半导体设备专题报告二：全球逻辑、NAND、DRAM扩产周期下，TOP5半导体设备企业成长复盘：先进工艺塑造成长天花板

——半导体设备专题报告二 综述：我们复盘逻辑、NAND、DRAM三大核心下游的技术变革和扩产周期，以及全球TOP5半导体设备企业的成长路径，定性定量分析半导体设备成长与下游之间的关系，对标国内市场及格局，得出结论：下游角度长期来看，逻辑和存储先进工艺的突破是半导体设备企业成长天花板的关键 ，也是市场预期的关键，在先进工艺阶段掌握核心技术的设备企业将享有市场更高的估值溢价。 全球市场：逻辑围绕摩尔定律，存储围绕3D化+价格周期 2009-2022年，全球半导体产品市场销售规模复合年增速7.4%，反馈到半导体设备，全球TOP5企业ASML/AMAT/Lam/TEL/KLA分别实现收入复合增速19.2%/13.4%/23.4%/9.3%/14.9%，体现超越终端产品的高增速。复盘半导体设备直接下游逻辑/NAND/DRAM扩产，可以发现： 1）逻辑芯片扩产重点围绕“摩尔定律”，2018-2022年先进工艺扩产给设备公司带来更陡峭成长曲线，ASML/AMAT/Lam/TEL/KLA分别实现相关销售收入28%/37%/41%/33%/48%的复合增速。 2）存储扩产重点围绕“价格周期”，其中，NAND芯片2013-2018年3D化渗透驱动半导体设备公司成长超越“价格周期”；DRAM进入 10nm +节点微缩放缓，扩产重点围绕“价格周期”，波动相对更大。 龙头复盘：成熟制程完成卡位优势，技术革新塑造陡峭成长 1）ASML：光刻设备龙头，受益逻辑/存储进入EUV时代，2017-2022年EUV设备销售收入复合增速46%，至2022年收入规模达到70.8亿欧元，占设备系统收入比例46%。 2）AMAT：平台化龙头，逻辑芯片扩产最大设备供应商，2022年逻辑/代工相关销售收入135.7亿美元，占设备收入比例70%。 3）Lam：深耕刻蚀和沉积，NAND芯片扩产最大设备供应商，2022年NAND相关销售收入74.7亿美元，占比39%。 4）TEL：日系平台化龙头，2022年半导体设备销售收入（不含服务）中逻辑/DRAM/NAND占比62.5%/17.7%/19.8%，2018-2022年深度受益先进逻辑扩产。 5）KLA：半导体量检测设备龙头，2015年进入高速成长期，前期受益存储，后期受益先进逻辑扩产。 中国市场：国产替代成效显著，先进工艺突破成为天花板关键 根据我们不完全统计，目前内资12吋在建晶圆厂合计规划产能达175万片/月，合计投资金额超1000亿美元，其中NAND/DRAM/逻辑代工等投资占比分别为21%/24%/54%。2018年以来，半导体设备国产替代成效显著，根据我们的测算，中国大陆国产比例从2018年的约5.2%提升至2022年的14.5%，期间北方华创/中微公司/盛美上海/拓荆科技/华海清科/芯源微半导体设备相关收入分别实现55%/29%/51%/122%/159%/60%的复合增速，量检测设备板块国产化率仍不足5%。对比全球半导体设备龙头，北方华创发展对标应用材料，产品布局全面，中微公司对标泛林，深耕刻蚀+CVD/ALD领域。下游角度分析，长期来看，未来逻辑和存储先进工艺的突破将成为半导体设备成长天花板的关键，也是市场预期的关键，在先进工艺阶段掌握核心技术的设备企业将享有市场更高的估值溢价。 投资建议： 规模化角度看，AMAT重点受益先进逻辑扩产，泛林重点受益存储扩产；对比国内格局，北方华创对标应用材料，中微对标泛林，其中，CVD设备独立于二者由拓荆科技供应，因此： 1）逻辑设备角度，推荐：北方华创、拓荆科技； 2）存储设备角度，推荐：中微公司、拓荆科技； 增速角度看，在2018-2022年 7/5nm 先进逻辑扩产周期内，全球TOP5厂商中KLA增速最高，主要在于工艺微缩给晶圆制造良率提出更高要求，由此带来量检测设备需求增加。 对比国内市场，量检测板块仍处于0-1突破阶段，国产化率仍不足5%，未来将首先经历0-1、1-n的国产替代阶段，推荐：精测电子、中科飞测。 内资逻辑/存储晶圆厂继续扩产以及国产替代下，其他设备环节也将继续受益，建议关注：华海清科、芯源微、盛美上海、万业企业、至纯科技。 风险提示： 1）终端需求复苏不及预期、中美科技博弈影响海外核心设备供应，从而导致晶圆厂扩产及国产设备招标不及预期，影响内资半导体设备企业订单； 2）半导体设备国产化推进不及预期； 3）统计误差导致测算数据失真； 4）本文结论推导以全球半导体设备产业在逻辑/NAND/DRAM扩产周期下的发展驱动为基础，受发展环境、管理风格等因素影响，国内产业实际发展可能有所差异。 1.全球市场：逻辑围绕“摩尔定律”，存储围绕“3D化+价格周期” 1.1.半导体设备：受益逻辑/存储扩产，享超越终端β高增速 拉长时间维度，2009年以来，继续受智能手机、IoT等创新下游驱动，全球半导体产品市场销售额从2009年的2263亿美元，增长至2022年的5735亿元，复合年增速7.4%。对比分析产业链各环节主要头部公司2009-2022年收入复合增速情况，可以发现，除了受益行业β的发展，各环节头部公司凭借自身技术等核心壁垒享有超越β的超额增速，设计环节高通/英伟达/AMD/联发科分别实现年复合增速11.8%/17.2%/12%/13.2%，存储环节镁光复合年增速15.4%，代工环节台积电复合增速17.3%，设备环节头部企业增速更为显著，ASML/应用材料/泛林/东京电子/科磊分别实现复合年增速19.2%/13.4%/23.4%/9.3%/14.9%。 图1.2009-2022全球半导体市场销售额（亿美元） 图2.半导体各产业链主要公司2009-2022年营收复合增速对比 本质上来看，全球半导体行业是摩尔定律与终端应用创新相互促进下，台式机—移动PC—智能手机—AIoT/汽车/高性能计算的创新周期更迭的结果。 反应到半导体设备行业，从下游来看，则直接得益于逻辑（包括代工、IDM厂等）、DRAM、NAND三大主线下游的变革与扩产。因此，我们分别复盘逻辑、存储（DRAM和NAND）的扩产周期，研究其对半导体设备企业的影响，可以发现： 1）全球成熟工艺扩产阶段，半导体设备厂商完善自身产品布局，凭借行业高壁垒特性形成卡位优势，收入则围绕终端“库存周期”呈现波动状态； 2）逻辑芯片的扩产重点围绕“摩尔定律”，先进制程给设备公司带来更陡峭的成长曲线； 3）存储芯片的扩产重点围绕“价格周期”，周期性强，波动相对更大。 4）技术驱动周期更长，价格周期则相对更短。 图3.FY2004-2022全球头部半导体设备企业销售规模增长情况（亿美元） 1.2.逻辑扩产：围绕“摩尔定律”，先进制程贡献更陡峭成长曲线 以全球晶圆代工龙头台积电为例，拆分复盘历年其营收中各工艺节点扩张和贡献周期：40/ 45nm （2009Q1-2011Q2）、 28nm （2011Q4-2014Q2）、20/ 16nm （2014Q3-2016Q4）、 7nm （2018Q3-2020Q3）、 5nm （2020Q3-2022Q4）。 图4.2008Q3-2023Q2台积电各工艺节点营收变化（亿美元） 综合资本支出节点，可以发现： 1）2014以前：成熟制程演变及扩产期。尤其2010年开始进入 28nm 突破期，台积电每年资本支出明显上升，随着 28nm 逐步扩产，其资本支出从60亿美元左右逐步抬升至接近100亿美元； 2）2015-2017：20/16/ 10nm 扩产期。随着2015年下半年 16nm FinFET制程正式量产，台积电进入 16nm 扩产及更先进制程研发周期，资本支出超100亿美元，再上新台阶； 3）2018-2022年： 7nm /5nm 扩产期。随着2018年台积电 7nm 制程正式量产，逻辑制程进入EUV时代，其资本支出高速增长，同时叠加疫情缺芯的加速催化，台积电积极扩产，资本支出从2018年的105亿美元增长至2022年的356亿美元，四年复合增速36%。 图5.FY2006-2023E台积电平均月产能及资本支出情况 图6.不同制程逻辑芯片扩产对应半导体设备投资额（亿美元/万片月产能） 先进工艺设备需求： 14nm 扩产所需设备投资额约 28nm 节点1.6倍。复盘台积电看历年营收及资本支出情况，可以验证，随着逻辑制程从 28nm 逐步往先进制程走，其资本支出高速增长，即每万片晶圆月产能所对应半导体设备投资额大幅上升。根据IBS统计， 28nm 节点扩产每万片月产能晶圆所需设备投资额约为7.9亿美元，而到 14nm 则约为其1.6倍， 5nm 则达到31.3亿美元，是 28nm 的四倍左右。 最后，我们回到复盘历年逻辑扩产对半导体设备公司发展的影响，可以发现： 1）2010-2014年 28nm 为主的扩产阶段：因ASML/Lam/TEL/KLA数据缺失，主要参考AMAT逻辑设备销售收入情况，2010-2014年分别为39.7/37.3/42.9/39.3/36.2亿美元，差异不大。 2）2015-2017年20/ 16nm 为主的扩产阶段：2015年，全球PC出货放缓、日本经济萎缩等背景下，半导体行业增速放缓，行业迎来需求低点。2016-2017年，随着行业需求复苏以及技术端FinFET架构下 16nm 的扩产，半导体设备企业收入迎来修复与增长，到2017年，ASML/AMAT/Lam/TEL/KLA逻辑/代工设备销售收入规模分别达到34.6亿欧元/46.4/27.5/29/20.7亿美元，可获取历年数据下均创新高。此阶段下，ASML/AMAT/Lam复合年增速也分别达到28%/24%/16%。 3）2018-2022年7 /5nm 为主的扩产阶段：此阶段，毋庸置疑疫情诱发的全行业的“缺芯”奠定了行业高景气的基础，而反映到半导体设备端，除了终端需求以外，摩尔定律的迭代，7 /5nm 先进制程设备投资密度的剧增驱动了头部半导体设备企业更陡峭的成长曲线。 2018-2022年，ASML/AMAT/Lam/TEL/KLA逻辑/代工部分销售收入复合年增速分别达到28%/37%/41%/41%/48%，其中尤以全球量检测设备龙头KLA增速显著；而AMAT也成长为全球逻辑/代工领域最大设备供应商，2022年实现逻辑领域设备销售收入135.7亿美元。 图7.逻辑扩产下ASML/AMAT/Lam/TEL/KLA逻辑/代工营收增速对比 1.3.存储扩产：围绕“价格周期”，波动相对更大 1.3.1.NAND：3D化技术+价格周期驱动，刻蚀设备需求大幅增加 2013年量产端实现2D平面到3D架构的重大转变，3D NAND扩产周期开启。1987年东芝首先发明2DNAND技术，随后得到广泛应用；2007年，在VLSI上东芝又首次提出3D NAND，并将之命名为BiCS，实现了NAND从2D平面到3D架构的重大技术转变。但3DNAND真正量产则由三星实现，2013年，三星首次量产24层128Gb的3D NAND产品V-NAND。之后十年时间，随着技术升级和终端应用对容量要求的提升，3DNAND垂直堆叠层数及工艺复杂度越来越高，已突破至200层以上。面向未来容量角逐，头部厂商三星、海力士、美光也都公布了3xx/4xx/5xx开发规划。 图8.全球NAND发展路线图 3DNAND的扩产和堆叠层数的增加也驱动半导体设备市场高速增长，尤其刻蚀和沉积设备价值量大幅提升。根据Yole测算，2019-2025年，3D NAND三大核心工艺设备中，刻蚀设备市场规模约占69%-73%，沉积设备则约占23-24%。在3DNAND制造工艺中，刻蚀环节工艺难点主要在于高深宽比（HAR）刻蚀，而沉积环节工艺难点则在于ONON堆栈沉积、硬掩模沉积以及字线填充。 NAND光刻需求：以ArFi、ArF、KrF、I-line为主，价值量对叠层增加敏感度较小。延展到制造工艺端，3DNAND微缩主要体现在垂直方向的堆叠