半导体系列报告之三：前道设备：国内前道设备迎本土扩产东风

前道晶圆制造设备是半导体制造核心设备，市场规模近千亿美元半导体制造分为前道工艺（晶圆制造）和后道工艺（封装），前道工艺通过循环重复氧化/扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、清洗与抛光、金属化等工艺步骤在晶圆上形成器件并连接成电路。根据SEMI数据，全球半导体设备市场中前道设备占比约为86%，市场规模达到914亿美元，预计2022年全球用于晶圆制造的前道设备市场规模将达到980亿美元。根据Gartner数据，2020年前道设备市场中薄膜沉积、刻蚀、光刻设备占比分别为21.45%、21.2%、20.8%。 半导体需求持续走高，全球晶圆制造扩产大潮推动设备市场繁荣当前5G、AIoT、工业数字化等新应用普及推动半导体需求持续走高，根据WSTS预测，全球半导体销售额将在2020年的4404亿美元基础上，在2021、2022年分别增长19.7%、8.8%，达到5272亿美元、5734亿美元。结合历史资本开支、产能增长及供需结构分析，以台积电为龙头的晶圆代工厂以及三星、海力士、美光为龙头的先进存储芯片IDM产能扩张有望再次成为推动前道设备市场繁荣的主要因素。 美、日、欧主导全球市场，我国前道设备国产化率提升空间广阔根据Gartner数据，2020年全球前十大前道半导体设备厂商中3家来自美国，总计市占率40%，4家来自日本，总计市占率19.5%。其中美国的应用材料占据18.6%市场份额排名第一，荷兰的ASML由于其在浸润式DUV光刻机及EUV垄断地位，以18.1%市场份额占据全球第二，泛林（美）、东京电子（日）、科磊（美）分别占据三至五位。中国主要前道半导体设备厂商北方华创、屹唐、中微公司和盛美总计仅占全球1.5%市场份额。根据芯谋研究的统计，2020年中国晶圆厂设备采购中仅7%来自于中国企业，国产化率提升空间广阔。 国产替代加速，推荐产品通过验证进入商业量产周期的设备公司我国正开启晶圆制造产能大规模扩张的周期，在国际环境不确定性增加、政策、资本、本土客户的支持下，我国国产半导体设备在本土客户验证和导入进度得到提速。我们认为产品已通过验证、正在或即将量产导入的本土公司有望在本轮国内晶圆制造产能扩张周期内实现业绩显著提升。我们看好在刻蚀、薄膜沉积、氧化扩散、清洗等多领域协同布局的北方华创、在刻蚀领域已进入国内外一线晶圆代工、存储大厂的中微公司以及有望打破国外垄断，大规模出货集成电路制造离子注入机的万业企业。产业链相关公司包括盛美上海、至纯科技、拓荆科技（未上市）、屹唐半导体（未上市）、华海清科(未上市)、上海微电子（未上市）。 风险提示：需求不及预期，行业扩产不及预期，新产品开发不及预期。 前道半导体设备：半导体制造核心工艺设备 半导体制造分为前道工艺（FrontEnd）和后道工艺（BackEnd），其中前道工艺指在晶圆上形成器件的工艺过程，也称晶圆制造，后道工艺指将晶圆上的器件分离 ， 封装的工艺过程 。当前半导体产业界IDM（ 垂直整合 ） 和“fabless+foundry+OSAT”分工两大模式中，IDM和foundry具备前道工艺生产线，其中头部代表企业如IDM英特尔、三星、海力士、美光、德州仪器，foundry如台积电、联电、格罗方德、中芯国际、华虹半导体等。 图1：集成电路产业链分工模式及代表企业 图2：全球前25大半导体企业 前道制造工艺通过物理、化学工艺步骤在晶圆表面形成器件，并生成金属导线将器件相互连接形成集成电路。前道工艺共有七大工艺步骤，分别为氧化/扩散（Thermal Process）、光刻（Photo-lithography）、刻蚀（Etch）、离子注入（Ion Implant）、薄膜生长（Dielectric and Metal Deposition）、清洗与抛光（Clean &CMP）、金属化（Metalization），通过循环重复上述工艺，最终在晶圆表面形成立体的多层结构，实现整个集成电路的制造。由于制程提升，晶圆上集成的器件和电路复杂度和密度随之提升，先进逻辑芯片和存储芯片需要上千道工序去完成芯片的制造。 图3：前道晶圆制造主要工艺 前道设备为投资重点，供给端高度集中于美、日、欧头部厂商 半导体前道制造设备是半导体制造设备的投资重点。根据半导体制造中前道工艺（晶圆制造）和后道工艺（封装测试）之分，应用于集成电路领域的设备通常可分为前道工艺设备和后道工艺设备两大类，其中前道设备市场占半导体设备主要市场份额，根据SEMI数据，2020年全球晶圆制造（前道）设备市场占比为86.1%，后道封装及测试设备分占5.4%和8.5%，预计2021-2023年该比重也将维持在86%左右。 图4：晶圆制造设备（前道设备）占半导体设备超85%份额 薄膜生长、刻蚀和光刻设备为半导体前道制造核心设备，其市场规模最大。对应主要工艺，半导体前道设备主要包括氧化/扩散设备、光刻设备、刻蚀设备、清洗设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、机械抛光设备等，其中光刻、刻蚀和薄膜生长设备市场规模最大。根据Gartner数据，2020年全球半导体前道薄膜生长、刻蚀和光刻设备市场规模分别为139.2亿美元、136.9亿美元和135.4亿美元，分别以21.5%、21.1%和21.9%市占率位居前三。 图5：前道设备分类及市场规模 全球半导体前道设备由美、日、欧企业主导供给端，中国厂商市场占比较低。 根据Gartner数据，2020年前十大前道半导体设备厂商中3家来自美国，总计市占率40%；4家来自日本，市占率19.5%；荷兰的ASML由于其在浸润式DUV光刻机及EUV垄断地位，以18.1%市场份额占据全球第二。中国主要前道半导体设备厂商北方华创、屹唐旗下Mattson、中微公司和盛美总计仅占全球1.5%市场份额。 表1：全球前道工艺设备公司排名 扩产周期内，半导体设备龙头有望迎戴维斯双击。根据历年财报数据，2016年至2021年，全球前道半导体设备龙头应用材料、ASML和泛林营收分别增长 1.1、2.1、1.5倍，净利润增长2.4、3.3、3.3倍，同期（2016年12月31日至2021年12月31日），市值分别增长3、5.8、4.9倍。 图6：全球前三大前道半导体设备龙头市值和业绩情况 2022年全球半导体设备市场规模有望再创新高 半导体设备行业随半导体整体需求呈显著周期成长性。半导体下游需求的周期性成长是半导体设备行业周期性主要因素，根据SEMI和WSTS数据，2005年至2020年二十一年间，有十九年全球半导体设备销售额同比增长方向与全球半导体销售额同比增长方向相同，且设备增长/下降幅度均显著高于半导体销售额幅度，显示更强弹性。 图7：2005年-2022年全球半导体设备销售额与半导体销售额增长率比较 2022年全球半导体销售额有望再次突破新高。根据WSTS的数据，全球半导体销售额由1999年的1494亿美元提高到了2020年的4404亿美元，预计2021、2022年还将分别增长19.7%、8.8%，达到5272亿美元、5734亿美元。 图8：全球半导体销售额 2022年全球半导体设备销售额有望连续刷新历史记录。根据SEMI预计，2021年原始设备制造商的半导体制造设备全球销售总额将达到1030亿美元的新高，比2020年的710亿美元的历史记录增长44.7%。预计2022年全球半导体制造设备市场总额将扩大到1140亿美元，有望连续第三年创历史新高。 图9：2011年-2022年全球半导体设备市场规模与增速 从供给端来看，2021年北美半导体设备销售额单月连续创历史新高，日本半导体设备销售额大幅增长。根据SEMI数据，2021年北美半导体设备销售额为429.93亿美元，相较2020年、2019年的297.83亿美元、242.89亿美元增长44.4%和77.0%，其中1-7月连续刷新单月历史新高。根据SEMI和SEAJ数据，2021年日本半导体设备销售额达到30767.56亿日元（约合267.1亿美元），较2020年和2019年增长37.1%和51.3%。 图10：北美半导体设备月销售额 图11：日本半导体设备月销售额 从需求端来看，中国大陆、中国台湾和韩国成为全球前三大半导体设备市场。 根据SEMI及SEAJ数据，2020年中国半导体设备销售额从2005年的13.3亿美元增加到2020年的187.2亿美元，占全球比例由12%提升到26%，首次成为全球半导体设备第一大销售市场。2021年前三季度中国半导体设备销售额为211.1亿美元，占比30%，继续维持全球第一。中国台湾和韩国占比24%和23%分列第二三。北美、欧洲、日本占比从2005年17.5%、9.9%、24.9%分别下滑至7.5%、3.0%和8.6%。 图12：全球半导体设备市场份额（按地域） 中国大陆自2013年本土和外资的晶圆代工、存储器项目以及封测项目同时新建、扩建推动设备市场总体保持快速增长；中国台湾主要由台积电对先进制程不断投入拉动设备投资；韩国设备投资主要由全球存储巨头三星和海力士拉动，因此设备市场规模随存储需求波动，且波动幅达较大。 图13：中国大陆、中国台湾、韩国半导体设备市场增速 前道设备规模近千亿美元，Memory和foundry扩产是投资主推力 2022年全球前道晶圆厂设备支出有望连续第三年创历史新高。根据SEMI数据，2019由于存储器投资合理回落造成负增长外，在2016年至2021年全球前道晶圆厂设备支出呈现总体持续增长趋势（CAGR18%），并于2020和2021年连续创历史新高（635亿美元、914亿美元）。SEMI在其季度《世界晶圆厂预测报告》（World Fab Forecast）中强调，全球前端晶圆厂设备支出预计将在2022年同比增长10%，达到超过980亿美元的历史新高，标志着连续第三年的增长。 图14：全球前端晶圆厂设备支出 从资本开支来看，存储芯片制造商（主要为IDM）和foundry是主要投资方。 根据Omdia数据，2009年至2016年，存储芯片制造商平均每年资本开支占比为33.7%,在2018年存储芯片扩产最高峰时攀升至60.3%，对应666亿美元资本开支，Omdia预计2022-2025年存储芯片资本开支将触底后逐步回升，占据年均43.9%资本开支，对应520亿美元/年。全球foundry资本开支占比从2009年20.4%提升至2020年24.1%，Omdia预计2022年-2025年foundry资本开支占比将提升至年均33.1%，对应390亿美元/年。SEMI则预计foundry部分占2022的总支出的46%，超过memory的37%。 图15：存储器制造厂和foundry资本开支领先 从晶圆产能增长看，本轮产能扩产幅度最大亦为foundry和存储器制造商。根据SEMI数据，截止2021年第三季度，全球Memory和foundry月产能为768.9万片和821.6万片折合8寸晶圆，较2019年第一季度分别增长58.6万片和114.8万片折合8寸晶圆，分别占全行业新增产能的21.9%和42.9%。 图16：全球晶圆制造产能（折合千片8寸晶圆/月） 先进制程推动foundry单位产能设备投资大幅增长。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。例如采用昂贵的极紫外光刻机（EUV），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。 图17：CMOS器件微缩技术路线图 图18：先进制程设备投资大幅增长 新兴应用的推陈出新扩大了foundry成熟制