半导体设备专题报告（一）：前道设备——扼喉之手，亟待突破！

行业报告|行业专题研究 证券研究报告 2023年05月16日 机械设备 半导体设备专题报告（一）： 前道设备——扼喉之手，亟待突破 分析师李鲁靖SAC执业证书编号：S1110519050003 作者： 分析师朱晔SAC执业证书编号：S1110522080001 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 摘要 千亿美金的半导体设备赛道，或即将迎来上行周期：全球半导体产业发展呈现周期性：技术和宏观环境驱动的10年大周期和由资本开支驱动的3-4年的小周期，根据历史周期判断，2024年全球半导体资本开支有望上修。 半导体突破是发展之重，前道设备是半导体生产之重：半导体设备作为行业基石，与资本开支关系密切，2022年市场规模达到1076.5亿美元，国际限制半导体设 备向我国出口之下，半导体设备国产替代是必经之路，国内晶圆厂逆势扩产拉动国产半导体设备需求进一步上行。半导体制造分为前道制造和后道封测，前道设备价值量占据总设备价值量约80%。前道制程的工艺模块可以归类为前段工艺（FEOL）、中段工艺（MOL）和后段工艺（BEOL），前段工艺负责形成器件、后段工艺负责形成金属互连，中段工艺将器件与金属层连接起来。模块工艺是由不同的单项工艺组合而来，单项工艺包括光刻、涂胶显影、薄膜沉积、刻蚀、离子注入、CMP、清洗等，其中薄膜沉积、刻蚀和光刻设备是价值量最大的三类设备： 1.薄膜沉积：半导体制造过程中需要反复进行薄膜生长，不同工艺环节沉积的薄膜作用不同，所用工艺也不同，总体来看，沉积工艺可以分为物理气相沉积和化学 气相沉积，原子层气相沉积本质上属于化学气相沉积，是应新技术或材料而生的沉积工艺。制程进步+存储芯片架构3D化为提升薄膜沉积设备需求，2022年全球薄膜设备总市场已经达到229亿美元，主要由欧美和日系厂商垄断，应用材料是PVD龙头，Lam在ECD领域一家独大，TEL和ASM在ALD领域市占率较高，国内各厂商产品可以互补：拓荆科技主要产品为PECVD，还布局了ALD、SACVD和HDPCVD，北方华创在PVD上优势明显；微导纳米以ALD为核心产品；中微公司起家于刻蚀，依托底层技术进入薄膜沉积领域，产品布局包括MOCVD、WCVD等；盛美上海在ECD领域优势明显。 2.刻蚀：使用物理或者化学的方法在器件表面形成微观结构，制程微缩+存储芯片3D化引起刻蚀难度和需求量增大，2022年全球干法刻蚀设备市场规模大概为230 亿美元，ICP和CCP几乎平分超95%市场份额。Lam，TEL和AMAT几乎垄断全球干法刻蚀设备市场，国内主要由中微公司和北方华创进行突破，前者优势产品为CCP，后者优势产品为ICP，二者在发展过程中向对方领域渗透。 3.光刻：ASML系全球绝对龙头，掌握最先进的EUV光刻技术，ASML和Nikon均可以提供浸没式DUV光刻机，国内近乎空白。 4.涂胶显影：光刻工艺中除了曝光之外的关键环节，分为offline和inline设备，2021年全球涂胶显影设备超30亿美元，TEL垄断近乎90%份额，国产厂商中芯源微率先取得突破，可以实现28nm以上工艺节点全覆盖。 5.掺杂：改变半导体材料的物理性质，离子注入工艺是主流，全球半导体离子注入设备市场规模主要被美国的AMAT和Axcelis占据，国产厂商主要是凯世通（万 业企业子公司）和中科信。 6.热处理：包括氧化、扩散和退火，相关设备又叫做炉管设备，其中快速退火设备市场份额较大，AMAT占据全球市场的主要份额，国产厂商中，屹唐股份处于领先位置；北方华创布局多种氧化/扩散炉。 7.CMP：化学机械抛光，全球CMP设备市场处于高度垄断状态，主要由美国应用材料和日本荏原两家设备制造商占据，两家制造商合计拥有全球CMP设备超过 90%的市场份额，尤其在14nm以下最先进制程工艺的大生产线上所应用的CMP设备仅由两家国际巨头提供。国产CMP设备厂商主要是华海清科和烁科精微，华海清科CMP设备已广泛应用于中芯国际、长江存储、华虹集团、大连英特尔、厦门联芯、长鑫存储、广州粤芯、上海积塔等行业内领先集成电路制造企业的大生产线，占据国产CMP设备销售的绝大部分市场份额。 8.清洗：针对不同的工艺需求对晶圆表面进行无损伤清洗，是贯穿半导体产业链的重要工艺环节，能避免杂质影响芯片良率和芯片产品性能。湿法清洗是主流技术 路线，2021年全球半导体清洗设备市场规模达到39.18亿美金，迪恩士（SCREEN）、TEL、LAM与SEMES四家市占率合计高达90%以上，其中迪恩士 （SCREEN）一家市占率就高达50%以上，我国清洗设备市场同样主要由日系厂商垄断，国产厂商主要有盛美上海、至纯科技和北方华创，芯源微拥有物理清洗机并积极开发化学清洗机。 9.量测/检测：属于过程控制工艺，分为检测和量测两个环节，量测和检测设备种类众多，采用光学检测技术原理的占大多数。2020年全球量测检测设备市场规模 为76.5亿美元，纳米图形晶圆缺陷检测设备占比最高，达到24.7%。全球量测检测设备市场中KLA占据半数以上份额。国产厂商主要有上海精测、中科飞测和上海睿励，上海精测布局纳米级图形晶圆缺陷检测（明场技术路线）、无图形晶圆缺陷检测、膜厚量测、关键尺寸量测设备等；中科飞测主要产品包括无图形晶圆缺陷检测设备、图形晶圆缺陷检测设备等检测设备和三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备等量测设备；上海睿励产品主要为光学膜厚测量设备和光学缺陷检测设备，以及硅片厚度及翘曲测量设备等。 风险提示：宏观环境影响下半导体行业景气度恢复不及预期风险、国产设备导入进度不及预期风险、国际上对我国半导体管制力度加大风险、上游零部件供应风险 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明2 1 千亿美金的半导体设备赛道，即将迎来上行周期 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3 1.1半导体产业链概览 半导体产业链可按照主要生产过程进行划分，整体可分为上游半导体支撑产业、中游晶圆制造产业、下游半导体应用产业： 上游半导体材料、设备产业为中游晶圆制造产业提供必要的原材料与生产设备； 中游半导体制造产业负责生产出半导体产品，WSTS将其分类为分立器件、集成电路、传感器和光电子器件，其中集成电路是最主要的产品，其2022年销售额达到4799.88亿美元，占全球半导体总销售额的82.74%。集成电路（IC，芯片）又可以进一步分为模拟芯片、逻辑芯片、存储芯片和微处理器。 上游 半导体支撑产业 中游 半导体制造产业 下游 半导体应用产业 通讯技术 消费电子 工业电子 汽车电子 人工智能 物联网 医疗 新能源 大数据 图：半导体产业链 半导体材料半导体设备 IC设计 产品 硅片 光刻胶 扩散设备 光刻设备 分立器件 光掩膜 刻蚀设备 电子特气 清洗设备 芯片制造 集成电路 抛光材料 离子注入设备 湿电子化学品 薄膜沉积设备 传感器 溅射靶材CMP设备 封装材料 检测设备 芯片封测 光电子器件 半导体行业周期性十分明显，基本呈现10年一个长周期，3-4年一个短周期： 长周期上看，全球半导体市场呈现10年左右的周期性波动特征。在长跨度时间周期上，全球半导体年度销售额历史增速呈现出大约每10年一个“M”形的波动特征。 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 2022-12-31 2021-12-31 2020-12-31 2019-12-31 2018-12-31 2017-12-31 2016-12-31 2015-12-31 2014-12-31 2013-12-31 2012-12-31 2011-12-31 2010-12-31 2009-12-31 2008-12-31 2007-12-31 2006-12-31 2005-12-31 2004-12-31 2003-12-31 2002-12-31 2001-12-31 2000-12-31 1999-12-31 1998-12-31 1997-12-31 1996-12-31 1995-12-31 1994-12-31 1993-12-31 1992-12-31 1991-12-31 1990-12-31 1989-12-31 1988-12-31 1987-12-31 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 图：全球半导体销售额同比增速 长周期原因1——基础技术更迭驱动产品更新换代 表：1965年至今半导体产品制造技术约10年进步一代 阶段 第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 第六代 时间区间 1965-1975 1975-1985 1985-1995 1995-2005 2005-2015 2015-2025 代表光源及波长 汞灯（多波长） G-line(436nm) I-line(365nm) KrF(248nm) ArFi(193nm) DUV,EUV(13.5nm) 特征尺寸 12-3μm 3-1μm 1-0.35μm 0.35μm−65nm 65-22nm 22-2nm 存储器 小于1KB到16KB 16KB-1MB 1-64MB 64MB-1GB 1-16GB（芯片组） 16GB到1TB以上（芯片组） CPU字长（bit） 4,8 8,16 16,32 32,64 64 64 CPU晶体管数 1000 104−105 105−106 106−107 108−109，多核架构 多核架构 主流圆片直径 2-4in 4in-150mm 150mm,200mm 200mm，300mm 200mm,300mm 200mm,300mm,450mm 主流设计工具 手工 从逻辑编辑到布局布线 从布局布线到综合 从综合到DFM SoC、IP SoC、IP、SiP 主要封装形式 从TO到DIP DIP 从DIP到QFP DIP、GFP、BGA 多种封装、SiP SiP、3D封装、Chiplet等 长周期原因2——宏观经济环境：从下面的图可以看出全球半导体销售额增速与全球GDP增速呈现一定的相关性，上面图中的蓝色“M”系我们对于半导体销售额增速的大致拟合，可看出宏观环境对技术驱动的M型长周期有一定加强或者扰动作用 个人PC 移动通信5G/移动互联网物联网/智能汽 互联网泡沫 车 40% 30% 20% 10% 0% -10% -20% -30% 50% 亚洲金融危机 全球金融危机 全球新冠疫情 2022-12-31 2021-12-31 2020-12-31 2019-12-31 2018-12-31 2017-12-31 2016-12-31 2015-12-31 2014-12-31 2013-12-31 2012-12-31 2011-12-31 2010-12-31 2009-12-31 2008-12-31 2007-12-31 2006-12-31 2005-12-31 2004-12-31 2003-12-31 2002-12-31 2001-12-31 2000-12-31 1999-12-31 1998-12-31 1997-12-31 1996-12-31 1995-12-31 1994-12-31 1993-12-31 1992-12-31 1991-12-31 1990-12-31 1989-12-31 1988-12-31 1987-12-31 20% 40% 30% 15% 全球半导体销售额增速 20% 10% 10% 5% 0% -10%0% 全球GDP增速 -20% -30% -40% 半导体销售额增速全球GDP增速 -5% -10% 资本开支驱动3-4年短周期：将资本支出同比增速曲线按照极大值点进行划分，可以观察到每个极大值时点的间隔长短不一，平均而言大约在3~4年左右。按此周期看，2024年全球半导体行业资本开支有望修复 图：全球半导体行业资本开支及增速情况 4年，2010-2014 3年，2014-2017 4