电子行业走进“芯”时代系列深度之四十“半导体前道设备”：2021年前道设备，再迎新黄金时代

孙远峰/熊军/王海维/王臣复SAC NO:S11205190800052021年6月10日请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明仅供机构投资者使用证券研究报告华西电子团队—走进“芯”时代系列深度之四十“半导体前道设备”2021年前道设备，再迎新黄金时代 核心结论1.中国大陆Fab厂密集扩产，多重因素综合导致2021年开始，前道设备国产商迎来新机遇•半导体行业存在“一代设备，一代工艺，一代产品”，5G/IoT/AI等新技术兴起，促使半导体设备出现新一代设备更换需求。2020-2021年中国大陆Fab持续扩产，中国半导体设备市场规模达超2千亿元。目前许多国产半导体设备公司订单爆满，产品交货期普遍延长。2.前道设备行业价值量大且集中度高，光刻/刻蚀/CVD三项设备市场规模最大•前道设备行业价值量大且集中度高，一条Fab中70%的资本支出都用于购买前道设备，属于资金/人才/技术密集的行业，技术领先是行业竞争的关键。前道设备竞争格局为寡头垄断，行业领先者享有大部分利润，全球前五大半导体设备商占市场份额70%。前道设备共有九种设备，覆盖八类工艺，是将晶圆制成芯片的关键，前道三大设备为光刻、刻蚀和CVD沉积，市场规模分别为640亿元，770亿元、610亿元。PVD/清洗/量测设备市场规模位于第二梯次，市场规模分别为240亿元、250亿元、480亿元。3.国产设备商技术逐渐成熟，国内增存量替代空间大•新时期，我们判断设备供应商的产业价值，需要综合考虑：填补研发空白参与度、本土产能扩容配合度、设备选型广泛度、以及设备所需核心零部件供应链稳定度和掌控度，等等•目前中国半导体国产设备自给率仅约12%，其中前道设备中含金量最高的关键九类设备的国产化率皆<10%，甚至在高端工艺中的国产化率近乎为0。国产前道设备商还有极大的增长空间，前道设备也已成为国家的重点扶持方向。目前国产九类前道设备技术逐渐成熟，多数达14nm先进制程，其中国产商最具潜力的领域包括刻蚀、CVD、PVD、清洗、量测等，国内增存量替代空间大。•核心受益：北方华创（炉式设备、刻蚀设备、CVD设备、PVD薄膜沉积设备、清洗设备）、晶盛机电（晶圆制造设备）、中微公司（刻蚀设备、CVD设备）、华峰测控（模拟&射频检测）•产业受益：屹唐半导体（炉式设备) 、上海微电子（光刻机）、沈阳拓荆（CVD设备）、中科信（离子注入机）、华海清科（CMP研磨设备）、盛美半导体（清洗设备）、上海睿励（量测设备）、精测电子（量测设备）、中科飞测（量测设备）•风险提示：半导体需求低于预期、本土化配套进展低于预期、行业竞争加剧等风险、系统性风险 •半导体前道设备的价值为何？•国产前道设备商迎来机遇——国内下游制造密集扩产、国产设备技术成熟•九类前道设备——国产商最具潜力的领域：刻蚀、CVD、PVD、清洗、量测•一、光刻机：技术最难的曝光工艺，完成芯片设计图形转移•二、刻蚀设备：多重图形刻蚀工艺，雕塑芯片往10nm以下微缩•三、CVD设备：多重图形沉积工艺，堆叠芯片多层结构•四、PVD设备：金属化沉积工艺，实现芯片导线互连•五、离子注入设备：离子掺杂工艺，激活芯片生命力•六、CMP研磨设备：化学机械抛光工艺，芯片结构平整化•七、炉式设备：热处理工艺，芯片的氧化/扩散/退火•八、清洗设备：清除各种污染物，提升芯片良率•九、量测设备：优化各前道制程工艺，提升芯片良率•重点推荐：国产前道设备标的3目录 4•半导体前道设备全产业链梳理•前道九类设备在Fab总投资额中占比80%•前道九类设备：分别应用于芯片制程中最复杂的八种工艺•前道三大关键设备：多重图形工艺下光刻、刻蚀、CVD设备价值量增幅最大•前道设备价值增加：摩尔定律十年内不会消失，SiP结合SoC延续技术革新•鳍式电晶体FET：实现芯片制程向7nm以下微缩的关键技术•3D芯片制造技术：从设计实现高集成度三维结构芯片•系统性封装技术：从封装实现集成各类芯片关键技术•每代Fab中前道设备资本支出平均提升30%，未来五年持续增加•前道设备市场不断变大:芯片制造的材料/结构/工艺趋向复杂•前道设备向先进制程转移：是未来发展必然趋势，台积电7nm/5nm领航•前道设备被龙头企业垄断，技术革新过程中行业集中度升高目录 5前道设备:用于IC制造的半导体设备,主要用于集成电路领域资料来源：World Semiconductor Trade Statistics (WSTS) 、华西证券研究所半导体材料IP及设计服务半导体设备IC设计DesignIC制造Fab(前道)IC封测(后道)前道设备Front End后道设备Back End集成电路分立器件光电子传感器上游支撑中游制造下游应用83.90%8.10%5.10%2.90%集成电路光电子器件分立器件传感器40.17%27.79%17.10%14.95%存储芯片逻辑芯片微处理器模拟芯片半导体全产业链：设计—制造（前道）—封装（后道）半导体下游主要应用为集成电路(2018)单位：%集成电路细分领域(2018)单位：%前道设备是用于芯片制造的核心设备，没有前道设备就没有芯片，是半导体产业链的关键支撑，其中又以集成电路为主要应用领域。 6半导体设备半导体IC制造电子系统软件、网络、电商、大数据等应用市场规模近6千亿美元2020年市场规模608亿美元市场规模近几十万亿美元市场规模近几万亿美元前道设备：行业价值量大且集中度高，占Fab资本支出的70% 70%30%全球前五大半导体设备公司其他 半导体设备支撑10倍大的芯片制造产业，具有重要放大作用前道设备在Fab厂中资本支出占比70%（2018）全球前五大半导体设备商占市场份额70%（2018）前道设备的价值量极高，一条Fab的资本支出中，70%用于购买前道制造设备，且前道设备的平均毛利率高（约50%）。•前道设备属于资金/人才/技术密集的行业，技术领先是行业竞争关键。根据SEMI数据，2020年全球半导体设备产值为608亿美元。前道设备在产业链中属于轻资产的技术密集型行业。技术领先的设备才能生产出先进制程的芯片，因此技术是垄断市场的关键。•前道设备竞争格局寡头垄断，行业领先者享有大部分利润：近年来芯片制造工艺已经发展至14nm以下的先进制程，对于前道设备的技术门槛要求很高，全球前五大设备企业占市场份额70%，形成寡头垄断的市场格局，行业中少数的企业享有大部分的市场利润。单位：%单位：% 70%10%17%3%前道设备封测设备厂房其他 7前道设备：九种设备覆盖八类工艺，是将晶圆制成芯片关键拉单晶磨外圆切片倒角削磨/研磨CMP粗抛单晶硅片制造制造(前道工艺)氧化退火CVD沉积光刻曝光刻蚀CMP抛光清洗离子注入PVD镀膜封测(后道工艺)重复数十次：通过前道量测设备（反复控制工艺质量）二氧化硅(70%)投资额占比晶圆切割引线键合晶圆检测背面减薄模塑封装成型装箱 Fab 8前道九类设备：光刻/刻蚀/CVD三项设备市场规模最大CVD化学气相沉积设备24%19%610亿元770亿元•国外厂商：LAM、TEL、AMAT•国内厂商：中微公司、北方华创•国外厂商：AMAT 、LAM、TEL•国内厂商：沈阳拓荆 刻蚀设备炉式设备3%120亿元•国外厂商：AMAT、TEL、日立•国内厂商：北方华创20%640亿元•国外厂商：ASML、Canon、Nikon•国内厂商：上海微电子光刻机设备种类图示前道设备中市场份额(%)全球每年市场规模国际和国内主要厂商•各种材质薄膜生长工艺•通过化学反应将气体物质沉积在硅片上形成薄膜•前驱气体、惰性气体•各种材质刻蚀工艺•干法刻蚀通过电浆将光刻胶上的图形转移至硅片上•靶材、氧气、惰性气体•氧化/扩散/退火工艺•提供硅片氧化退火处理以达到要求的氧化环境•硅片、氧气惰性气体等•曝光工艺•将掩模版上图形通过曝光/显影转移至光刻胶衬底上•光刻胶、惰性气体等具体工艺/涉及材料 9CMP研磨设备离子注入设备前道九类设备：PVD/清洗/量测设备市场规模位于第二梯次4%7%3%12%•离子参杂工艺•对刻蚀好的硅片进行离子参杂，激活芯片•特殊气体等•国外厂商：AMAT、Axcelis•国内厂商：中科信•表面研磨抛光工艺•通过机械和化学研磨作用实现硅片导线平整化•抛光液、抛光垫等•国外厂商：AMAT、Ebara•国内厂商：华海清科•清洗工艺•通过湿法清洗降低硅片各制程的交叉污染风险•水和各种化学液体等•国外厂商：Screen、LAM、SEMES、TEL•国内厂商：盛美半导体、至纯科技•检测、量测工艺•非制造用设备，但是重要性高，通过各制程的反复检测提升芯片最终良率•国外厂商：KLA、AMAT、日立•国内厂商：上海睿励、精测电子、中科飞测 清洗设备前道量测设备设备种类图示前道设备中市场份额(%)具体工艺/涉及材料•溅镀沉积/金属化工艺•通过物理反应将靶材溅射沉积在硅片上形成薄膜•靶材、氧气、惰性气体国际和国内主要厂商PVD物理气相沉积设备6%•国外厂商：AMAT、Evatec、Ulvac•国内厂商：北方华创（保障前道工艺质量）全球每年市场规模108亿元240亿元120亿元250亿元480亿元 10前道三大关键设备:光刻/刻蚀/CVD沉积，决定芯片技术节点CVD沉积/氧化刻蚀光刻循环数十次通过检测设备确保厚度、尺寸显影CMP抛光涂胶/烘烤离子注入1231.薄膜沉积：在晶圆上长一层待刻蚀薄膜2.涂胶：涂抹光刻胶3.光刻：将图形从掩模版转移至光刻胶上4.显影：去除经曝光的光刻胶5.刻蚀：将图形从光刻胶转移至晶圆形成芯片6.去胶：去除剩余光刻胶 先进制程芯片必须采用”多重图形工艺”反复循环“光刻、刻蚀、薄膜沉积”三项工艺，完成图形转移至芯片和缩小芯片线距。•图形转移至芯片的制程如下：（1）薄膜沉积工艺（CVD/氧化）在晶圆上沉积一层待处理的薄膜。(2)光刻工艺：把光刻胶涂抹在薄膜上，再通过曝光光刻和显影将光罩上的图形转移至光刻胶（3）刻蚀工艺：刻蚀晶圆上未被光刻胶覆盖的区域，将光刻胶上的图形转移到晶圆商。最后去除光刻胶后，即完成图形从光罩到晶圆的转移。•先进制程采用多重图形工艺，实现芯片微缩：芯片的先进制程总共需要数十层掩模版和数百道的刻蚀和薄膜沉积工艺。在紫外光波长只有193nm的情况下，为了使得芯片达到14nm以下的线距，需通过反复循环刻蚀和薄膜沉积，逐层将掩膜板上的细微结构图形转移到晶圆上。•多重图形工艺中，光刻/刻蚀/CVD工艺的步骤数量比例大致为1：4：2。因此，刻蚀和CVD的工艺用量提升最多，光刻则是单次工艺的成本最高多重图形工艺关键：仰赖于光刻/刻蚀/薄膜沉积循环微缩制程光刻/刻蚀/薄膜沉积的制程细项流程 11光刻/刻蚀/CVD设备：芯片制程微缩趋势下，价量提升最大-5%5%15%25%35%光刻设备刻蚀设备CVD设备前道量测设备CMP/清洗设备其他设备Photolitho光刻, 20%Etch刻蚀, 24%CVD设备, 19%PVD设备, 6%Ion 离子注入, 3%CMP研磨, 4%Wet清洗, 7%Diff立式炉, 3%前道量测设备, 12%其他设备, 3% 资料来源：IC Insight、华西证券研究所1381732763384621,10402004006008001,0001,20090nm65nm45nm32nm28nm7nm半导体产线投资成本应用领域逻辑电路技术节点40nm28nm20nm14nm10nm7nm5nm占头发丝直径全工艺步骤数--1000>1100>1400>1500>2000刻蚀工艺步骤数3540>50>60>110>140>150 半导体Fab的投资金额随着制程微缩大幅增加单位：亿元制程微缩：使得芯片制造难度、工艺步骤数量提升2017年前道设备价值占比：刻蚀、CVD提升最多（%）单位：%单位：%先进制程芯片的制造难度、工艺步骤数量提升—> Fab用于前道设备的投资金额大幅增加—>刻蚀、CVD设备的用量大幅增加，光刻设备单价显著提升。2018年前道制造设备价值占比：光刻/刻蚀/CVD为三大设备刻蚀光刻CVD 12资料来源：IC K