半导体设备国产替代深化，行业增量空间广阔

证券研究报告|行业深度研究报告 2023年09月24日 评级及分析师信息 行业评级：推荐行业走势图 18%12% 5% -2%-9% -16% 2022/092022/122023/032023/062023/09 半导体沪深300 分析师：胡杨邮箱：huyang@hx168.com.cnSACNO：S1120523070004联系电话： 半导体设备国产替代深化，行业增量空间广阔 主要观点: ►全球前道设备市场增速放缓，大陆市场成长性强劲半导体咨询机构SEMI报告预测半导体制造设备全球总销售额预计在2022年再次突破记录达到1175亿美元，同比2021的1025亿美元增长14.7%，全球半导体设备作为一个具有显著的周期性特点的行业，实现罕见的连续四年的快速增长。而自2022年末以来随着上游晶圆厂扩产周期收缓，下游消费需求放缓，受到台积电等fab缩减资本开支影响，2023年全球设备市场将随着晶圆厂扩产的周期同步波动，增速放缓。从国内市场而言，供应链结构合理化和地缘政治的需求，带来了国内设备市场国产替代的动能。 ►芯片工艺制程不断推进，多重曝光技术带来新需求芯片生产制造产线的精细化，随着工艺制程的不断推进，14nm更先进制程需要EUV光刻机进行制备，但在先进制程设备采购受限的背景下，先进制程扩产需要较成熟型号的光刻机配合多重曝光技术重复“涂胶-光刻-显影-刻蚀”等工艺流程以做到更小线宽。通过多重曝光配合DUV光刻机所需的工序步骤，时间大幅增加，同时对精度要求极高。因此，刻蚀，沉积，涂胶显影等设备因为工艺的因素得以在14nm制程产线中得到更多的用量，需求量对比28nm制程提升明显。 ►国产替代步入新阶段，设备厂商收入体量显著增长随着2023年H1业绩的陆续披露，国内主流设备厂商在保持营收利润高增的态势下，也取得了显著的订单增长，这在海外制裁的背景下是极为不易的。根据公司公告，中微公司，北方华创等平台型龙头公司不断完善产品布局，多领域业务迅速增长，拓荆科技，华海清科，中科飞测，芯源微，万业企业，盛美上海等企业订单不断增加。根据中芯国际财报，2023年Q2公司产能利用率为78.3%，相较第一季度上涨了10.2pct，公司判断23H2出货量及销售收入将好于上半年。因此，我们看好下游代工厂及封测厂稼动率在23H2将进一步改善，从而推动设备公司的收入确认以及订单在2023年下半年持续向好。 风险提示 下游扩产不及预期，国际制裁风险增加。 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 正文目录 1.全球前道设备市场增速放缓，大陆市场成长性强劲3 2.芯片工艺制程不断推进，多重曝光技术带来新需求5 3.国产替代步入新阶段，设备厂商收入体量显著增长9 风险提示：11 图表目录 图1全球半导体设备市场规模3 图2中国半导体市场规模4 图3芯片前道工艺的生产制备流程6 图4芯片前道工艺的生产制备流程(1)7 图5芯片前道工艺的生产制备流程(2)8 图6芯片前道工艺的生产制备流程(3)8 表1半导体设备细分板块市场规模5 表2主流设备公司2023年H1业绩情况9 1.全球前道设备市场增速放缓，大陆市场成长性强劲 半导体咨询机构SEMI报告预测半导体制造设备全球总销售额预计在2022年再次突破记录达到1175亿美元，同比2021的1025亿美元增长14.7%，全球半导体设备作为一个具有显著的周期性特点的行业，实现罕见的连续四年的快速增长。而自2022年末以来随着上游晶圆厂扩产周期收缓，下游消费需求放缓，受到台积电等fab缩减资本开支影响，2023年全球设备市场将随着晶圆厂扩产的周期同步波动，增速放缓。 140 120 100 80 60 40 20 0 半导体设备市场规模（单位：10亿美元） 图1全球半导体设备市场规模 8.777.76 8.817.72 7.83 100.99 104.27 7.1787.5 63.0815 61.2 2020 2021 2022 2023 测试设备 6.01 7.83 8.77 8.81 封装设备 3.85 7.17 7.76 7.72 前道制造 61.2 87.5 100.99 104.27 资料来源：SEMI、华西证券研究所 不同于全球的周期状况，国产设备商享有晶圆厂扩产+国产化提速的双重增速。从整体来看，中国大陆的半导体设备行业，同全球半导体设备行业一样，享受着本土晶圆厂扩产，地方规划重点扶持的政策福利。从国内市场而言，供应链结构合理化和地缘政治的需求，带来了国内设备市场国产替代的动能。事实上，由于国产化要求的不断强化，中国大陆设备市场已经与全球设备的周期产生了分化，中国市场的增速水平要更高。 中国半导体设备行业过去数年一直维持着较高的成长性。根据WSTS统计，2021年中国半导体市场规模为1,925亿美元，同比增长27.06%占全球市场超过三分之一，已成为全球最大和贸易最活跃的半导体市场。总体而言，中国半导体设备市场的周期性弱于全球。随着下游晶圆厂订单和验证效率的提升，我们预计2022-2025将是半导体国产设备的放量期，高增速有望延续。 图2中国半导体市场规模 中国半导体市场规模（亿美元） 2021 2020 2019 2018 2017 2016 2015 2500 2000 1500 1000 500 0 中国半导体市场规模（亿美元） 资料来源：WSTS、华海诚科招股书、华西证券研究所 根据Gartner针对2022年的统计数据数据，半导体前道设备中，薄膜沉积设备 （22%），刻蚀设备（22%），光刻设备（17%）为市场空间最大的三大领域，并且仍快速增长。从国产替代的角度来看，离子注入，工艺控制，涂胶显影等细分赛道的国产化程度仍然较低，国产厂商的成长性较强。因此，目前国产设备国产化的进程主要在两个方向，一方面是28nm节点向更先进制程节点的突破，另外一方面是在设备小细分环节的放量替代。 在先进制程节点方向，根据中微公司财报，中微公司的CCP刻蚀设备已经具备了5nm及更先进产线的供应能力，供给存储产线的60：1的极高深宽比刻蚀设备研发进展顺利。根据拓荆科技公告，拓荆科技的ONON氮化硅/氧化硅堆叠技术已经达到了国际先进水平。我们认为半导体的刻蚀/沉积等环节在逻辑28nm以及更先进制程上覆盖度逐渐完善。 在全领域突破替代方向上，根据我们测算，部分小细分领域的国产化率不及10%，甚至不足5%。在量测检测领域，我们测算，2022年国产化率仅为5%以内，量测检测国产市场在200亿元以上，但2022年几家国产量测检测设备营收合计在十亿元左右。量测检测设备的市场空间仅次于光刻机，刻蚀机和薄膜沉积设备，同时也是除光刻机外国产化率最低的一环核心设备，可替代空间巨大。 刻蚀设备 薄膜设备 光刻机 工艺控制 成批清洗 显影洗像 化机抛光 离子注入 氧化退火 其他种类 市场规模22% 22% 17% 12% 6% 4% 3% 2% 1% 11% 市场规模1500 1500 1200 800 400 300 200 100 70 800 16.39%13.41% 市场增速（干法）（化学）7% 9% 7% 6% 8% 6% - - 国产化率不足10%约20%不足5% 不足5% 约35% 不足5% 约25% 不足5% 约30% - 表12022年半导体设备细分板块市场规模 占比 （亿元） 资料来源：Gartner、华西证券研究所 2.芯片工艺制程不断推进，多重曝光技术带来新需求 芯片生产制造产线的精细化，自动化程度高，因此fab在生产过程中对于环境的要求高。半导体设备处于产业链最上游环节，中游的芯片代工晶圆厂采购芯片加工设备，将制备好的晶圆衬底进行多个步骤数百道上千道工艺的加工，配合相关设备，通过氧化沉积，光刻，刻蚀，沉积，离子注入，退火，电镀，研磨等步骤完成前道加工，再交由封测厂进行封装，再进行测试，最后出产芯片成品。 芯片的制造在极其微观的层面，90nm的晶体管大小基本与流行感冒病毒大小类似。现阶段最先进的芯片工艺已经进入了3nm节点，生产加工流程在自动化高精密的产线上进行，对设备技术的要求极高。无论是设备的制造产线，还是晶圆厂的生产产线，所有芯片的生产加工均在无尘室中完成。任何外部的灰尘都会损坏晶圆，影响良率，因此对于环境和温度的控制也有一定的要求。在代工厂中，晶圆衬底在自动化产线上在各个设备间传送生产，历经全部工艺流程大致所需2-3个月的时间，这其中不 包括后道封装所需要的时间。通常来说，晶圆厂中的设备90%的时间都在运行，剩余时间用于调整和维护。 图3芯片前道工艺的生产制备流程 资料来源：芯源微招股书、华西证券研究所 前道工艺步骤繁杂，工序繁多，是芯片出产过程中技术难度较大，资金投入最多的环节。 在芯片代工厂中的芯片的工艺制备流程如下： 第一步，氧化，目的是形成绝缘层，隔离电学器件，为下一步的光刻做准备。氧化镀膜就是将一层二氧化硅沉积到晶圆表面，再沉积一层氮化硅，与铁生锈过程十分类似。这一步所对应的设备为氧化炉和LPCVD，分别用于生成氧化层和氮化硅层沉积。 第二步，匀胶，在晶圆表面滴上光刻胶，利用旋涂技术使光刻胶均匀涂抹。主要目的是为了方便后续通过曝光使可溶的胶体被去除，在晶圆表面上留下掩模版的图形。 第三步，曝光，在晶圆上方放置掩模版，掩模版由透明玻璃与不透明的铬制成。使用光刻机对准掩模版，进行紫外线曝光。这一步的目的就是通过光刻机将掩模版上的图形转移到光刻胶上。掩模版上透光部分使得下面的光刻胶被曝光，不透光部分下面的光刻胶则不会受影响。光刻胶被紫外线曝光的部分变得可溶解。 第四步，显影，被曝光的光刻胶可以通过专用的显影液去除。显影将光刻胶下的氮化硅层暴露出来，掩模版上的图形得以顺利转移。 图4芯片前道工艺的生产制备流程(1) 资料来源：SK海力士、华西证券研究所 第五步，刻蚀，这一步的目的是进一步将光刻胶上的图案进一步转移到氧化层上 （SiO2）.使用腐蚀性液体将暴露出来的氮化硅层及二氧化硅层刻蚀下去，或者使用等离子体轰击晶圆表面的方式，使得未被光刻胶覆盖的区域被刻蚀。随后去胶，清洗表面。 第六步，沉积，主要目的是制作介质层。再沉积一层二氧化硅使晶体管之间绝缘。随后沉积出一层多晶硅薄膜用于制作栅极，重复涂胶，光刻，显影，刻蚀的步骤，暴露出硅晶圆晶格，并保留多晶硅栅极。 第七步，研磨，在每一层构筑完成后，用化学腐蚀和机器研磨相结合的方式对晶圆表面进行研磨，使表面平整。 第八步，离子注入。将P型或者N型杂质轰进刚刚刻蚀出来的半导体晶格中，使得晶格中的原子排列发生变化，形成PN节。从而可以改变半导体载流子浓度以及导电类型。 第九步，退火，离子注入后也会产生一些晶格缺陷，退火环节主要是将离子注入后的半导体放在一定温度下进行加热，使得注入的粒子扩散，恢复晶体结构，修复缺陷，激活所需要的电学特性。 图5芯片前道工艺的生产制备流程(2) 资料来源：SK海力士、华西证券研究所 离子注入完成之后，继续沉积二氧化硅层，然后重复涂胶，光刻，显影，刻蚀等步骤进入另一个循环，用以挖出连接金属层（导电层）的通孔，从而使互通互联得以是现在晶圆中。实现这一功能的是使用物理气相沉积的方式沉积金属层。上述步骤在晶圆的生产制造中将重复数次，直到一个完成的集成电路被制作完成。 最后，将制备好的晶圆进行减薄，切片，封装，检测。完成后到的工艺流程，至此，一颗完整的芯片制作完成。 图6芯片前道工艺的生产制备流程(3) 资料来源：SK海力士、华西证券研究所 随着工艺制程的不断推进，14nm更先进制程需要EUV光刻机进行制备，但在先进制程设备采购受限的背景下，先进制程扩产需要较成熟型号的光刻机配合多重曝光 技术重复“涂胶-光刻-显影-刻蚀”等工艺流程以做到更小线宽。通过多重曝光配合DUV光刻机所需的工序步骤，时间大幅增加，同时对精度要求极高。因此，刻蚀，沉积，涂胶显影等设备因为工艺的因素得以在14nm制程产线中得到更多的