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芯片国产化深度报告!设备、零部件、材料纷纷走上快车道

据 SIA数据,全球半导体 6 月销售额较平稳,6 月销售额 508.2 亿美元;二季度全球芯片销售额为 1525 亿美元,同比+13.3%,环比+0.5%。据 Gartner,由于持续的云基础设施投资,来自数据中心市场的半导体收入将在更长的时间内保持弹性,预计 2022 年增长 20%;另外,由于单车含硅量随电气化及智能化提升,汽车半导体行业也将在未来三年内实现两位数增长。

本期的智能内参,我们推荐国盛证券的报告《国产替代 2.0:新兴需求崛起》,从设备、部件和材料三方面分析半导体的的国产替代趋势。

来源 国盛证券

原标题:

《国产替代 2.0:新兴需求崛起》

作者: 郑震湘 佘凌星

一、半导体设备:世界最大市场,国产替代加速

根据集微网统计,2020~2022 年国内晶圆厂总投资金额分别约 1500/1400/1200 亿元,其中内资晶圆厂投资金额约1000/1200/1100 亿元。2020~2022 年国内晶圆厂投资额将是历史上最高的三年,且未来还有新增项目的可能。

▲国内晶圆厂投资规模(亿元)(2020~2022 年为预测数据)

生产效率及降低成本因素推动下,全球 8 寸扩产放缓,12 寸晶圆厂扩产如火如荼。2020 年以来,国内 12 寸晶圆厂遍地开花,除中芯国际外,闻泰、格科微、海芯等公司纷纷计划建设 12 寸晶圆厂,粤芯半导体、华虹无锡等 12 英寸生产线陆续建成投产。

根据 SEMI,2019 年至 2024 年,全球至少新增 38 个 12 寸晶圆厂,其中中国台湾 11 个,中国大陆 8 个,到 2024 年,中国 12 寸晶圆产能将占全球约 20%。大量晶圆厂的扩建、投产,将带动对上游半导体设备的需求提升,更有望为国产化设备打开发展空间。

中芯国际 2021 年资本开支维持高位,达到 45 亿美金(大部分用于扩成熟制程,尤其是 8 寸数量扩 4.5 万片/月),预计 2022 年达到 50 亿美金。华虹 2021 年全年资本开支 9.39 亿美金,其中 8.39 亿美金用于 12 英寸扩产,0.99 亿美金用于 8 英寸产能。

公司 2022 年规划资本开支超过 15 亿美金,其中 12 寸产能从 65K 增加到 95K,资本开支预计 14 亿美金,8 寸厂升级提升效率,预计开支约 1.8亿美金。根据公司 2022Q1 法说会,华虹无锡二期规划开始进行,技术上延展特色工艺平台,相关工作在抓紧推进中。

合肥长鑫从 19nm 向 17nm 转移,加速技术提升,在北京设厂进一步扩产。长江存储 2019 年开始量产 64 层 3DNAND,2020年 4 月发布 128 层 3DNAND,2022 年 8 月正式推出基于 Xtacking3.0 技术的第四代 TLC三维闪存 X3-9070,相比上一代产品,存储密度更高,I/O 速度更快,高达 2400MT/s,提升 50%,并采用 6-plane 设计,在性能提升超过 50%的情况下,功耗降低 25%。此次新品推出,公司加速追赶步伐,进一步缩小与海外龙头差距。

长江存储二期合计规划产能 30 万片/月,合肥长鑫规划三期产能,全部投产后达到 36 万片/月。长江存储、合肥长鑫作为国内存储产业发展重镇,在打开存储产业国产替代局面中具有重要作用。并且国内的存储产业对于半导体设备及材料都将具有重要的拉动作用。

根据SEMI,2021 年半导体设备销售额 1026 亿美元,同比激增 44%,全年销售额创历史新高。大陆设备市场在 2013 年之前占全球比重为 10%以内,2014~2017 年提升至 10~20%,2018年之后保持在 20%以上,份额呈逐年上行趋势。2020-2021 年,国内晶圆厂投建、半导体行业加大投入,大陆半导体设备市场规模首次在市场全球排首位,2021 达到 296.2 亿美元,同比增长 58%,占比 28.9%。展望 2022 年,存储需求复苏,韩国预计将领跑全球,但大陆设备市场规模有望保持较高比重。

▲全球半导体设备季度销售额(亿美元)

目前,国内国产化逐渐起航,从 0 到 1 的过程基本完成。北方华创产品布局广泛,刻蚀机、PVD、CVD、氧化/扩散炉、退火炉、清洗机、ALD 等设备新产品市场导入节奏加快,产品工艺覆盖率及客户渗透率进一步提高,在集成电路领域主流生产线实现批量销售,产品加速迭代;第三代半导体、新型显示、光伏设备产品线进一步拓宽,出货量实现较快增长。

拓荆科技作为国内唯一一家产业化应用 PECVD 和 SACVD 设备的供应商,PECVD累计发货 150 台,广泛用于中芯国际、华虹集团、长江存储、合肥长鑫、厦门联芯、燕东微电子等国内主流晶圆厂,PEALD 已实现销售;

中微公司介质刻蚀机已经打入 5nm 制程,新款用于高性能 Mini-LED 量产的 MOCVD 设备 UniMax 2022Q1 订单已超 180 腔;

芯源微前道涂胶显影设备在 28nm 及以上多项技术及高产能结构方面取得进展,并实现多种核心零部件的国产替代,公司前道物理清洗设备已经达到国际先进水平并成功实现国产替代,新签订单结构中前道产品占比大幅提升;

华海清科 CMP 设备在逻辑芯片、3DNAND、DRAM 制造等领域的工艺技术水平已分别突破至 14nm、128 层、1X/1Ynm,到2021 年底,公司 CMP 设备累计出货超过 140 台,未发出产品的在手订单超 70 台。

Mattson(屹唐半导体)在去胶设备市占率全球第二;盛美半导体单片清洗机在海力士、长存、SMIC 等产线量产。精测电子、上海睿励在测量领域突破国外垄断。

▲国产设备替代进程

从国内晶圆厂招投标情况,设备各个环节均有突破进展。华虹无锡 2022 年上半年招标刻蚀设备 49 台,其中 Lam 中标26 台,TEL 中标 5 台,中微公司中标 13 台,北方华创中标 4 台。中微公司中标的 13 台具体为氧化膜等离子体刻蚀机 8 台,钝化膜等离子体刻蚀机 3 台,氮化硅等离子体刻蚀机 2 台;北风华创分别中标多晶栅等离子体刻蚀机 2 台和有源区等离子体刻蚀机 2 台。

▲华虹无锡 2022 年上半年刻蚀设备采购情况(台)

积塔 2022H1 招标刻蚀设备 29 台,其中北方华创中标 13 台,中微公司中标 8 台,TEL中标 3 台,Lam 中标 2 台。北方华创中标的 13 台设备分别为金属等离子刻蚀机 7 台,多晶硅刻蚀机 5 台,铝刻蚀机 1 台。中微公司中标 7 台钝化层等离子刻蚀机,1 台通孔深隔离槽钝化层介质层刻蚀机。

从长江存储的中标信息看,截至 2021 年底,长江存储共招标刻蚀设备 452 台,其中 Lam236 台,TEL 61 台,中微公司 59 台,应用材料 38 台,北方华创 26 台,SCREEN 13 台,屹唐半导体 11 台。北方华创在刻蚀领域布局集中于硅刻蚀,设备品类对标 Lam,仍具有较大潜力空间。

以 Lam Research 为例,在长江存储的 Nand Flash 产线上,仅仅刻蚀机一个品类,供应的设备量接近 40 种不同工艺环节,其中多数工艺环节设备具有独占性,尤其是刻蚀高深宽比的深孔、深沟等环节工艺。中微公司刻蚀设备种类范围较多,主要布局介质刻蚀领域,北方华创在刻蚀领域布局集中于硅刻蚀,设备品类对标 Lam,仍具有较大潜力空间。

▲Lam Research、北方华创、中微公司中标长江存储的刻蚀机台种类及数量(台)

华虹无锡 2022 年上半年招标薄膜沉积设备 60 台,其中应用材料 26 台,Lam 中标 26 台,北方华创中标 3 台,拓荆科技 3 台,ASM America 2 台。北方华创中标的 3 台具体为 PVD(钛、氮化钛、氮化钽和铝铜)1 台、金属氮化钛溅射掩膜层设备 2 台;拓荆科技中标的 3 台均为 PECVD 设备,分别是 PECVD(后段以硅烷作反应物的二氧化硅)2 台以及 PECVD(后段以硅烷作反应物的氮化硅)1 台。

积塔 2022H1 招标刻蚀设备 55 台,其中 TEL 13 台,拓荆科技 11 台,应用材料 7 台,ASM 7 台,北方华创 6 台,中国台湾旭宇腾 6 台,Lam 3 台。拓荆科技中标的 11 台PECVD 设备分别为 8 台二氧化硅/氮化硅/氟化硅/氮氧化硅 PECVD 及 3 台二氧化硅PECVD;北方华创中标的 6 台设备包括 5 台铝铜金属溅射、厚铝铜金属溅射设备。

长江存储截至 2021 年底共招标薄膜沉积设备 779 台,其中 TEL 212 台,应用材料 181台,Lam 177 台,日本国际计测器株式会社(KOKUSAI)150 台,日立国际电气 20 台,拓荆科技 18 台,北方华创 15 台, ASM 5 台。

根据招标网的数据统计,华虹无锡 2022 年上半年招标化学机械抛光设备 15 台,其中应用材料中标 12 台,华海清科中标 3 台。应用材料中标的 10 台具体为铜金属层化学机械抛光设备 7 台,浅沟槽绝缘氧化膜化学机械抛光设备 2 台,多晶硅膜化学机械抛光设备2 台,硅化学机械抛光设备 1 台;华海清科分别中标铜金属层化学机械抛光设备 2 台,钨金属层化学机械抛光设备 1 台。

积塔半导体 2022 年 1-5 月招标的化学机械抛光设备总共 6 台,其中华海清科 5 台,应用材料 1 台。华海清科中标的 4 台为钨金属层化学机械抛光设备,1 台为二氧化硅化学机械抛光设备。应用材料中标了 1 台铜金属层化学剂型抛光设备。

长江存储截至 2021 年底共招标化学机械抛光设备 112 台,其中华海清科中标 34 台,应用材料中标 73 台。分具体产品来看,华海清科中标的设备中,氧化硅化学机械抛光机 9台,层间介质层化学机械抛光机 6 台,晶圆硅面化学机械抛光机 6 台。应用材料中标的设备包括铜化学机械抛光机 23 台,前段钨化学机械抛光机 16 台等。

根据招标网的数据统计,华虹无锡 2022 年上半年招标清洗/去胶设备 45 台,其中SCREEN中标 15 台,盛美半导体中标 10 台,屹唐半导体中标 8 台,Lam 中标 6 台,TEL 中标 5台,至纯科技中标 1 台。盛美半导体中标的 10 台设备种类较为丰富,包括铜线聚合体剥离设备、光刻胶剥离设备等,屹唐半导体 8 台设备均为等离子去胶机,至纯科技中标的1 台设备为后段挡控片清洗设备。

华虹无锡 2022 年上半年招标涂胶显影设备 9 台,均采购于 TEL,包括 ArF 涂胶显影机 2 台,KrF 涂胶显影机 2 台,I 线涂胶显影机 3 台,聚酰亚胺涂胶显影机及涂胶机 2 台。长江存储截至 2021 年底共招标涂胶显影设备 45台,其中 TEL 4 台,SCREEN 1 台。积塔 2022H1 招标涂胶显影设备 12 台,其中 TEL 3台,芯源微中标 2 台,分别为抗反射层涂胶机和聚合物涂胶显影机,上海向盈中标 4 台紫外线烘烤机,合肥开悦中标了 2 台涂胶显影机。

根据招标网的数据统计,华虹无锡 2022 年上半年招标离子注入设备 18 台,其中 Sumitomo(住友商事)中标 8 台(7 台中电流离子注入设备),应用材料中标 7 台(均为高电流离子注入设备),亚舍立 2 台(分别为超高电流离子注入设备和高能量离子注入设备),北京烁科中科信 1 台,烁科中标的为中电流离子注入设备。积塔 2022H1 招标离子注入设备 12 台,其中亚舍立 10 台,应用材料 2 台。长江存储截至 2021 年底共招标涂胶显影设备 54 台,其中应用材料 44 台,亚舍立 8 台,中国台湾汉辰科技 2 台。

根据公开招投标信息统计,截止 2021 年底,长江存储项目累计中标过程控制类设备约 376 台,其中国产设备累计约 16 台。上海精测中标 6 台集成式膜厚设备;中科飞测中标 1 台晶圆表面凹陷检测系统、5 台光学表面三维形貌量测设备、2 台其他量测设备;睿励科学中标 2 台介质薄膜测量系统。KLA 的设备机台数量占总数量约 26%,中标数量约 97 台,覆盖超过30 种量测、检测需求。

▲国内龙头存储晶圆厂中标过程控制设备市占率分布

▲国内龙头存储晶圆厂中标过程控制设备 KLA 中标机台情况(台数)

根据招标网的数据统计,华虹无锡 2022 年上半年招标测试设备 57 台,其中 TEL 中标20 台(19 台测试探针台),是德科技中标 8 台,DISCO 中标 4 台,广立微中标 3 台,均为高性能并行电特性测试仪。积塔 2022H1 招标测试设备 16 台, TEL 9 台,上海友能4 台背面工艺测试测试机。

设备行业核心公司(北方华创、芯源微、华峰测控、中微公司、新益昌、长川科技、万业企业、精测电子、至纯科技,拓荆科技、华海清科及盛美上海由于 2020 年数据不完整未被算入)2022Q1营业收入总计76.2亿元,同比增长55.3%;扣非归母净利润11.4亿元,同比增长83.0%。设备行业持续处于高速增长,国产替代空间快速打开,国内核心设备公司成长可期。

▲设备核心公司营业收入及归母净利润(亿元)

二、半导体零部件:供不应求,市场空间超200亿美金

根据韩国 etnews 报道,半导体设备需求激增与上游零部件扩产不足的矛盾形成了瓶颈。半导体设备先进部件的交货期与通常相比延迟了两倍以上,由原来的通常 2-3 个月拉长至超过 6 个月。美国、日本和德国生产的先进零部件交期延长尤为严重,如高级传感器、精密温度计、控制设备的 MCU 和电力线通信(PLC)设备。其中 PLC 设备的交期已经被延迟到超过 12 个月。出现这种情况的原因主要是零部件厂商通常重资产,扩产速度相对半导体设备厂商较慢。

海外半导体研究机构 VLSI 将全球半导体零部件主要分为两大类,一大类是半导体关键子系统(Critical Subsystems),主要包括真空系统(Vacuum)、电源系统(Power)、流量控制(Fluid)、光学系统(Optical Subsystems)、晶圆传递(Wafer Robotics)、热量管理(Thermal)等,另一大类是关键零部件(Critical Components),包括静电卡盘、陶瓷件等,根据 VLSI,2020 年全球半导体零部件关键子系统市场规模超过 122 亿美金,预计 2021 年同比再增长 7%达到约130 亿美金。VLSI 测算关键子系统市场规模在 120 亿美金左右的同时,认为关键零部件市场规模在 70 亿美金,若同样按照 7%增速测算,2021 年关键零部件市场规模预计为75 亿美金。

由于 VSLI 数据为 2020 年底预测数据,实际上根据 SEMI,全球半导体设备市场规模 2021年同比增长 44%,若按照与设备市场同样的增速测算,2021 年半导体关键子系统的需求在 122*1.44=175.7 亿美金,关键零部件市场需求在 70*1.44=100.8 亿美金,合计市场规模或超过 275 亿美金。

根据芯谋研究,2020 年中国大陆晶圆厂 8 英寸和 12 英寸前道设备零部件采购金额超过 10 亿美金。其中不含海外厂商在国内的产线,中国内资晶圆厂采购金额约 4.3 亿美金。中国晶圆厂采购的设备零部件主要包括石英(Quartz)、射频发生器(RF Generator)、各种泵(Pump)等,分别占零部件采购金额的比重≥10%。此外各种阀门(Valve)、吸盘(Chuck)、反应腔喷淋头(Shower Head)、边缘环(Edge Ring)等零部件的采购占比也较高。

如果以 2020 年全球 192 亿美金的市场规模为基础,中国的 10 亿美金采购额占全球的不到 5%,主要是因为国内设备厂商正处于持续研发突破,产品初步起量阶段,也因此随着国产设备厂商的放量,未来国内零部件需求预计会快速增长。

▲2020 年中国晶圆厂商采购的 8-12 寸晶圆设备前道零部件产品结构

2000-2010 年伴随收购并购,行业持续整合,全球关键子系统前十大厂商的合计份额逐步提升,2010年以来前十大家的份额始终维持在 50%左右的水平。2020 年,蔡司仍占据第一位置,受益于对射频电源子系统的强劲需求,MKS 超过 Edwards 跃居第二。

▲2020 年全球前十大关键子系统供应商

▲全球前十大半导体零部件厂商营收

国产零部件厂商持续突破,加速替代。富创精密工艺零部件已应用于 7nm 制程半导体设备;江丰电子与国内主流设备厂达成战略合作,2021 年半导体零部件营收 1.84 亿元;

华亚智能精密金属结构件已通过海外龙头设备厂商的一级供应商初步认证以及二级供应商认证;神工股份布局硅电极材料,打开市场空间;

万业企业旗下 Compart Systems 是全球领先的集成电路气体输送系统领域精密零组件及流量控制解决方案供应商;

华卓精科联手清华大学,布局超精密测控装备部件及光刻机双工台模块;

新莱应材深耕高洁净应用材料,产品特殊工艺和生产标准通过应材认证并成为其一级供应商;

先锋半导体 获中微公司投资,表面处理等特种工艺及检测尺寸检测积累丰富;

英杰电气正积极推进射频电源行业相关应用,属于进口替代类型产品,可运用于半导体设备以及光伏电池行业;

汉钟精机半导体用真空泵顺利通过上海市真空学会科技成果评价,其半导体用真空泵已向国内晶圆厂实现小批量供货;国力股份在半导体设备制造领域主要要生产用于半导体设备中射频电源的陶瓷真空电容器及陶瓷高压真空继电器。

三、半导体材料:晶圆厂持续扩产,材料拐点已至

2021 年半导体市场规模超预期增长,且未来随着晶圆厂逐步投产,行业产值有望在2030 年超过万亿美元市场。从需求端来看,以汽车、工业、物联网、5G 通讯等代表的需求驱动驱动全球半导体产业进入“第四次半导体硅含量提升周期”。根据 SEMI,2021年全球半导体产值有望超过 5500 亿美元,达到历史新高,且在 2022 年根据 SEMI 对于行业资讯机构的统计,平均对于 2022 年的增长预期将达到 9.5%,即 2022 年市场规模有望突破 6000 亿美元(此为平均值)。

此外随着全球 8 寸及 12 寸晶圆新产能逐步的在2022 年至 2024 年的投放,至 2024 年全球将会有 25 家 8 寸晶圆厂投产,60 座 12 寸晶圆厂投放。随着该 85 座晶圆厂的投放,至 2030 年全球半导体晶圆市场将有望达到万亿美元市场,实现年复合增长率约 7%。

2021 年全球半导体材料市场规模创新高,中国大陆需求占比 18.6%。根据 SEMI,强劲的下游需求及晶圆产能的扩张驱动2021 年全球半导体材料市场规模同比增长 15.9%达到 643 亿美金新高。其中晶圆制造材料和封装材料市场规模分别为 404 亿美金和 239亿美金,同比增长 15.5%和 16.5%。

晶圆制造环节中的硅片、化学品、CMP 和光掩膜环节是增速最快的几大领域,而硅片也是晶圆制造中成本占比最高的环节,市场规模超过130 亿美金。由于半导体芯片存在较大的价格波动,但是作为上游原材料的价格相对较为稳定,因此半导体材料可以被誉为半导体行业中剔除价格影响最好的参考指标之一。

▲全球半导体材料市场规模

▲封装及晶圆制造材料市场规模

在半导体原材料领域,集成电路技术发展到微纳电子制造的物理极限,单独依靠特征尺寸缩小已不足以实现技术发展目标。新材料的引入以及相应的新材料技术与微纳制造技术相结合共同推动着集成电路不断发展。集成电路制造工艺用到元素已经从 12 种增加到 61 种。伴随微纳制造工艺不断发展,对材料的纯度,纳米精度尺寸控制、材料的功能性等都提出了严苛的需求。

在全球半导体材料的需求格局之中,中国大陆从 2011 年的 10%的需求占比,至 2021 年已经达到占据全球需求总量的 18.6%,仅次于中国台湾(22.9%),位列全球第二。随着整个半导体产业的持续增长,以及中国大陆不断新建的代工产能,我们有望看到中国大陆半导体市场规模增速将会持续超越全球增速的同时,攀登至全球需求第一的宝座。

▲2021 年半导体材料市场按地域分布

随着半导体市场晶圆代工的持续扩产,对于晶圆制造中不可缺失的基础材料将会有着非常大的需求拉动,而在此阶段我们可以看到随着技术及工艺的推进以及中国电子产业链逐步的完善,在材料领域已经开始涌现出各类已经进入批量生产及供应的厂商。

▲半导体材料公司在电子材料业务领域营收情况(亿元)

▲当前部分 A 股半导体材料公司在细分领域的进展及后续规划(研发费用为 2021 年数字,亿元)

智东西认为,近期美国芯片法案进一步加大了对中国半导体产业的遏制,范围从先进制程扩大到成熟制程。而中国要实现芯片的弯道超车,在无法从先进制程上突破时,只能从封装技术、构架、材料三方面入手,提高成熟制程的效率,具体受益方向包括但不限于半导体材料、半导体设备等。

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