2021年半导体设备行业研究报告

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1.台积电上调资本开支预算，半导体设备景气度持续上行1.1.下游晶圆厂扩产需求旺盛全球半导体市场规模逆势增长，带动半导体专用设备需求：半导体专用设备市场与半导体产业景气状况紧密相关，其中芯片制造设备是半导体专用设备行业需求最大的领域，下游新兴产业的快速发展是半导体设备行业的最大驱动力。近年来，随着5G、汽车电子、人工智能、工业物联网等新兴产业的发展，半导体需求迅猛增长。WIND数据显示，2020年全球半导体销售额达4,355.6亿美元，同比增长5.98%。而根据IDC的预测，2021全球半导体市场营收有望达到5220亿美元。半导体制造设备销售额强劲增长，半导体产业链有望向中国转移，中国成为半导体设备最大市场：根据SEMI的统计数据，2020年全球半导体设备销售额达到712亿美元的历史新高，同比增长19％。分地区来看，中国大陆首次成为全球最大的半导体设备市场，销售额同比增长39％，达到187.2亿美元。中国台湾地区是第二大设备市场，其销售额在2019年呈现强劲增长后，在2020年保持稳定，达到171.5亿美元。2020Q4以来缺芯情况严重，预计2022年才能缓解，晶圆厂扩产需求强烈。本次半导体行业高需求的启动以2020年下半年新能源汽车的高景气需求为标志，芯片产能吃紧由汽车芯片逐渐扩散至所由消费芯片，晶圆厂扩产需求非常强，不得不加大资本开支。而缺芯的原因主要有以下几点：2019年以前手机芯片需求远大于汽车芯片需求，许多晶圆厂将汽车芯片产线改造成了手机芯片产线，导致全球的汽车芯片产能大大减少。2020年下半年后新能源汽车需求增长，汽车芯片订单大增，下游晶圆厂完全没有准备。新冠疫情导致半导体行业整体的产能受到冲击。晶圆产能吃紧，下游厂商上调产品价格：晶圆紧缺已经成为常态，从8英寸晶圆领域扩展到了12英寸领域，目前多家芯片代工厂都已满负荷运营，但产能依旧紧张，难以满足庞大的代工需求。由此，国内外媒体及产业链预测至少由晶圆短缺导致的全球芯片短缺要到2022年下半年才能开始缓解。下游芯片厂商因晶圆短缺而面临供应不足，为此纷纷涨价，2021Q1瑞芯微、群联电子、笙科电子等电子制造业厂商宣布因晶圆等原材料成本上涨而上升产品价格。应对产能缺口，晶圆厂商纷纷扩能：为应对产能缺口，晶圆厂商纷纷扩能：为应对晶圆产能缺口，晶圆生产商纷纷扩建产能。根据统计，2020共12家晶圆厂于大陆建设投产，可新增产能144.5万片/月。晶圆厂产能扩张，新建Fab厂预计带来大量半导体设备需求：截至2021.4，统计了中国部分在建晶圆厂项目，已知投资规模为957.2亿元，可提供产能45-55万片/月。半导体设备是晶圆制造厂的最大投资项，约占整体投资总额的75-80%，预计随着晶圆厂产能扩产项目的建设，会带来大量半导体设备需求。1.2.下游资本开支增速提升，半导体设备景气度持续上行半导体设备行业受下游厂商资本开支的影响较高，具备一定的周期属性，近年来随着下游需求增长，2020年全球半导体行业资本开支达到732亿美元，增速由负转正。2020年台积电资本开支达到172亿美金，未来几年资本开支持续扩张，根据台积电一季度电话会议，预计2021年资本开支将增长至300亿美元，未来三年（21-23年）资本开支共计1000亿美元，其中80%用于先进制程（3nm，5nm，7nm），10%用于先进封装和掩膜制造，10%用于特色工艺。台积电前两次资本开始扩张期是08-13年，资本开支从18亿美金增长到96亿美金；15-17年，资本开支从78.5亿美金增加到111亿美金。本轮资本开支扩张期从18年开始，且2021年资本开支增速仅次于2010年，预计将至少持续至2023年。根据台积电Q1电话会议纪要，本轮资本开支主要原因是先进制程和成熟工艺的长期需求，小部分原因是成本上涨；未来较高资本开支的原因是结构性增长大趋势以及数字化转型加速，每个制程节点需求都在增加，利好相关设备。1.3.国产晶圆厂发展迅猛，利好设备国产替代国内晶圆厂商高速发展，拉动上游设备需求。半导体行业在2020年汽车芯片需求暴增、中美脱钩等因素的叠加下，进入了一个新的高速发展期。行业投资力度不断加大，处于产业链制造环节的国内晶圆厂商纷纷加大资本开支，扩大产能、攻克先进制程，对上游半导体设备的需求不断增长。同时因为中美脱钩带来的半导体设备国产化的必要性，半导体设备的国产化率有望快速提高，国内半导体设备厂商将从中受益。中美脱钩，半导体国产化势在必行。半导体作为一个全球化的产业链，全球分工明确，国内承担的更多是成熟制程的制造环节以及封测环节，在上游的芯片设计以及半导体设备制造相对欠缺。中美脱钩以后，美国封锁中国半导体产业，打造国内半导体全产业链至关重要。过去三年国内晶圆厂资本开支大幅增加。2020年芯片供给端的紧缺使得行业景气度高企，国内各大晶圆厂也纷纷加大了资本开支，力图快速扩大产能带来业绩增长。国内晶圆代工前三龙头中芯国际、华虹半导体、晶合集成2020年合计资本开支431.57亿元，同比大增164.54%，创历史新高。2021年三大晶圆厂资本开支预计达480亿元。国内前三大晶圆厂中芯国际、华虹半导体、晶合集成中，中芯与华虹均公布了2021年的资本开支 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，分别为43亿美元/13亿美元，而晶合集成即将完成科创板上市募资120亿元用于产能为4万片/月的合肥晶合二厂的建设，三大晶圆厂2021年合计资本开支将达到480亿元左右，同比增长11.22%。相比2020年之前年资本开支200亿不到，三大晶圆厂进入了年400亿以上的“军备竞赛”阶段，将带来大量半导体设备需求。2021年三大晶圆厂预计新增12万片/月产能。从中芯国际、华虹半导体、晶合集成的2021年规划来看，2021年是中国晶圆产能大幅增长的一年，仅三大厂将合计增加12万片/月的晶圆产能。其中，1）中芯国际将新增12英寸产能1万片/月，8英寸产能4.5万片/月。2）华虹半导体将新增12英寸产能2.5万片/月。3）晶合集成将新增12英寸产能4万片/月。半导体设备投资占晶圆厂建设投资75-80%，优先受益上游晶圆厂发展。2020-2021年两年间，仅三大晶圆厂资本开支达到惊人的911.57亿元，对应684-729亿的半导体设备市场规模。而中美脱钩以及国内半导体设备厂商技术逐渐追赶，将带来国内半导体市场从总量到渗透率的同步提升，国内半导体设备厂商将从中受益，业绩有望大幅提升。2.半导体产业链梳理：国产替代进行时，部分领域发展迅速2.1.半导体产业链梳理半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，被广泛应用于各种电子产品中。半导体产品可细分为四大类：集成电路、分立器件、光电子器件和传感器，被广泛应用于5G通信、计算机、消费电子、网络通信、汽车电子、物联网等产业，是绝大多数电子设备的核心组成部分。专用设备是半导体生产基础：各类半导体的生产过程主要包括芯片设计、晶圆制造和封装测试等工序，每道生产工序都需要在相应的专用设备技术允许的范围内设计和制造，半导体专用设备的技术复杂，设备的技术参数和运行的稳定性对半导体生产效率、质量和良率起着至关重要的作用。从产业链的角度看，半导体产业链涉及材料、设备等支撑性行业，芯片设计、晶圆制造和封测行业，半导体产品终端应用行业等。以集成电路为代表的半导体，产品应用领域广泛，下游用行业的需求增长是半导体产业快速发展的核心驱动力。2.2.半导体设备梳理2.2.1.各设备投资占比半导体制造 流程 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主要包括硅片制造、晶圆制造、封装测试三个主要环节。在成熟市场中，晶圆制造设备占比约80%，检测、封装、硅片制造及其他（如掩膜制造）设备占比依次约为8%、6%、3%以及3%。晶圆制造环节是生产链条里最重资产的一环，晶圆制造设备投入占总设备投入的80%左右。在晶圆加工设备投资中，光刻设备投资占比最高达到25%，其次为薄膜沉积占比15%，排名第三的是前端测试设备、刻蚀设备和封装设备，占比10%。其后分别为封测检测设备（占比8％）、清洗设备（占比7％）、离子注入设备（占比3％）、长晶（占比2％）。2.2.2.光刻机光刻机基本原理：将高能雷射光穿过光罩（reticle），将光罩上的电路图形透过聚光镜（projectionlens），将影像缩小十六分之一后成像（影像复制）在预涂光阻层的晶圆上。主要生产企业：光刻机厂商集中度高。全球各大企业中，荷兰ASML可以覆盖所有档次光刻机产品，凭借生产的高端光刻机在全球处于领先地位。其余知名光刻机生产商包括日本佳能（CANON）和日本尼康（NIKON）。国内光刻机技术水平和海外龙头差距较大，其中，上海微电子装备(集团)股份有限公司（SMEE）通过积极研发已实现90nm节点光刻机的量产。2.2.3.刻蚀设备基本原理：刻蚀是用化学或者物理方法，有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程，通常在显影检查后进行，目的是在涂胶的硅片上正确复制掩膜图形。在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺，干法刻蚀和湿法刻蚀，其中干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件最主要的方法。干法刻蚀也称等离子体刻蚀，是指使用气态的化学刻蚀剂与硅片上未被光刻胶覆盖的材料发生物理或化学反应（或两者均有），以去除暴露的表面材料的过程。湿法刻蚀，是指采用液体化学试剂（酸、碱和溶剂等）以化学方式去除硅片表面材料的过程。由于其在线宽控制和刻蚀方向性等方面的局限，目前仅用于腐蚀硅片上的某些层或残留物的清洗。主要生产企业：硅片刻蚀机制造厂商较多，已实现部分国产替代。国外厂商主要包括美国泛林半导体、应用材料以及日本东京电子；国内厂商包括中微公司、北方华创等。其中，中微公司介质刻蚀机已打入5nm制程。2.2.4.清洗设备清洗设备是非常重要的半导体设备，对保证芯片良率十分关键。被广泛运用于半导体生产的各个环节，光刻、刻蚀、沉积等等工艺中都需要进行反复的清洗，以避免杂质影响芯片良率和性能。按照工艺区分，清洗设备主要可分为湿法清洗设备以及干法清洗设备。其中，湿法清洗路线占芯片制造清洗步骤数量90%以上。湿法清洗设备的工作原理为：采用特定的化学药液和去离子水，对晶圆表面进行无损伤清洗，以去除晶圆制造过程中的颗粒、自然氧化层、有机物、金属污染、牺牲层、抛光残留物等物质。在湿法清洗工艺路线下，又可分为单片清洗、槽式清洗、组合式清洗和批式旋转喷淋清洗。主要生产企业：全球清洗设备市场集中度高，日本SCREEN、TEL为头部企业。其他厂商包括SEMES、LAMRESEARCH、以及国内厂商盛美半导体、至纯科技、北方华创。2.2.5.离子注入设备基本原理：离子注入机是将特定种类离子以指定参数注入至特定材料中的一种设备，执行的是核心的掺杂工艺。半导体要做成器件，要改变电性能，必须掺入杂质，离子注入机就是执行掺杂工艺的 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设备。主要生产企业：全球IC离子注入机行业市场基本被应用材料占据，其它主要生产厂商有美国Axecelis、日本住友重工以及国内的中科信。2.2.6.涂胶显影设备基本原理：涂胶显影设备是在光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备，包括涂胶机（SpinCoater）、显影机（Developer）、喷胶机（SprayCoater）。涂胶显影设备与光刻机联机作业，组成配套的圆片处理与光刻生产线，完成精细的光刻工艺流程。涂胶机：在洁净干燥的晶圆表面涂覆光刻胶。将硅片固定在真空载片台上，在硅片中心滴上液体光刻胶，通过旋转得到均匀的光刻胶涂层。显影机：用显影液溶解正性光刻胶的曝光区（负性光刻胶为非曝光区）。将硅片冷却至23℃左右（与显影液温度相同），与显影液发生化学反应，曝光区溶解从而形成设计好的三维图形。喷胶机：在不规则表面晶圆涂覆光刻胶。通过将光刻胶雾化成雾滴，再由氮气（N2）将光刻胶雾滴吹出并喷涂到衬底或晶圆表面，承载晶圆的热板通过加热将光刻胶溶剂蒸发，使得有用的树脂留在衬底或晶圆表面，形成相对均匀的光刻胶覆盖。主要生产企业：在目前的全球涂胶显影设备市场上，日本东京电子（TEL）处于领先地位，市占率达到86%，此外SCREEN、SEMES等企业实力也较强。国内涂胶显影设备市场中，芯源微作为唯一的本土企业市占率达到4%左右，TEL则为91%左右，SCREEN为5%。2.2.7.薄膜沉积设备基本原理：薄膜沉积技术的工作原理为通过物理或者化学方法实现一连串涉及原子的吸附，吸附原子在表面扩散并在适当的位置下聚结，然后渐渐形成薄膜并成长。目前市场上的薄膜沉积设备按照工艺主要分为ADL（原子层沉积）、PVD（物理式真空镀膜）、化学式真空镀膜（CVD）三种。ALD技术：通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种方法（技术）。当前驱体达到沉积基体表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对原子层沉积反应器进行清洗。CVD技术：把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜。PVD技术：在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。主要生产企业：国际薄膜沉积设备市场中，主要有应用材料、泛林半导体、TEL等厂商。国内市场中，主要企业有北方华创和沈阳拓荆，其中北方华创覆盖了CVD、ALD、PVD三大产品线，而沈阳拓荆主攻CVD和ALD，北方华创与沈阳拓荆技术节点都达到了14/28nm。2.2.8.前道量检测设备基本原理：前道量检测根据光学和电子束原理进行工作，运用于晶圆的加工制造过程，是一种物理性、功能性的测试，用以检测每一步工艺后产品的加工参数是否达到了设计的要求，并且查看晶圆表面上是否存在影响良率的缺陷，确保将加工产线的良率控制在 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的水平之上。根据测试目的，前道量检测可以细分为量测和检测。量测主要是对芯片的薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等制成尺寸和膜应力、掺杂浓度等材料性质进行测量，以确保其符合参数设计要求；而检测主要用于识别并定位产品表面存在的杂质颗粒沾污、机械划伤、晶圆图案缺陷等问题。前道量检测设备种类繁多，有椭偏仪、四探针、热波系统、相干探测显微镜、光学显微镜和扫描电子显微镜等等。主要生产企业：前道量检测设备行业因其极高的技术、资金壁垒，对业内公司的研发能力有较强的要求。目前，国内外市场呈现高度集中的局面，国际市场头部企业主要包括美国KLA、日本HITACHI、美国ONTO等。2.2.9.封装设备基本原理：封装工艺流程未：划片、装片、键合、塑封、去飞边、电镀、打印、切筋和成型、外观检查、成品测试、包装出货。对应的，封装设备包括割减薄设备、划片机、贴片机、固化设备、引线焊接/键合设备、塑封及切筋设备等。主要生产企业：在封装设备生产领域，全球市场中具有代表性的企业包括日本的Shinkawa、KAWASAKI、荷兰的Besi、中国香港的ASMPacific等。国内其余封装设备生产企业还有中电科45所、深圳翠涛、苏州艾科瑞思、大连佳峰、富仕三佳等。2.2.10.检测设备基本原理：检测设备是指在整个生产过程中或几道关键工序后，对硅片或晶圆的质量、性能进行量检测的设备，包括探针台、测试机以及分选机，主要用于检测产品在生产过程中和产成后的各类性能是否达到设计要求。半导体测试包括晶圆可接受度测试（WAT）、晶圆检测（CP）、成品测试（FT）。晶圆可接受度测试主要用来监控工艺稳定性、判断出货标准等；晶圆检测（CP）是对一些基本器件参数，如阈值电压、导通电阻、源漏击穿电压等进行测试；成品测试（FT）是对封装后的芯片进行功能和电参数方面的测试。主要生产企业：目前国内测试设备市场仍由海外制造商主导，市场集中度高，呈现高度集中的格局。国外知名企业如美国的泰瑞达（Teradyne）、科休（Cohu）、日本的爱德万（Advantest）等凭借较强的技术、品牌优势，在高端市场占据领先地位。2.3.全球半导体产业链竞争格局：部分领域国内厂商打破空白，技术不断追赶2.3.1.全球半导体设备市场：美日优势明显，国产替代现在进行时从营收看，全球前十大半导体设备公司绝大多数是美日企业。总体的半导体设备市场看，，美日企业优势明显，市场集中度高，CR10高达76.6%。2020年全球营收前十的半导体设备企业中，有四家美国公司、四家日本公司以及两家荷兰企业。其中，营收超过100亿美元的企业共有四家，分别为美国应用材料（AMAT）、荷兰ASML、美国泛林半导体（LamResearch）以及日本东京电子（TEL）。刻蚀、薄膜、检测、清洗等多个领域打破国内空白，技术突破迅速。国内半导体设备行业起步较晚，总体营业规模上与海外巨头差距较大，但近年来国内企业不断加大投入，在技术上不断做出关键性的突破，打破了许多领域的空白，部分细分市场已开始实现国产替代。例如，中微刻蚀机研发已到达5nm的技术节点；北方华创和拓荆的薄膜沉积设备已达到14/28nm的技术节点；至纯科技的清洗设备打入了中芯国际、华虹等企业的供应链；华峰测控的测试机打入了日月光、意法半导体等国际封测龙头的供应链。2.3.2.全球半导体产业链竞争格局：美日企业优势明显全球来看，美日企业在整个半导体产业链中的大部分领域优势明显。其它国家和地区有中国台湾、韩国、欧洲等在部分领域发展的不错。具体来看：芯片设计：芯片设计行业龙头企业大多为美国企业。主要有高通、博通、联发科、英伟达等。晶圆制造：晶圆制造行业高度集中，台积电龙头地位稳固，2021Q1市占率超过50%。其他韩国三星、美国格罗方德、中国台湾联电等企业市占率较高。封装测试：封装测试行业2020年CR10为83.98%，行业高度集中。主要有中国台湾日月光、美国Amkor、中国台湾PTI、新加坡联合科技等。半导体前道设备：美日企业优势大，该领域头部企业有荷兰ASML、美国AMAT、日本TEL、日本SCREEN、美国科天、韩国SEMES等。封测设备：封测设备市场同样高度向头部集中。测试设备方面，2019年日本爱德万与美国泰瑞达合计市占率达90%。封装设备方面，主要企业有日本Shinkawa、Kawasaki等。材料：在众多的细分半导体材料市场中，美日企业仍是主导。硅片方面，日本信越化学、日本SUMCO、德国Siltronic、韩国LG为主要企业；靶材方面，日本JX日矿金属、美国霍尼韦尔为头部企业；CMP抛光材料方面，美国陶氏化学、日本Fujimi、日本HinomotoKenmazai是龙头企业；光刻胶方面，日本JSR、日本信越化学、美国陶氏化学是头部企业；电子特种气体方面，美国空气化工、美国普莱克斯。日本大阳日酸等为龙头企业；光掩模方面，美国Photronics、日本DNP、日本Toppan占据了市场超过80%的份额。2.3.3.中国大陆半导体产业链：逐渐追赶，未来可期中国大陆半导体产业链处在追赶世界一流水平的过程中，晶圆制造&封装测试领域已经出现了接近世界一流水平的企业；芯片设计&半导体设备的部分领域取得一定进展；材料方面距离世界头部企业差距较大，许多细分市场仍是空白。芯片设计：主要有韦尔股份、汇顶科技、卓胜微、圣邦股份、思瑞浦等。晶圆制造：主要有中芯国际、华虹半导体、晶合集成、华润微等，其中中芯国际已具备14nm量产能力。封装测试：主要有长电科技、通富微电等。前道设备：主要有北方华创、拓荆、中微、芯源微、至纯科技、盛美半导体等。封测设备：主要有华峰测控（测试机）、长川科技（测试机、分选机、探针台）。材料：主要有沪硅产业（硅片）