机械设备行业深度分析报告：半导体设备零部件国产化加速，开启千亿新蓝海

零部件是半导体设备行业的支撑，市场规模近600亿美元，中国大陆市场超千亿人民币：半导体行业遵循“一代技术、一代工艺、一代设备”的产业规律，而半导体设备的升级迭代，在很大程度上有赖于精密零部件的关键技术突破。半导体零部件按照服务对象，可以分为半导体设备商采购的零部件，以及晶圆厂直接采购的零部件。考虑到两部分需求，我们预计2022年全球半导体设备商采购、晶圆厂直接采购的半导体零部件市场规模约为591亿美元，中国大陆对应市场规模约为161亿美元（合1121亿元人民币）。 零部件行业市场集中度较低，欧美日企业为主：从全球角度看，过去20年发展历程看，关键设备子系统的前10大供应商市场地位较为稳固，特别是金融危机之后的几次重大并购，使得行业巨头的地位更加稳固。但总体上看，半导体零部件市场集中度仍然较低，碎片化特征明显。根据我们测算，2020年前十大厂商收入规模约为75-80亿美元，按照80亿美元计算，对应CR10约为21%。 技术壁垒较高，国产化率普遍较低。国产化率超过10%的零部件主要以石英件（Quartz）、气体喷淋头（Shower head）、边缘环（Edgering）等机械类部件为主：泵（Pump）、陶瓷件(Ceramics)等国产化率在5-10%，其余部件国产化率较低，尤其是阀件（Valve）、压力计（Gauge）、O-ring密封圈等进口依赖度较高。总体上看，国产化率较低的部件，通常为较复杂的电子和机械产品，开发技术难度大，对精度及材料要求高，如射频电源、泵、压力计、陶瓷件等；或者市场规模较小，市场碎片化特征明显的部件，如压力计、气体流量计、O-ring等，根据芯谋研究数据，这些部件在中国市场规模不超过2000-3000万美元，且不同产品工作原理有很大差别，因此国内厂商研发和生产的兴趣不足。 市场碎片化特征明显，部分产品实现率先突破。国内厂商在部分细分领域，已经实现率先突破。如射频电源领域的英杰电气；真空类零部件中，汉钟精机实现真空泵领域出货，新莱应材在管路、阀件等领域实现快速突破，机电类产品中，华卓精科在EFEM、机械手等领域实现试生产；机械类零部件中，富创精密、江丰电子、华卓精科均实现商业化生产，石英制品领域菲利华实现对国际半导体设备上和国内一线设备商石英制品的供货。 投资建议：建议关注正帆科技、新莱应材、汉钟精机、菲利华等。 风险提示：国际宏观环境恶化风险、国际半导体设备产业更新迭代风险、宏观经济及行业波动风险、政府补助及政策变动风险。 表1：重点公司投资评级: 1零部件是半导体设备关键支撑，市场空间近600亿美元 1.1零部件是半导体设备行业的支撑，是“卡脖子”环节 半导体行业遵循“一代技术、一代工艺、一代设备”的产业规律，而半导体设备的升级迭代，在很大程度上有赖于精密零部件的关键技术突破。精密零部件不仅是半导体设备制造环节中难度较大、技术含量较高的环节之一，也是国内半导体设备“卡脖子”的环节之一，也支撑着整个半导体芯片制造和现代电子信息产业。 图1.半导体设备零部件在产业链中的地位 半导体零部件具有高精密、高洁净、超强耐腐蚀能力、耐击穿电压等特性，生产工艺涉及精密机械制造、工程材料、表面处理特种工艺、电子电机整合及工程设计等多个领域和学科，是半导体设备核心技术的直接保障。 图2.半导体设备零部件在产业链中的地位 1.2半导体零部件种类繁多，市场规模近600亿美元 1.2.1按通用性划分类：精密机加件&通用外购件 半导体零部件按照通用性划分可以分为精密机加件、通用外购件。 一般而言，通用外购件需要设备商及晶圆厂长期验证，数量众多，国产化难度较大。1）精密机加件一般由各设备公司工程师自行设计，委外加工，一般只用于本公司生产设备，如工艺腔室、传输腔室。这种零部件的国产化相对容易，一般对表面处理、精密机加工等技术要求较高。2）通用外购件一般是经过长期验证，得到众多设备商、晶圆制造厂广泛认可的通用零部件，更加标准化，应用数量也更大，不仅设备商会采购，晶圆厂也会采购此类部件作为耗材和备件使用，例如石英件、射频电源、泵、阀门、密封圈、流量计、陶瓷件等。这类零部件需要较强的通用性和一致性，并得到设备上、晶圆厂的认证，因此国产化难度较大。 1.2.2按服务对象分类：设备商采购&晶圆厂直接采购 半导体零部件按照服务对象，又可以分为半导体设备商直接采购的零部件，以及晶圆厂直接采购的零部件。 1）半导体设备商采购的零部件，即原装需求，零部件厂商直接向设备厂定制化提供的原装零部件；根据富创精密招股书，半导体设备中包含的零部件可以大致分为机械类、电气类、机电一体类、气体/液体/真空系统类、仪器仪表类、光学类，以及其他零部件。其中，机械类、气体/液体/真空系统类在设备中应用广泛，成本占比较大。此外，根据富创精密招股书，设备成本中，一般90%以上为原材料（即不同类型精密零部件产品），考虑到国际半导体设备公司毛利率约为40-45%，因此全部精密零部件市场约占全球半导体设备市场规模的50-55%。 图3.零部件在全球半导体设备销售额中的占比 图4.2020年中国晶圆厂直接采购设备零部件产品结构 2）晶圆厂直接采购的耗材或备件：根据芯谋研究，中国大陆晶圆制造厂商采购设备零部件主要有石英件（Quartz）、射频发生器（RF Generator）、各种泵（Pump）、阀门（Valve）、吸盘（Chuck）等零部件，比重均在10%左右。反应腔喷淋头（Shower Head）、边缘环（Edge Ring）等零部件的采购占比也比较高。其他零部件包括测量仪器(Gauge)、质量流量计（MFC）、陶瓷材料(Ceramic)、密封圈（O-ring）等。总体上看，与设备商采购零部件相类似的是，泵、阀门、边缘环、密封圈等各类真空控制零部件是占比最多的采购设备，其次为射频发生器等电源类零部件。 1.2.3半导体零部件市场空间测算：全球市场空间近600亿美元 总体上，考虑到设备商采购、晶圆厂直接采购的半导体零部件两部分需求，我们预计2022年全球半导体设备商采购、晶圆厂直接采购的半导体零部件市场规模约为591亿美元，中国大陆对应市场规模约为161亿美元（合1121亿元人民币）。 测算过程如下： 一、半导体设备商采购的零部件： 半导体设备商生产设备中使用的零部件，可以大致根据公式设备销售额*成本占比*原材料占比来计算。在半导体设备成本构成中，精密零部件的价值占比较高。根据富创精密招股书，国际半导体设备公司毛利率一般在40%-45%（对应成本占比55-60%），设备成本中一般90%以上为原材料（主要为不同类型的精密零部件产品）。这里我们保守估计，假设设备销售额中成本占比为55%，零部件占比为80%，根据Semi预计，2022年全球半导体设备总销售额有望达到1175亿美元，则我们预计2022年全球半导体设备销售额对应零部件市场规模约为517亿美元。根据SEMI数据，2021年中国半导体设备销售额在全球中占比约为28.86%，假设我国设备零部件在全球中占比与设备占比相同，且2022年占比保持不变，则我们预计2022年中国大陆半导体设备销售额对应零部件市场规模约为149亿美元。 二、晶圆厂直接采购的耗材或备件： 根据芯谋数据，2020年中国8寸和12寸晶圆线采购设备零部件金额超过10亿美元（包括三星、海力士、台积电等境外厂商在大陆的产线）。根据市场调研机构Knometa Research 2022年版《全球晶圆产能报告》，到2020年底，中国大陆占全球晶圆产能的15.3%，2021年，这一比重为16%。假设晶圆厂采购耗材及备件金额与其产能成正比，按照2020年中国占全球晶圆产能比例15.3%计算，估计2020年全球晶圆厂直接采购的耗材及备件约为65亿美元。 假设晶圆线直接采购零部件金额与晶圆厂产能同步增长，根据Knometa Research数据，2020年全球晶圆月产能约为2081万片/月（200毫米当量晶圆），2021年约为2160万片/月，另外，Knometa Research预计，2022年全球晶圆厂产能将增长8.7%。据此，我们预计到2022年全球晶圆厂直接采购的耗材及备件约为74亿美元，相应地，按照中国大陆晶圆占全球比重16%计算，我们预计2022年中国大陆直接采购耗材及备件市场规模约为12亿美元。 1.3零部件行业市场集中度较低，但技术壁垒较高，国产化率普遍较低 从全球角度看，过去20年发展历程看，真空控制类、电源类、硅片传送、气体与液体控制以及其它零部件等关键设备子系统的前10大供应商市场地位较为稳固，特别是金融危机之后的几次重大并购，使得行业巨头的地位更加稳固。但总体上看，半导体零部件市场集中度仍然较低，碎片化特征明显。按照前文计算市场规模方法，我们可以大致测算出，2020年全球半导体设备商采购、晶圆厂采购零部件市场规模分别为313亿美元、65亿美元，合计378亿美元。相对应地，2020年前十大厂商收入规模约为75-80亿美元，按照80亿美元计算，对应CR10约为21%。 表1.2020年全球前十大半导体零部件厂商收入规模 从国内来看，各个零部件中，国产化率超过10%的零部件主要以石英件（Quartz）、气体喷淋头（Shower head）、边缘环（Edge ring）等机械类部件为主，泵（Pump）、陶瓷件(Ceramics)等国产化率在5-10%，其余部件国产化率较低，尤其是阀件（Valve）压力计（Gauge）、O-ring密封圈等进口依赖度较高。 总体上看，国产化率较低的部件，通常为较复杂的电子和机械产品，开发技术难度大，对精度及材料要求高，如射频电源、泵、压力计、陶瓷件等；或者市场规模较小，市场碎片化特征明显的部件，如压力计、气体流量计、O-ring等，根据芯谋研究数据，这些部件在中国市场规模约在2000-3000万美元，且不同产品工作原理有很大差别，因此国内厂商研发和生产的兴趣不足。 表2.部分半导体零部件国产化情况列举 2市场碎片化特征明显，部分产品实现率先突破 2.1真空类零部件：产品种类众多，真空泵、阀件取得较快突破 就半导体制造过程而言，从晶圆裸片到芯片成品，中间需要经过氧化、溅镀、光刻、刻蚀、离子注入、封装等上百道工艺步骤，其中多个步骤都离不开真空环境； 就设备而言，电子加速、光电器件、电子材料、射线管、晶振、激光、离子注入设备、离子刻蚀机、CVD、PECVD，PVD、分子束外延设备、集成电路封装等等，均会用到中高真空。 2.1.1真空泵:Edwards、Ebara是国际领先企业，汉钟精机、中科仪、中科科仪实现突破 真空泵是一种重要的通用设备，广泛用于制药、化工、科学仪器等下游行业，半导体是其主要的应用领域，主要应用在刻蚀、成膜、离子注入等环节。由于芯片制程不断缩小，更加需要以高精度和均匀性执行制造过程，为了实现这一点，半导体工艺必须在高度受控的真空环境中运行。而随着工艺步骤数量的增加，对真空设备的需求也在增加。 半导体制造过程中所需的真空系统，需要具备抽除腐蚀性气体、粉尘颗粒物、有毒气体等功能，因此油封式机械泵无法满足半导体产业的需要。上世纪80年代，日本半导体工业快速发展，急需大量干泵，开始研制出一种适用于半导体工业的干式真空泵，受益于下游集成电路、光伏、LED等行业的持续发展进步，干式真空泵的产品类型不断增加，性能、控制集成度等指标参数显著改善。截至目前，发达国家的半导体相关产业已全部使用干式真空泵，我国近年来也呈现明显的干式真空泵替代油泵的趋势，目前国内的高端半导体行业已基本使用干式真空泵。 目前，半导体真空泵主要由国外企业主导，根据芯谋研究数据，2021年半导体真空泵的国产化率仅在5-10%，对外依存度较高，主要原因在于进口泵在压缩比方面更有优势，其合金比国内更加稳定，热胀冷缩更小，因此间隙也可以做得更加精密。 根据Edwards官网介绍，一个月产能在6万片的晶圆厂，大约需要1000个真空处理工具，3500个干泵，以及1200个涡