节点。根据美光公布的路线图,实际上 1Znm 之后还会有 1αnm、1βnm、1γ、1δ。2020 年三星、美光、SK 海力士等 DRAM 技术主要是从 1Ynm 全面向 1Znm 推进,这也是 DRAM 第三代 10nm 级技术,到*** 10nm 级之后,将会大规模 的导入 EUV 工艺。在推动 DRAM 制程向 1α 节点演变中,除了美光暂时没有采用 EUV,三星与海力 士均规划引入 EUV 工艺,美光于今年 6 月开始批量出货 1α 级工艺 LPDDR4x 和 DDR4;SK 海力士于 今年 7 月开始量产*** 10nm(1α)级工艺的 8Gb LPDDR4 移动端 DRAM 产品。三星也规划将在 2021 年大量生产基于*** 10nm 级(1α)EUV 工艺的 16Gb DDR5/LPDDR5。

2.4 满足 PPAC 需求的先进封装技术推动装备需求增加

半导体封装技术演进路径:根据技术先进性,封装技术可分为传统封装技术和先进封装技术两大类。传统 封装技术包括 DIP(**式封装)、PQFP(塑料方块平面封装)、PGA(插针网格阵列封装)、BGA(球栅阵列 封装)、QFN(方形扁平无引脚封装)等,先进封装技术包括 FC、WLP、FO、3D 封装、**级封装等。随着晶圆 代工制程不断缩小,摩尔定律逼近极限,先进封装是后摩尔时代的必然选择。

应用材料提出 PPAct 概念,先进封装是后摩尔时代必然选择。应对物联网、大数据和人工智能 (AI)需求, 芯片制造技术需要具备高功率、优良性能、充分利用面积、低成本、短周期等要求,被应用材料称为 PPAct 概念,即在后摩尔时代工艺制程压缩受限下,仅靠压缩工艺尺寸提高芯片性能已经变得非常困难,因此通过先进 封装技术提高提高芯片功率、增强产品性能、有效利用晶圆面积、降**造成本的特点,通过更高度的集成和 精确的设计,在提升芯片性能的同时缩短上市周期,达到良好的效果。

根据 Yole 的数据,从技术分类来看,3D 堆叠封装、嵌入式芯片封装、扇出型封装在2019 年到 2025 年的增速更高,CAGR 分别为 21%、18%、16%。扇出型技术进入移动设备、网络和汽车领域;3D 堆叠技术进入 AI/ML、HPC、数据中心、C**、MEMS/传感器领域; 嵌入式芯片封装进入移动设备、汽车和基站领域。从晶圆数来看,2019 年约 2900 万片晶圆采用先进封装,到 2025 年增长为 4300 万片,年均复合增速为 7%。其中倒装技术占比最高,3D 封装增速最快。从市场规模来看 2019年全球先进封装市场规模约 290 亿美元,预计 2025 年增长到 420 亿美元,年均复合增速约 6.6%,高于整体封装市场 4%的增速和传统封装市场 1.9%的增速。

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TSMC、Intel 等龙头晶圆厂商持续推出先进封装技术,先进封装与芯片制造融合趋势明显。目前,台积电 已经推出 2.5D 的 CpWoS、扇出型晶圆 InFO 和 3DFaric 三类先进封装技术,后者主要将逻辑、存储芯片与 SoC 集 成于一体,应用于 IoT、5G、智能手机等领域,主要具有加速带宽、降低延迟和提高电源效率的特点。此外,台积电与 Google 和 AMD 等厂商积极开展合作,共同研发 3D 堆栈晶圆级封装产品,并计划于 2022 年实现量产, 该技术可以将不同类型的芯片堆栈至一个封装中,从而推动单个产品在功能、尺寸和效率的全方位提高。

其次, 英特尔也在积极推动 3D 先进封装技术的研发,其“混合结合技术”可以实现 10 微米及以下的凸点间距,从而 产生互联密度小而简单的集成电路,并且拥有更强的带宽、电容和低功耗。此外,三星方面也已开发出 12层3D-TSV 技术,可堆叠 12 个 DRAM 芯片。同时,三星还研发了“X-Cube”3D 封装技术,可以实现不同芯片的有效堆叠,并且已经可以用于 5-7nm的半导体制程工艺。国内企业中,长电科技与中芯科技已在合力建设封装测 试厂,聚焦于先进封装设备,通富微电、天水华天等封测厂商也在积极布局。目前,长电科技已经具有 Fan-out、 WLP、2.5D/3D 等先进封装技术,其先进封装业务占总营收的 90%以上,在该领域实现了较为全面的布局。

2.5 第三代半导体产业迎来巨大发展机遇

由于第三代半导体材料具有热导率高、电导率高、临界击穿电压高、高频高效等特点,以 GaN、SiC 制作而 成的衬底和外延片可以在高压、高温强辐射等苛刻环境下使用,很好地满足集成电路技术发展的客观条件,广 泛应用于 5G、消费电子和新能源汽车等领域。经过 LED 技术产业的发展,宽禁带半导体的产能有了较大提升, 其市场也较为成熟,成本处于下降期。基于此,第三代半导体所制作的电子器件,将在集成电路等领域发挥重 要作用。第三代半导体已经被列入国家 2030 规划和“十四五”国家研发计划,是我国在未来需要重点研发的产 业。为加快推进第三代半导体材料行业的发展,国家先后印发《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019 版)》、《关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展若干政策的通知》等产业支持政策;地方也通过配 套政策实施,推动各地半导体材料产业的研发。

化合物半导体材料以砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为主,因其材料特性适用于不同场 景。(1)绝缘体击穿场强:GaN > SiC > GaAs >Si。在耐压相同的情况下,击穿场强愈高,愈能缩减器件大小, 降低导通电阻。(2)电子饱和漂移速度:GaN > SiC > GaAs > Si。电子饱和漂移速度愈高,愈能提高开关频率, 有助达成电感、电容等周边零件小型化。(3)热导率:SiC > GaN > Si > GaAs。热导率愈高,愈有利于缩小散热 零件体积,愈能适应高温的工作环境。GaAs 在频率和耐压性能方面都远优于 Si,是光电和射频领域的重要材料; GaN 的开关频率高、禁带宽度大、导电性能优良等性质在生产功率器件方面优势明显,同时其高频、高功率密 度、高带宽等特性完美符合 5G 时代射频芯片性能需求;SiC 主要作为高功率半导体材料,应用于汽车以及工业 电力电子,在大功率转换应用中具有巨大的优势。

EVs/HEVs、充电桩、快充等新兴应用大力推动功率器件领域的市场发展,第三代半导体产业迎来巨大发展 机遇。据 Yole 预测,功率器件市场年复合增长率达到 4.3%,其中 SiC 器件市场预计以 30%的复合增长率增长, 在 2025 年将达到 25 亿美元,RF GaN 器件市场将 2025 年增长至 20 亿美元。SiC 长晶、外延、刻蚀、高温氧化 退火、GaN 刻蚀、PECVD 等工艺设备需求将持续增长。

USB-C 接口与快充协议 USB-PD 将统一,手机龙头争相布局,GaN 快充市场空间广阔。现在移动终端包括中 高端智能手机、iPad、PC 都在慢慢走向 USB-C 的接口,同时支持快充协议 USB-PD,USB-C 与快充协议 USB-PD 结合在整个行业的接受度也比较高。2019 年,非苹果阵营的智能手机已经全面搭载 Type-C 连接口,支援全新的 USB-PD 有线快充技术。目前,vivo、小米、华为均已推出标配 GaN 快充。现阶段 GaN 快充价位依然较高,未来 随着工艺成熟度提高和规模化生产,**将逐渐下降,GaN 快充在增量端和存量端的渗透率都将逐步提升。我 们估计2020年全球GaN充电器市场规模为34亿元,2025年将快速上升至231亿元,2020~2025年CAGR达46.70%。 快充端 GaN 功率器件价值量将从 2020 年的 18 亿元上升至 2025 年的 92 亿元,2020~2025 年 CAGR 达 38.58%。

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政策加速新能源汽车渗透,市场保持高景气,GaN 和 SiC 功率器件对 Si 基功率器件替代率逐渐上升。2020 年 10 月,为推动新能源汽车产业高质量发展,加快建设汽车强国。中汽协预测 2024 年我国新能源汽车销量将达到 538 万辆,2019-2024 年 CAGR 达 34.8%。 新能源汽车**率器件约占整车成本的 3%~4%,随着 GaN 与 SiC 功率器件技术成熟度提升和规模化商用,将部 分替代 Si 基功率器件。我们估计 SiC 基功率器件价值占比将从 2019 年的 0.2%上升到 2024 年的 0.5%,2024 年 市场规模达 67.3 亿元;GaN 基功率器件价值占比将从 2019 年的 0.02%上升至 2024 年的 0.2%,2024 年市场规 模达 26.9 亿元。

2.6 新型显示在应用驱动下将带来新一轮设备增长

发光效率提升、成本下降带动 Micro LED/Mini LED 产业应用渗透到大众市场,据 IHS Markit 预测,2026 年 Micro LED 显示器的出货量将会达到 1550 万台。将带动 LED 设备市场,GaN/GaAs 刻蚀、多片大腔体 PSS刻蚀、AlN PVD 等设备将获得规模应用。

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MiniLED 产业链已逐步成熟,进入放量的元年。MiniLED 目前技术上主要关注芯片制造、芯片封装、基板键 合、驱动方案、转移技术、检测修复。各环节技术逐步成熟,MiniLED 基本具备量产条件,产业链进入业绩兑现 期。

Mini LED 随着技术成熟度提升以及成本逐渐降低,将逐步放量。Mini/Micro LED 技术自 2006 年开始萌芽, 2012 年导入市场,2018 年起 Mini LED 逐步产业化,目前处于成长期。随着 Mini LED 产业链各环节技术瓶颈 逐渐克服,整体成本逐渐降低,终端产品放量较为明确。2021 年,Mini LED 将在苹果和三星的引领下逐步放量, 供应链相关厂商逐步有望进入业绩兑现期。

大尺寸显示方面,Mini LED 相对于 OLED、LCD 显现出较高性价比。根据 LEDinside 数据,搭载 AM 驱 动的 Mini LED 65 寸背光电视售价约 759 美元,已低于 65 寸 OLED 电视的 781 美元售价,高于传统 LED 直显。 Mini LED 在高阶电视应用上,采用约 16000颗Mini LED,搭配 2000 区的分区控制,成本仍比高阶 OLED 电视 面板低 15%,具有成本优势。中阶产品中,Mini LED 的颗数减少至 10000~12000 颗,搭配 500 区的分区控制, 成本仅高出入门直下式 LCD 30%~50%。

苹果、三星等大厂推动下,Mini LED 渗透率有望迅速提升。鉴于目前 Mini LED 售价与成本已经与 OLED 成本相当,与 LCD 背光方案差距不太大,并且相关技术逐渐克服瓶颈以及整体成本逐步降低,Mini LED 已具 备替换传统 LCD 和 OLED 的条件,应用领域涵盖笔记本及更大尺寸显示屏。2021 年苹果春季发布会上,发布 了搭载 Mini LED 背光屏幕的新款 iPad Pro,采用超过 1 万颗 Mini LED 灯珠,拥有 ***0 个局部调光区和极致动 态范围。我们预计苹果在 2021 年将出货 1000 万台以上的 Mini LED 设备,2020 年随着 Mini LED 的成本降低, 渗透率将迅速提升,成为高端电视、电竞笔电、创作平板等应用场景的重要选择。三星等 TV 厂商也大力推动 Mini LED 在大屏显示市场的应用。Mini LED 渗透率有望迅速提升。

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预计 Mini LED 市场未来 5 年爆发式增长,应用领域拓宽至车载、手机、可穿戴等。预计包括背光和直显 的 Mini LED 市场规模将从 2020 年的 0.18 亿美元增长至 2025 年的 14.27 亿美元,五年复合增速 140%。其中, 电视墙、电视、IT 显示率先爆发,预计电视墙市场规模从 2020 年的 0.11 亿美元增长到 2025 年的 6.14 亿美元, 复合增速 153%;电视从 2020 年的 0.03 亿美元增长至 2025 年的 3.12 亿美元,复合增速 180%。此外,车载显示、 手机/平板显示、头戴式显示也会逐步起量。从产品结构上看,Mini LED 电视墙、电视、车载、IT 显示领域渗 透较快。

三、半导体高景气度带动半导体设备周期向上

3.1 全球晶圆厂资本开支增加,半导体设备周期向上

全球经济增速放缓,半导体行业尤其是半导体设备行业逆势上涨。 2020 年在全球贸易争端不断、世界经 济放缓、疫情影响持续蔓延的情况下,总的经济情况放缓,半导体行业保持高增长,特别是全球半导体投资(Capex) 提高了 7.6%,而其中的全球晶圆厂设备增加了 13.9%,领跑整个高科技产业。

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全球半导体设备销售创历史新高,我国**、我国**、韩国为领先地区。SEMI 全球半导体设备市场统 计报告显示,全球半导体制造设备销售额从 2019 年的 598 亿美元猛增 19%,达到 2020 年 712 亿美元的历史新 高,预计 2021 年半导体设备市场规模同比增长 12%至 797 亿美元。 2020 年我国**、我国**和韩国将成 为支出的领先地区。预计在 2021 年和 2022 年,韩国将在存储器恢复和逻辑投资增加的背景下,在半导体设备 投资方面领先于世界。

北美半导体设备厂商销售额保持强劲增长,维持两年以来上涨趋势。从历史经验来看,北美半导体设备厂 商月销售额对于全球半导体行业景气度分析具有重要意义,一般北美半导体设备销售额水平领先全球半导体销 售额一个季度。我们选取 2017-01 至 2021-06 时间段进行复盘,2019 年 4,北美半导体设备月度销售额为 19.22 亿美元,同比下降 28.50%,同比为历史最低点,全球半导体月底销售额同比历史最低点时间在 2019 年 8 月份, 同比下降达到 15.90%,销售额为 342 亿美元。2021 年 1 月,北美半导体设备月度销售额突破 30 亿美金,达到 30.4 亿美元,月销售额持续强劲上涨,至 6 月份销售额达到 36.71 亿美元,同比增长近 58.40%,同期全球半导 体月销售达到 445.30 亿美元,同比增长 29.20%。

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资本支出大幅增加,龙头台积电未来三年资本开支将高达 1000 亿美金。全球晶圆制造支本开支近几年维持 在 350 亿美元以上保持高位,占半导体资本开支的约 50%,晶圆代工台积电、联电、中芯国际、华虹资本开支 大幅增加,其中台积电在 2021Q1 法说会表示, 公司将上修 2021 年资本支出至 300 亿美元,同比 2020 年大幅 增长 74.4%,其中 80%用于 3 纳米/5 纳米/7 纳米等先进制程,同时,公司预计未来 2 年资本支出将高达 700 亿 美金,未来 3 年资本支出将高达 1000 亿美金。中芯国际支出将维持高位,2021 年全年将达到 43 亿美元,其中 大部分用于成熟制程扩产,联电和华宏同期也在 2021 年大幅度增加资本开支。

伴随着全球资本开支增大,半导体设备周期向上。随着景气度及全球资本开资增加,前七大设备厂商单季 度总和从 2019Q2 触底反弹,从 133 亿美元增长至 2021Q2 的 230 亿美元,尤其在 2021Q1 增长最强劲,ASML 同比增长接近 80%,泛林半导体同比增长为 54%,应用材料同比增长为 41%,东京电子同比增长为 32%,科磊 半导体同比增长为 27%,主要由于 2020Q1 由于疫情冲击下,开工不足需求下降,导致单季度业绩基数低。

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2021 年全球半导体资本投入 Capex 预计同比增长 28.4%,达到 1419 亿美元。全球半导体资本投入(Capex) 2020 年较 2019 年增长 11.2%。根据 Garner 预测,2021 年会增加 28.4%,增速非常快,尤其是 DRAM 将增加 了 46.3%,其次 NAND 将增长 29%,Logic 将增长 29.5%。在资本开资大幅增加下,半导体设备规模从 2019 年到 2022 年持续的增长,平均的增长速度(CAGR)达到 12.88%,估计到 2022 年,全球半导体设备市场规模 达到 860 亿美元。

3.2 半导体设备国产化率低,国内半导体厂商迎黄金机遇期

我国半导体设备产业蓬勃发展,2020 年市场占比位居全球第一。受益于企业产能扩展及国产化的稳步推进, 我国半导体设备销售额近年来一直保持持续增长。2020 年我国半导体设备销售额为 187.2 亿美元,同比增长 39%,我国在 2018-2020 年全球市场份额分别为 20.32%、22.51%、26.30%,位列全球 第二、第二、第一席位。但受限于产业起步晚、技术门槛高等问题,我国在刻蚀设备、热处理设备、清洗设备 等领域国产化率相对较低,在光刻设备、离子注入设备、涂胶显影设备领域刚刚起步。

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我国芯片生产自主供给比例持续提升,从 2010 年 10.2%提升到 2020 年 15.9%,剔除我国设有外资晶圆厂, 自主比例仍很低,2020 年我国公司生产的芯片仅占其用量的 5.9%。存储器、通讯芯片、各类传感器等领域集 成电路的市场规模不断提高,预计到 2025 年,我国半导体芯片市场规模将达到 2230 亿元。我国本**造的芯 片占比预计持续提升,由 2020 年的 15.9%提升到 2025 年的 19.4%。去年在我国制造的价值 227 亿美元的 IC 中, 总部位于我国的公司仅生产了 83 亿美元(36.5%),仅占我国 1,434 亿美元 IC 市场的 5.9%。而台积电,SK 海 力士,三星,英特尔,联电和其他在我国设有 IC 晶圆厂的海外公司则生产了其余的产品。ICInsights 估计,在 我国公司生产的 83 亿美元 IC 中,约有 23 亿美元来自 IDM,60 亿美元来自中芯国际等纯粹的代工厂。

全球半导体产业预计将继续向我国**转移,2021-2022 年我国预计将建 8 座高产能晶圆厂。纵观全球半 导体产业的发展历程,经历了由美国向日本、向韩国和我国**地区及我国**的几轮产业转移。目前我国大 陆正处于新一代智能手机、物联网、 人工智能、5G 通信等行业快速崛起的进程中,已成为全球最重要的半导 体应用和消费市场之一。根据国际半导体协会(SEMI)的统计数据,2017 年到 2020 年期间,全球将有 62 座 新晶圆厂投产,其中将有 26 座新晶圆厂座落我国**, 占比达 42%。新晶圆厂从建立到生产的周期大概为 2 年,未来几年将是我国**半导体产业的快速发展期。

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随着行业景气度回暖,国产化率逐步提升,以中芯国际和华宏为代表的逻辑 Foundry 厂近五年持续扩产, 以长江存储及合肥长鑫为代表的 Memory 厂商已经实现零的突破,产能逐步进入量产阶段,这对国内设备需求 拉动具有重大意义。其中长江存储总投资 240 亿美元,平均单个 Fab 投资额就达到 80 亿美金以上,对应的设备 投资接近 60 亿美金。

国产设备采购比例仍处于较低水平(2020 年占采购总额的 7%),未来国产设备发展空间广阔。根据 2020 年我国晶圆厂设备采购占比来看,来自美国采购的设备占比超过 50%,日本 17%,荷兰 16%,我国 7%,其他 7%。我国本土的半导体设备仍然占比较小的比例,目前国内大概有将近 20 个半导体前端设备的公司,随着国 内晶圆厂的扩产以及国产设备技术迭代,未来国产设备发展空间广阔。

国内半导体设备厂商产品线逐步完善,在各自优势环节逐渐突破。根据本土主要晶圆厂设备采购情况的统 计数据,目前去胶设备国产化率达到 90%以上,主要代表厂家为屹唐半导体;清洗设备国产化率 20%左右 ,主 要代表厂家为盛美半导体、北方华创、至纯科技,刻蚀设备国产化率为 20%,主要代表厂家为中微公司、北方 华创、屹唐半导体;热处理设备国产化率为 20%左右,主要代表厂家为北方华创、屹唐半导体;PVD 设备国产 化率为10%,主要代表厂家为北方华创;CMP 设备国产化率为 10%,主要代表厂家为华海清科;涂胶显影设备 实现零的突破,主要代表厂家为芯源微;光刻设备预计实现零的突破,主要代表厂家为上海微;离子注入机实 现零突破,代表厂家为万业企业(凯世通);量测设备实现零的突破,代表厂家为精测电子;此外,华峰测控与长川科技实现了测试设备的比较大突破。

四、全球半导体设备集中度高且呈上升趋势

4.1 半导体设备以晶圆制造为主,国外企业占据主导地位

晶圆制造设备占据主导,以沉积、刻蚀、光刻为主。芯片制造主要分为硅片生产、集成电路设计、晶圆片 制造和芯片封装测试四个步骤,其中前三个部分与景晶圆制造设备密切相关,第四部分主要依靠封装和测试设 备。从全球半导体设备市场结构出发,晶圆制造设备占比最高达到 85%,封装和测试设备两项后道工艺分别占 据 6%和 9%。自 2014 年起,晶圆制造设备便占据 78%的市场份额,并且实现连续增长,重要性逐年显著。实际上,后摩尔时代芯片制程压缩空间逐步达到上限,经济成本不断攀升,晶圆制造和封装将面临更高的技术挑战, 半导体设备市场也将在下游需求的强力推动下迎来更长时间的增长。

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晶圆制造设备包括沉积、刻蚀、光刻、清洗、CMP、过程控制、热处理、过程控制等细分品类,其中尤以 沉积、刻蚀和光刻为主。2011 年三者份额占比为 48%,近十年份额稳中有升,并于 2020 年达到 60%的历史高 点。在芯片制造中晶圆制造设备包括沉积、刻蚀、光刻、清洗、CMP、过程控制、热处理、过程控制等细分品 类,其中尤以沉积、刻蚀和光刻,需要通过沉积、刻蚀和光刻不断生成精致复杂的电路结构,这三个步骤的技 术高度决定了晶圆厂的制程能力和芯片的整体性能,因此被视为核心工艺。同时,过程控制也是晶圆制造的重 要工序,主要用于消除支撑干扰,提高产品良率,对 IC 制造的成本回收也重要意义,其市场占比保持稳定。此 外,随着晶圆表面污染控制要求加强,为避免影响芯片良率和性能,清洗工艺变得愈发重要。预计后摩尔时代 影响下,清洗、过程控制等步骤将实现占比提高,先进封装作为重要的发展方向将推动封装市场的增长。

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国外企业占据市场主导地位,沉积、刻蚀和光刻为主要设备投资。全球半导体设备市场仍以国外企业为主, 2016 年和 2017 年应用材料(AMAT)、阿斯麦(ASML)、东京电子(TEL)、泛林半导体(Lam)和科磊半导体(KLA)五家企 业合计市场占比分别达到 90%和 92%,市场高度集中。这一现象在 2018 年开始缓解,CR5 逐年下降,并于 2020 年来到 61%的历史低位。2018 年面临芯片**下跌,芯片制造商降低上游设备需求,贸易战也同时**了厂商 的资本支出,对全球的领先半导体设备供应商造成了较大的经营压力。同时,该影响蔓延至 2019 年,同年出现 了智能手机的销售疲软,进一步引起市场波动。

2020 年至今,受到芯片供给影响和智能手机出货量改善,半导 体行业迎来了中长景气期,诸多半导体设备企业趁机扩大市场份额,行业竞争格局加剧。受益于政策支持和全 球市场格局改善,我国的半导体企业逐步打破国外垄断,部分实现国产替代。芯源微、屹唐半导体、北方华创 等国内企业已在涂胶显影、刻蚀、清洗、刻蚀等重要领域实现突破,尽管市场份额较低,但国产化大背景下预 计长期内仍有较大的成长空间。此外,全球视野下晶圆制造设备投资中表现出明显倾向,主要以沉积、光刻、 刻蚀为主,合计占比达 75%。沉积设备中 CVD 全部投资占比为 15%,PVD 为 10%;刻蚀设备中干法占比 12%, 湿法占比 8%,CVD 沉积和干法刻蚀仍为主流。这一投资趋势与市场份额表现趋近,在科技产品更迭加速和芯片 需求上升影响下,晶圆厂商资本支出大幅回升,呈现周期性上升趋势。

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4.2 细分市场国外企业占比集中,国产替代加速突破

4.2.1 光刻、刻蚀市场规模最大,国内企业积极布局

光刻设备被 ASML 垄断,国内自研难度仍然巨大。2020 年全球光刻设备市场规模约为 135 亿元,占全球半 导体制造设备市场的 21%,是规模最大的细分领域之一。该领域由 ASML 实现垄断,市占率达到 84%,Nikon、 Canon 分别占比 7%和 5%。ASML 研制的 EUV 光刻机使用波长为 13.5nm 的极紫外光,具备光刻分辨率高、生产 效率强、光刻工艺更为简便的特点,甚至可以实现 7nm 乃至 5nm 的制程精度,高端工艺极为领先。目前,全 球光刻机的出货量约为 300-400 台,平均**为 3000 万美元。其中,ArFi 与 KrF 光刻机均为 90-100 台,EUV 出 货量为 34 台,后者平均客单价超过 1 亿美元。同时,EUV 主要客户为台积电、三星和英特尔,三家占比超过 90%。

我国**一直不断进行光刻机自研,上海微电子装备股份有限公司已经实现了最高为 65nm 制程的光刻机 研发,但该精度水平仍与国际先进水平差距较大。受益于 EUV 光刻机,台积电和三星的 5nm 芯片已经投入量产, 且在积极推进 3nm 的工艺制程,而中芯国际还处在 14nm 的产能积累阶段。后摩尔时代,持续压缩制程精度必 须依靠顶尖光刻机技术,而我国自研光刻机仍然具有较大壁垒,这意味着国产芯片制程精度将无法追赶世界领 先水平,芯片产业仍将处于劣势地位。在光刻领域,以 ASML 为代表的外企仍具有极高的护城河和技术壁垒, 预计我国**在较长期内仍难以打破国外垄断,芯片自研领域也将受到阻碍。

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刻蚀市场以干法工艺为主,国产替代进程较为成熟。刻蚀设备近年来增速显著,整体占比从 2011 年 11% 发展为 2020 年的 21%,同年市场规模约为 137 亿美元,干法刻蚀规模接近 137 亿美元。介质刻蚀和导体刻蚀为 干法工艺的核心,市场规模分别为 60 亿美元和 76 亿美元。目前,刻蚀领域仍以国外企业主导,Lam、TEL、AMAT 市场占比分别为 47%、27%和 17%,CR3 为 91%,市场高度集中。导体刻蚀领域,Lam 长期市占率超过 50%,其 次为 AMAT 占据 30%份额;介质刻蚀领域,TEL 和 Lam 分别占据 50%和 40%的份额,呈现垄断格局。后摩尔时 代面对制程压缩的需求,刻蚀工艺的次数和质量必须同步增加,目前 Lam 已实现 DRAM 和 3D NAND Flash 的高 深宽比刻蚀,成本和产品良率都有进一步的改善。

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刻蚀技术壁垒较高,但尚未形成较大分化,是国内国产替代率最高的半导体设备领域。国内刻蚀厂商主要 包括屹唐半导体、中微公司和北方华创,近年整体业绩持续增长,与国际先进企业差距逐渐缩小。中微公司 CCP 刻蚀设备已覆盖 5-65nm 工艺制程和 64 以及 128 层的 3D NAND 晶圆生产,ICP 刻蚀设备也已获得多项重复订单, 在 DRAM、NAND 和逻辑芯片领域均实现规模量产。北方华创 ICP 刻蚀机实现 8 英寸覆盖,成功打破国外垄断, 12 英寸刻蚀设备也在 28nm 节点实现国产替代。屹唐半导体刻蚀设备已用于三星电子、长江存储等国内外知名 存储芯片制造企业客户。目前,中微公司、北方华创、屹唐半导体都在刻蚀细分领域实现技术突破,受益于政 策扶持和研发投入,预计将率先实现国产替代。

4.2.2 沉积、清洗市场集中度高,国产技术持续迭代

沉积工艺以 PVD 和 CVD 为主,国内企业积极布局。2020 年全球薄膜沉积设备市场规模达到 138 亿美元,占 总体份额接近 21%,CVD 为核心工艺类型,市场规模达 89 亿美元。整体来看,沉积设备市场由 AMAT、Lam、 TEL 形成垄断,市占率分别为 42%、19%和 14%,CR4 为 83%,市场较为集中。具体的,CVD 全球供应商主要包 括 AMAT、Lam、TEL、ASML 和 Kokusai,合计占比超过 85%;PVD 市场则呈现寡头格局,AMAT 长期市占率超过 80%,其次还有 KLA、TEL 等。AMAT 开创了有利于晶体管互联的沉积技术,可以帮助 3D 晶体管提升功率和性能, 同时其 PVD 和 CVD 技术也成功地应用于平板显示器领域。

我国**的沉积设备市场也相对成熟,其中北方华创和沈阳拓荆是主要参与者。北方华创积极布局 PVD 领 域,目前全球市占率为 3%。其自主研发的 TiN PVD 是侧重于 28-55nm 制程的 12 寸掩膜设备,ALD 设备已成功 实现商用,多个 PVD 工艺产品进入国际供应链市场。同时,北方华创也积极布局 CVD 领域,锚定应用广泛、性 能优异、成本较低的 LPVD 领域,目前已开发出多项相关产品。沈阳拓荆目前拥有 SACVD、12 英寸 PECVD 和 ALD 三个 CVD 系列品类,2020 年累计出货量超过 100 台,国产企业放量持续增加。此外,中微公司也将加码沉积设 备领域,主要包括 CVD 设备及工艺应用的开发。

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清洗设备重要性日益凸显,国产替代进展稳定。2020 年清洗设备市场规模约为 33 亿美元,占总体比例约 为 5%,投资份额整体较低。全球视野下 DNS 公司市占率高达 51%,随后为 TEL(27%)、Lam(12%),市场 CR4 为 90%,呈现高度集中格局。DNS 在晶圆清洗设备市场、洗刷机设备市场和自动清洗台市场均具有完整的产品链 和较高的市占率,国内目前有三家在湿法工艺设备端提供中高阶湿法制程设备,分别是盛美、北方华创和至纯 科技,芯源微清洗设备也在积极跟进。

盛美以 IC 单片清洗设备为主,已走向自研清洗设备道路;北方华创则主 要研究单片和槽式清洗设备;至纯科技单片湿法设备获得国内重要用户的多个订单;芯源微也主要攻克 IC 单片 洗刷领域。目前国产替代进程稳定,但难以快速打破垄断局面。后摩尔时代,随着芯片制程压缩,清洗工艺在 良率保护、有效清洁、精确度等方面发挥愈加重要的作用。尽管目前清洗设备占比较低,但受益于芯片精度的 高要求和沉积、刻蚀、光刻工艺的加强,预计清洗市场将迎来新一轮增长。

4.2.3 涂胶显影和 CMP 市场规模稳定,国内企业已打破垄断

芯源微打破国外垄断,国产替代进程加快。2020年涂胶显影市场规模约为 25 亿美元,占半导体设备比例约为 3%,近年来在设备领域占比稳定。整体来看,涂胶显影市场以 TEL 为中心形成垄断格局,其市占率为 87%, DNS 位居第二占比 10%。TEL 最新研制的 CLEAN TRACK LITHIUS 系列涂胶显影机可用于 300mm的晶圆加工(适用 于 10nm 节点及以上),通过强大的可扩展性、高吞吐量、低占地面积和高效率,满足了各类先进需求,并且完好支持先进封装、高粘度和旋涂硬掩膜应用程序。

国内企业则以芯源微为代表,公司自主研发的前道涂胶显影机已经实现 28nm 的工艺制程,可用于 193nm 光刻工艺的精细化显影和温控处理,以及先进封装、OLED、MEMS 等领域的显影制程。目前,芯源微已经获得来自于华天科技、通富微电、中芯国际等大客户的订单,下游客户 包括国内多数高端封装和 LED 制造企业,部分产品已达国际先进水平,成功打破国外垄断。预计随着 IC 和 LED 产能扩张,在持续的研发投入下,芯源微有望完成技术突破并实现国产替代。

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华清科技打破国外垄断,但国产化率仍有待提高。2020 年 CMP 市场规模为 18 亿美元,占全球半导体设备 市场规模约 3%,近 10 年份额占比保持稳定。目前,全球 CMP 市场以应用材料形成垄断,市占率达到 65%,其次为 Ebara,占比达 24%,市场格局高度集中。应用材料研制的 Mirra CMP 为硅、氧化物、STI、铜的镶嵌提供了150mm 和 200mm 平坦化解决方案,其先进的工艺控制能力,可实现工艺制程的极佳均匀度和效率。同时,华 海清科已经实现 12 英寸 CMP 设备的量产,其设备已经销向中芯国际、华虹集团等芯片制造客户,国产化率为 10%,成功打破国外垄断。

目前,华海清科已经对 14nm 产品进行验证,预计将在中期内实现 14-28nmCMP 设备 的国产替代。此外,盛美半导体所研发的无应力抛光技术可应用于 3-5nm 以下的铜互连工艺,可大幅节省 CMP 工艺耗材。然而,根据华力微电子公司的 CMP 招标数据,华海清科和天隽机电合计占比 18%,主要份额仍为应 用材料所获,其他公司招标我国产占比也几乎低于 25%,CMP 设备国产化率仍需提高。

4.2.4 过程控制设备国产替代缓慢,热处理市场国内企业布局活跃

过程控制设备国外垄断,国产进程缓慢。2020 年过程控制设备市场规模为 73 亿美元,占比约为 12%,近 十年比重波动但总体稳定。目前,过程控制市场以国外企业为主,KLA、AMAT 和 Hitachi 市占率分别为 52%、16% 和 10%,市场 CR3 为 78%,整体较为集中。KLA 的半导体过程控制业务为 IC 制造企业提供完整的计量、检测和 数据分析服务,旨在提高半导体工艺的目标良率,同时缩短上市周期。

公司的计量和检测业务在 5nm 和 3nm 晶 圆领域需求旺盛,且在图案化细分晶圆检测领域占据近 70%的市场份额,是少数能够提供高端过程控**务的国际企业。由于过程控制并非半导体前道工艺中的最为重点的领域,我国在该方面的国产替代进程较为缓慢,目前精测电子子公司上海精测膜厚产品(含**式膜厚设备)已取得国内一线客户的批量重复订单、OCD 量测 设备以及半导体电子束检测设备 eViewTM 全自动晶圆**复查设备也已实现交付国内客户。预计随着沉积、刻蚀、光刻、清洗等领域的国产替代进一步突破后,与之配套的过程控制设备或将迎来增长,国产替代也将逐步 启动。

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全球热处理设备集中度高,国内企业布局积极。2020 年全球热处理设备市场规模约 15 亿美元,占半导体 设备市场比例为 3%。全球视野下,热处理市场仍以国外企业为主,其中 AMAT、Axcelis 和 Hitachi 分别占比 62%、 12%和 10%,行业 CR3 为 84%,集中度很高。热处理市场主要分为氧化、扩散和退火三类,基本设备包括卧式 炉、立式炉和快速热处理(RTP)。应用材料最新 RTP 产品 Producer Pyra 主要针对 BEOL 和 MOL 空间中的低温度范 围,可实现晶圆的退火均匀性,其多对腔室技术可以缩短产品周期,在批量模式下实现较高的生产效率。国内 热处理设备企业主要包括北方华创和屹唐半导体,主要针对 12 英寸产线的设备研制。

北方华创的立式炉和卧式 炉可用于 28nm 的 IC、功率器件和先进封装的氧化扩散工艺,技术水平国内领先,已被多个主流客户所采纳。 根据 Gartner 统计数据,2020 年,应用材料占有的全球快速热处理市场份额达到 69.72%,屹唐半导体作为唯 一一家我国企业以 11.50%的市场份额列居第二。屹唐半导体则针对 RTP 设备进行研制,已拥有专注于 DRAM、 NAND 和逻辑芯片量产的 RTP 退火设备,其产品在 RTP 图形效应、晶圆表面测温和控温等关键数据表现出色, 目前 RTP 全球市占率位列第二。热处理市场国产进程较好,预计长期内将率先实现 RTP 国产替代,氧化扩散工 艺也将逐步跟进。

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(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库官网】。

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