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半导体装备产业链梳理:设备产业链国产化有望提速

半导体装备产业链梳理:设备产业链国产化有望提速

一、半导体设备是半导体产业进步的核心发动机

作为半导体产业的发动机,半导体设备是半导体技术迭代的基石。大型制造业的发展都需要其产业设备的发展推动,半导体产业也是如此。踏着晶体管集成度约18个月翻番的摩尔定律旋律。半导体工艺从上世纪70-80年代的3-10微米,发展至目前最先进的7nm制程,设备的进步起着至关重要的基石作用。集成电路制造工艺复杂,所需设备种类广泛,设备精密度要求高。

集成电路的制作是将在EDA软件上设计好电路图制作成掩模(Mask),然后通过众多复杂的工艺,像搭积木一般,一层一层构建在硅晶圆之上,形成裸芯片,然后进行封装测试,成为成品。整个制造流程大约涉及到300-400道工序,半导体材料、设备和洁净工程等上游产业链作为重要支撑。



二、半导体设备产业迎来加速增长

2000年以来全球设备市场发展趋势回顾:

  • PC电脑联网时代(2000-2009):全球顶尖芯片制程能力在100~38nm,半导体制程设备行业的市场规模位于200~300亿美元/年的平均水平。
  • 智能手机移动互联网时代(2010-2017): 全球顶尖芯片制程能力在32~16nm,半导体制程设备行业的市场规模上升到350~400亿美元/年的平均线上。
  • 5G、人工智能和物联网时代开启(2018-2025):全球顶尖芯片制程能力达到5~10nm,半导体制程设备的市场规模有望增加到600~650 亿美元/年及以上的数量级。
  • Semi 预计,2019-2021 年设备市场销售规模可达依576/608/668 亿美元,随着5G 推动半导体设备行业规模将创历史新高,中国地区半导体设备销售市场呈现较快增长。



工艺制程世代升级催化新一代半导体制程设备,投资规模逐级提升先进制程对设备需求显现日益加速增长。半导体技术制程随着摩尔定律的节奏而进步,每更新一代工艺制程,则需更新一代更为先进的制程设备。以台积电为例,每个节点的投资额迅速攀升,其中16nm制程1万片/月产能投资15亿美元,7nm制程1万片/月产能投资估计30亿美元,5nm制程1万片/月产能投资估计50亿美元,而3nm 则预估需要100亿美元。



三、半导体设备分类

拆分细分半导体设备投资占比,光刻、沉积、刻蚀和清洗等投资占比较高

根据SEMI历史数据,按照产业链上下游来看晶圆制造及处理设备类投资金额最大,占总设备投资的81%;封测环节设备投资约占总设备投资的15%,晶圆制造及处理设备为半导体行业中固定资产的核心。

晶圆制造设备投资中主要分为光刻机、刻蚀机、薄膜设备、扩散\离子注入设备、湿法设备、过程检测等六大类设备,其中光刻、刻蚀和薄膜沉积设备等占比较高,光刻机约占总体设备销售额的30%,刻蚀约占20%,薄膜沉积设备约占25%(PVD 15%、CVD10%)。


半导体设备投资按产业链环节分类(亿美元)




四、全球半导体设备海外公司寡头垄断



全球半导体设备市场集中度较高,主要设备龙头CR4达57%。主要核心设备领域仍然海外厂商主导,2018年全球半导体设备厂商CR4达到57%,CR10 达到78%,市场集中度相对较高。国内设备厂家在单晶炉、刻蚀、沉积、划片、减薄等环节实现逐步突破,多个中高端产业链环节依赖国外进口。



细分环节核心设备均被海外公司寡头垄断

1)光刻机市场规模约160亿美元,3大龙头拥有95%市场。国外EUV光刻机龙头为ASML、尼康、佳能等,ASML为龙头已能够实现前道5nm光刻。上海微电子是国内顶尖的光刻机制造商,公司封装光刻机国内市占率80%,全球40%,光刻机实现90nm制程,并有望延伸至65nm和45nm,公司承担多个国家重大科技专项及02专项任务。



2)刻蚀设备市场规模约115亿美金,海外前3大供应商拥有94%市场份额。在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺:湿法腐蚀和干法刻蚀,目前全球主流刻蚀工艺为干法刻蚀。在湿法刻蚀中,液体化学试剂以化学方式去除硅片表面的材料。湿法腐蚀一般只是用在尺寸较大的情况下(大于3微米)。干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体,等离子体通过光刻胶中开出的窗口,与硅片发生物理或化学反应,从而去掉曝露的表面材料。刻蚀也可以根据被刻蚀的材料类型来分类,主要分成三种:金属刻蚀、介质刻蚀、和硅刻蚀,其中介质刻蚀和硅刻蚀为主流。

目前全球硅基刻蚀主要厂商为Lam(泛林集团)和AMAT(应用材料),两者拥有97%的市场份额,介质刻蚀主要厂商为TEL(东京电子)和Lam(泛林集团),拥有97%的市场份额。中微半导体是唯一打入台积电7nm制程的中国设备商,北方华创的8英寸等离子蚀刻机进入中芯国际,封装环节刻蚀机基本实现国产化,国产化率近90%。



3)薄膜设备(气象沉积)市场规模约145亿美元。CVD 主要厂商为日立、Lam(泛林集团)、TEL(东京电子)、AMAT(应用材料)等占据超70%的市场。PVD 被AMAT(应用材料)、Evatec、Ulvac占据90%市场份额;国内厂商北方华创实现28nm PVD设备的突破,封装设备国产PVD市占率接近70%。CVD中的MOCVD是目前中微半导体已取得重要突破,目前已有20%的国产化率。



4)显影设备:全球核心供应商为TEL(东京电子) ,目前国内沈阳芯源有中低端产品。

5)离子注入机:AMAT(应用材料) 拥有约70%以上的市场,Axcelis Technologies拥有18%市场份额,前三家包揽97%市场份额。目前国内只有凯世通和中科信有离子注入机的研发生产能力,17年凯世通已经销售太阳能离子注入机15台。

6)清洗设备:主要设备厂商SCREEN、东京电子、LAM合计占比88%,目前国内的盛美半导体的SAPS产品已经进入一流半导体制造商产线。北方华创整合Akrion后提供单片清洗和槽式清洗设备,已经进入中芯国际产线。至纯科技已经取得湿法清洗设备的批量订单,未来五年超过200台的订单。

7)CMP(化学机械抛光):AMAT(应用材料)拥有70%市场份额,Ebara拥有26%市场份额

8)热处理:主要厂商有AMAT(应用材料)、日立国际电气、TEL(东京电子)

9)去胶设备:主要厂商有PSK、Lam、日立高科技、屹唐半导体;

10)划片/减薄机:日本DISCO 绝对垄断;

11)量测设备:主要包括自动检测设备(ATE)、分选机、探针台等。前端检测设备,前三甲厂商科磊(KLA)市占率50%、应用材料市占率12%、日立高科技市占率10%,这三者累积市占率72%;后道测试设备厂商,包括美国泰瑞达、日本爱德万占全球份额64%;分选机厂商厂商,包括科林、爱德万、爱普生等市占率高达70%;而探针台基本由东京精密、东京电子、SEMES垄断。国内厂商长川科技测试设备主要在中低端市场,主要在数模混合测试机和功率测试机。其他包括上海睿励、中科飞测、上海精测半导体等

12)真空设备:全球龙头爱德华市占率超过50%、另外日本Ebara(荏原制造所)和Kashiyama(樫山工业株式会社)也占据了重要份额,国内龙头是汉钟精机,其次是沈科仪。

五、半导体设备国产化是中国半导体产业振兴的起点

回看中国改革开放的40多年,中国制造业的崛起离不开装备设备行业的国产化。国外技术绝不轻易交出标志技术及生产能力制高点的装备技术,而没有优秀的设备装备就像砍柴没有镰刀,发展及生产效率必然大打折扣。因此半导体设备国产化是中国半导体产业振兴的起点。

下游需求自主可控将拉动国产设备近千亿市场需求

19年全球半导体投资放缓,预计2020年有望回暖。2019年全球半导体市场规模4110亿美金,同比下降12.36%,在全球景气度下行的背景下,受中国大陆智能手机销量等因素影响,2019年的全球半导体行业市场萎缩。半导体投资与行业市场规模高度同步,观察全球半导体行业投资规模,2018/2019年投资规模774.44/718.15亿美元,同比下降0.45%/7.27%,连续两年下滑,根据权威机构SEMI最新报告显示,受益于技术革新需要以及5G网络更新设备需求,预计2020年全球半导体行业资本支出将回暖至732.40亿美金,同比+1.98%。



从半导体大厂看,2020年资本开支呈现快速增长趋势。以全球最大的半导体晶圆代工foundry厂台积电与中国大陆最大的半导体晶圆代工foundry厂中芯国际为例,台积电2019年资本开支1071亿元,同比增长64.28%,预计2020年资本开支将持续稳定在高位,同比小幅增长。中芯国际2019年资本开支131.40亿元,同比增长2.78%,2020年同时受益于全球半导体投资回暖与国产替代,预计其资本开支约217亿元,同比+65.15%,资本开支加速上扬。另外,联电、日月光预计2020年资本开支也将加速增长。



近年来中国晶圆厂建设进度加快,根据芯思想研究院数据显示,新建的20家FAB中,19年上半年有2家在建厂完毕逐步投产,12家在建,4家在规划中或新增规划,2家处于停摆状态。根据上述数据测算,总计将投入约1177亿人民币,若按65%~70%为设备投资,则有约需760亿~830亿增量设备需求。



如果按各项目如期推进,则预计到2020~2021年,中国大陆晶圆厂装机产能将达到每月400万晶圆片/月(约当8吋),过去5年产能复合成长率(CAGR)达12%,成长速度远高过所有其他地区,对设备需求量将每年拉动近千亿市场需求。

根据SEMI数据预估,未来中国区域显现更为显著的半导体设备销售增长潜力。预计2020~2021增速可达10%~16%,快于全球平均6~10%增速,中国区域迎来国产设备增长的大好时机,年市场规模可达130~160亿美金。



中国国产替代走上核心战略,龙头公司市场空间有10倍以上

半导体设备无论是产业安全自主可控需求外,也符合产业发展根本规律。只有在设备上拥有核心技术升级与迭代能力,才能真正实现半导体制造上实现超越,国产化率是当务之急,也势不可挡。中国设备产业未来10年,第一步将迎接中国半导体产业对设备投资需求成倍的增长,同时目标将国产化率从平均5%~10%,提升到70%~80%以上甚至更高;第二步中国设备技术能力与国际厂商同台竞技之后,实现打开国门走向世界,从追赶到超越的升华。



从长江存储采购,看国内设备供应商进展情况

在近年来来的国产设备替代中,国内需求成为非常重要的推动力,列举了,长江存储对国内设备商的采购情况。



六、全球主要半导体龙头公司及半导体设备龙头公司梳理

全球排名前50的半导体公司,目前总市值达2.08万亿美元,2018财年总收入为4218亿美元,净利润1051亿美元,平均估值20倍,最新PE(TTM)中位数31倍。



国内外半导体设备龙头公司总市值4141亿美元,18财年总收入1233亿美元,净利润156亿美元,平均估值27倍,中位数PE(TTM) 25倍。

国际上半导体设备龙头公司如ASML、Applied Materials以及LAM等年收入在100亿美元-200亿美元左右,相比之下国内设备龙头公司如北方华创、中微公司等年收入在10亿美金以内,差距在10倍-20倍之间。国内半导体产业的逐步崛起,将给上游带来较大的市场需求,给上游设备龙头公司带来较大的成长空间。



七、半导体真空设备国产化替代有望加速

半导体真空泵是半导体各制程中必备的通用设备,应用于单晶拉晶、LL、Etching、CVD、ALD、封装、测试等清洁或严苛制程。全球150亿元市场空间(中国大陆/中国台湾预计超60/30亿元)。美国爱德华为全球龙头,汉中精机是国内龙头,当前国产率不到5%,国产替代空间广阔。汉中精机在中国台湾已有台积电、力积电、日月光、力成等半导体公司使用公司真空泵,实现批量供货,在中国大陆市场已成功通过国内多家大型半导体企业的验证,已有厂商陆续下单,获得小批量供货订单,业务收入加速放量。汉中精机在晶圆厂新建浪潮及3D NAND/EUV对真空环境更高要求的行业趋势下,有望加快国产替代进程。

全球真空设备市场规模2020年约150亿元。根据Semi预计,2019-2021 年全球半导体设备市场销售规模可达依576/608/668亿美元,每年增长6%-10%。中国半导体设备销售市场受益5G推动创历史新高,预计2020~2021增速可达10%—16%,快于全球平均增速,据此估算20年中国半导体设备销售市场规模约160亿美元。按照真空设备约占整个FAB厂半导体投资的3%-4%测算,2020年全球半导体真空设备市场规模将达128-170亿元,中国半导体真空设备市场规模约34-45亿元。考虑到新一代3d NAND/EUV光刻技术对真空环境提出了更高要求,对真空设备需求更大,半导体真空设备在整个FAB厂的投资占比也有望进一步提升。



从晶圆厂产能测算,全球/中国大陆/中国台湾真空泵20年市场规模超150/60/30亿元。以12寸晶圆生产线为例,每3.5万片产能需要约2000台真空泵。我们据此测算全球和国内真泵市场规模情况。

  • 1)全球真空泵市场规模近150亿元:根据IC Insights统计,2019年全球晶圆在运产能折合8寸约1956万片/每月(折合12寸约869.63万片/每月),2019年新增产能折合8寸约66万片/月(折合12寸约29.3万片/月),假设存量真空泵按每年更换20%,按单台真空泵均价15万元估算,2019年全球真空泵市场规模约149亿元。
  • 2)中国大陆真空泵市场规模2019-21年达36/65/80亿元:根据IC Insights统计,2018年中国大陆/中国台湾晶圆在运产能折合8寸约236.1/412.6万片/月(折合12寸约104.9/183.4万片/月),2019年新增产能折合8寸约39.09万片/月(折合12寸约17.4万片/月),据统计当前在建FAB厂产能合计折合12寸约92.6万片/月,按20/21年分别投产42.6/50万片/月测算,中国大陆真空泵市场规模2019-21年分别为36/65/80亿元,年均增速近50%。
  • 3)中国台湾真空泵2018年市场规模超30亿元:根据IC Insights统计,2018年中国台湾晶圆在运产能折合8寸约412.6万片/每月(折合12寸约183.4万片/每月),不考虑新增产能中国台湾2018年空泵存量更新的市场规模也有约31亿元。












竞争格局:半导体真空泵当前由国外厂商主导,国产厂商市占率不到5%。全球半导体用真空泵领域由欧洲、日本企业主导,国产厂商市占率不到5%。干式真空泵的生产需要较高的精密加工技术,同时需要对核心零部件转子材料性能有足够的研发积累。目前全球半导体用真空泵领域三家公司占据主要市场份额导,分别是Edward(爱德华)、Ebara(荏原制造所)、Kashiyama(樫山工业株式会社)。我国生产干式真空泵的公司主要为汉钟精机与沈科仪,目前市场份额相对较低,市占率不到5%。

Edward(爱德华):Edward隶属于Atlas Copco,于2014年被收购,可提供油润滑螺杆泵、旋片泵、滑阀泵、干爪泵等一站式真空解决方案,在半导体真空泵领域,Edward市场占有率超50%,是绝对的龙头,公司在青岛设有工厂,2018年二期投入运营,主要生产半导体用高端真空泵。

Ebara(荏原制造所):公司从事以泵等旋转机械为中心的开发活动,成立于1912年。公司经营三个部分:流体机械和系统,环境工程和精密机械。其流体机械和系统部门从事制造,销售,运营和维护服务业务;产品包括泵,压缩机,涡轮机,制冷设备和风扇。精密机械部门从事制造,销售和维护;产品包括干式真空泵,化学机械抛光(CMP)系统,电镀系统和气体减排系统。

Kashiyama(樫山工业株式会社):公司多年来致力于真空技术的研究,主要产品包括海水泵、水封式真空泵、干式真空泵、鲁式真空泵。公司生产的真空设备已被广泛应用于包括半导体制造业和液晶显示制造业的高科技领域中。

沈阳科仪:公司是一家集真空仪器装置研发、生产、销售、服务为一体的高科技企业,其前身是中国科学院沈阳科学仪器研制中心,创建于1958年。主要研发生产各类薄膜材料制备设备、纳米材料制备设备、真空冶金设备、单晶炉、太阳能光伏设备、集成电路装备、大科学工程装备、无油真空获得及系统集成汉钟精机技术改善提升干泵寿命,产品性价比优势有望加速国产化替代进程。公司产品经过不断地技术改善和优化,真空产品抽气量达到80-7000m3/h,可满足各制程抽气需求。

汉钟精机具备专业超高精度螺杆设计加工技术,螺杆转子具有更短的抽气路径、更少的密封面,能更有效的处理严苛制程,并延长使用寿命;同时具备半导体专有奈米陶瓷涂层,能更好的处理腐蚀气体、粉尘及粘稠物质;热氮系统方面,在CVD/ETCH制程中表现出色;双层壳体加冷却系统方面,更能保证转子的均匀降温,减少磨损,增加使用寿命。目前,公司正积极在国内半导体产业扩大推广,通过台湾汉钟在半导体产业的成功案例,已成功通过国内多家大型半导体企业的验证,目前与北京、深圳、上海等多家半导体设备企业已展开合作;另外,在芯片代工厂方面也在同步展开销售,如无锡、江阴、上海等地企业。随着半导体行业不断发展,公司在半导体持续深耕,产品不断更新优化,公司真空产品有望加速国产化替代进程。

发布于 03-10

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