半导体行业深度报告：国产替代核心部件，百舸争流加速崛起

半导体零部件种类繁杂，构成百亿美元市场空间。半导体设备结构复杂，体积庞大，集成度高，由种类繁多的零部件组成，而有别于传统机械零部件，半导体零部件在材料、结构、工艺、品质、精度、可靠性、稳定性等各方面都面临更高的技术标准。按照结构组成，零部件可大致分为：机械类、电气类、机电一体类、气/液/真空系统类、仪器仪表类、光学类等，而每一个大类下又包含诸多子类。对于设备厂商而言，零部件采购往往占其营业成本的90%左右，据此我们推算，2021年半导体零部件全球市场高达500亿美元。如此庞大的市场，对于国内新兴厂商而言，存在着原料的性能要求高、后工序处理难度大、认证体系复杂，周期长、市场碎片化等诸多软实力考验和硬技术壁垒。 全球零部件市场：整体分散，局部垄断。由于细分品类的高度碎片化，并且不同零部件之间存在着较大的差异性和技术鸿沟，因此半导体零部件市场并未出现垄断型的大型供应商，各赛道的龙头供应商大多是专长于单一或少数品类。据芯谋研究数据，半导体零部件市场价值量较高的单品如泵、射频电源等占总市场比重不过10%，而据VLSI Research数据，近10年里，半导体零部件市场前十大供应商的市场份额总和稳定在50%左右。而与此同时，单一细分品类集中度往往高达80-90%，如气体系统领域的U Ct ，电源领域的MKS和AE、真空泵领域的Edwards等均在各自赛代占据较高份额，呈现出行业整体碎片化+局部高垄断的格局。 百舸争流，国产替代初具雏形。与国外龙头企业相较，国内厂商起步较晚，产品覆盖程度仍处在较低水平，如在金属机械类、气体管路类零部件领域已有国内厂商进入国际设备龙头供应链，但高端功能型零部件如仪表、阀门、电源等领域，仍缺具备规模的国产供应商。然而另一方面，我们认为零部件国产化的趋势已然确立，众多国产厂商在各个领域实现快速的国产化导入，如江丰电子（金属加工件）、新莱应材（真空与气体管阀零部件）、华亚智能（精密结构件）、万业企业（参股气体零部件龙头Compart）、英杰电气（射频电源）、富创精密（金属加工件和模组产品）、正帆科技（厂务设备和Gas Box）、汉钟精机（真空泵）、神工股份（硅部件）、华卓精科（精密测控系统）等，零部件国产化进程有望提速前行。 投资建议：半导体设备行业近年迎来快速增长，而上游零部件环节的自主可控需求日益强烈。伴随一批优秀国产供应商涌现，我们看好国内半导体零部件行业受益下游需求的持续增长和国产化加速。建议关注：江丰电子、新莱应材、华亚智能、万业企业（参股Compart）等优质标的。 风险提示：行业竞争加剧；下游行业周期性波动；产品验证不及预期。 重点公司盈利预测、估值与评级 1种类繁杂，半导体零部件成国产化新战场 1.1半导体设备是高集成的复杂系统 半导体设备结构复杂，体积庞大，集成度高，由种类繁多的零部件组成。而伴随半导体制造工艺的发展，对半导体设备提出了越来越苛刻的规格要求。半导体零部件因此在材料、结构、工艺、品质、精度、可靠性、稳定性等各方面面临更高的标准，有别于传统机械组件。 图1：半导体设备产业链上下游 以等离子体设备为例，围绕反应腔周围，分布着负责气体调配和供应的Gas Box和MFC模块，负责制造等离子体的射频电源模块，负责制造反应腔真空环境的真空模块（包含多种泵、阀等），以及多种监测压力、真空度等反应条件的仪器仪表等，共同构建了高集成度的晶圆制造设备。 图2：典型等离子体设备结构 半导体零部件的种类划分有多种标准，若按照结构组成，可大致分为：机械类、电气类、机电一体类、气/液/真空系统类、仪器仪表类、光学类等； 若按设备腔体内部流程和所实现的功能来区分，零部件可分为电源和射频控制类、气体输送类、真空控制类、温度控制类、传送装置类等； 按照半导体零部件材料体系来分又可以分为金属件、石英件、硅/碳化硅件、陶瓷件、石墨件、塑料件等； 按半导体零部件服务对象来分，又可以分为精密机加件和通用外购件。值得注意的是这两种类别亦代表了两种零部件生产模式，精密机加件通常由各个半导体设备公司的工程师自行设计，然后委外加工，如工艺腔室、传输腔室等，相对容易； 而通用外购件则是一些经过长时间验证，得到众多设备厂和制造厂广泛认可的通用零部件，更加具有标准化，会被不同的设备公司使用，也会被作为产线上的备件耗材来使用，例如硅结构件、0型密封圈(O—Ring)、阀门、规(Gauge)、泵、气体喷淋头(shower head)等，由于这类部件具备较强的通用性和一致性，并且需要得到设备、制造产线上的认证，因此壁垒相对较高。 表1：按功能性划分的半导体零部件种类 而不同的设备类型其所实现的功能不同，核心零部件的种类也有差异，以下我们将对不同设备的核心组件和其成本占比进行讨论。 1.1.1光刻设备 光刻机作为一种光学设备，其主要构成包括光学相关模块和运动相关模块，该两部分亦在光刻机BOM成本中占据较大比重，包括和光学相关的光源系统、透镜系统、浸没系统等，以及和精密运动相关的晶圆工作台、晶圆传输系统、圆模板工作台、掩膜版传输系统，以及维持内部工作环境的环境电气支持系统等。作为价值量最高的晶圆制造设备，光刻机零部件具有全球供应链特征。 图3：光刻机核心系统示意图 光学部分的核心部件为光源和透镜系统。光刻机所采用的光源主要为波长248nm 的KrF光源、波长 193nm 的ArF（干式/浸没式）光源和波长1 3.5nm 的EUV光源，业内主要供应商为美国Cymer，并由光刻机巨头ASML于2012年以25亿美元收购。透镜系统则是光源之外的另一重要环节，主要用于DUV的光学系统中，在EUV时代将由一系列高精度的反射镜系统取代，光刻机透镜组的业内主要供应商为德国光学仪器龙头蔡司。 图4：Cymer的Ar F- i光源 图5：ASMLAT 1100ArF光刻机的光学透镜系统 精密的运动系统亦为光刻机核心组件。当图案在晶圆上光刻成像时，需要将掩模版沿着一个狭窄的光缝平滑移动，每次只曝光图案的一小部分；同时，晶圆向相反的方向平稳移动，以捕捉整个图案，二者的运动必须完全同步，因此运动控制的精度至关重要。而在晶圆平台，由ASML主导了双工件台的设计，及同时移动两个晶圆平台，当一个晶圆平台在给晶圆进行曝光时，另一个平台可对下一片晶圆进行量测校正，其速度和精度直接决定了光刻机的生产效率和良率。 当前业内三大光刻机龙头厂商ASML、Nikon、Canon的工件台系统均由其自主设计，通过自产/代工形式自主供应而不对外销售。国内厂商华卓精科在此领域亦投入了较大研发，进行了产品验证工作。 图6：光刻机双工件台 1.1.2干法设备 等离子体设备包括PECVD、干法刻蚀、干法去胶等，在晶圆制造前道环节占据主导地位和主要价值量。据Gartner数据，2021年全球半导体设备市场，等离子体薄膜设备和干法刻蚀/去胶设备合计占设备市场总规模的31%，等离子体设备共有的等离子源、真空系统、气体系统、反应腔模组等组件因此有广泛应用，以下我们将分类讨论。 图7：典型干法刻蚀设备结构 晶圆传输结构包括前端的EFEM和后段的。设备前端的传送模块（EFEM，Equipment Front End Module），主要功能为将晶圆搬运至设备的腔，以及将完成加工的晶圆从腔搬出，其核心部件为一个大气机械手（Arobot，因其工作环境远离反应腔，为大气环境），业内主要供应商为日本RORZE、美国Brooks和国内的沈阳新松。不仅是等离子体薄膜/刻蚀设备，大多数单片加工的设备均有这一模块，如光刻机、单片清洗机、涂胶显影机、CMP等。 图8：晶圆传输系统（EFEM和V） 图9：EFEM结构 而设备后段的传输平腔（，transfermodule），其作用是连接EFEM和反应腔（PM），并承担晶圆传输的作用。在等离子体薄膜/刻蚀设备中，传输腔一般为真空环境（V，vaccumtransfermodule）。传输腔的主要组成包括腔体、中央的真空机械手、传输腔与反应腔连接处的门阀，以及各种真空密封件。 图10：传输腔 包含反应腔在内的工艺模块（PM，processmodule）则有着更为复杂的结构和功能。等离子体薄膜/刻蚀设备的工艺模块包括产生射频电压的射频发生器、外部供气模块（Gasbox、Gasline、MFC等）、创造真空环境的泵、阀、密封件、真空仪表等，以及反应腔。而反应腔内部又有承载晶圆的静电卡盘（E-chuck）、电极、气体喷淋头等零部件。 图11：典型PECVD工艺模块 1.1.3热处理设备 热处理设备，主要包括各类立式炉、卧式炉，主要用于氧化、退火等工艺，亦在晶圆制造过程中有广泛使用。炉管设备的主要零部件包括石英管、气体供应模块、温控模块，以及各类泵、阀、密封件等。 图12：卧式炉结构 1.1.4各类零部件价值量占比 经过上述讨论，不难看出机械类和电气类零部件为大多数半导体设备的主要组成部分，并广泛应用于各种设备类型。气/液/真空系统则依照设备的功能性不同而搭载。仪器仪表类亦有较强的通用性，但在设备BOM成本中占比相对低。而光学类零部件较为特殊，仅在光刻和量测类设备种有使用，但在这两类特定设备种有较高的价值量占比。 表2：不同零部件对应的设备种类和在其中的成本占比 通过比较国内三家代表性设备供应商，我们发现等干法设备（如拓荆科技的PECVD、屹唐股份的干法去胶和干法刻蚀设备）往往电气类和机电一体类零部件占比更高，二者的招股书最新报告期内电气类+机电一体类零部件占比分别达到39%和43%；而湿法设备（如华海清科的主业CMP设备）等没有真空反应腔，没有气体反应的设备，往往BOM成本中机械零部件的占比往往较高，华海清科2021年采购额中，机械零部件占比达67%。 图13：设备公司原材料采购额结构 1.2设备零部件百亿美元市场空间 作为半导体设备的主要成本构成，半导体设备零部件亦有百亿美元级别的市场空间。 近年来，全球半导体设备市场规模逐步扩张。据WSTS统计，2010年到2020年，全球半导体产品市场规模从2,983亿美元迅速提升至4,404亿美元，预计到2030年，全球半导体市场规模有望达到万亿美元。半导体设备的市场景气度与半导体市场规模高度相关。根据SEMI统计，全球半导体设备销售规模从2010年395亿美元增长到2021年的1026亿美元，其中中国大陆市场296亿美元。SEMI预计到2022年将进一步增长15%至1,175亿美元。 图14：半导体设备全球市场规模 设备市场的快速增长带动设备零部件需求。据我们统计，国内半导体设备上市公司年度营业成本中，材料采购成本占比约在85-95%，而毛利率约在38-45%左右（即成本率55-62%），可推算材料采购成本约为公司当年营收的50%左右。 据此我们推算，2021年全球半导体设备市场1025亿美元对应500亿美元左右的零部件采购额，中国大陆市场296亿美元设备市场对应零部件市场约150亿美元。 表3：国内半导体设备厂商营业成本中材料支出及占比情况 1.3国产化突破的五重难点 半导体设备零部件的种类繁多，其中机械类属于应用最广的品类，我国在其主要产品技术方面已实现突破和国产替代。其他种类的产品也在不断实现技术突破，但产品稳定性与一致性仍与国际先进水平存在差距，并且在高端先进制程应用中的国产化率更低、突破难度更高，国产化进程仍面临诸多难点。 （1）对原料的性能要求高 我国机械加工产业成熟，但材料产业基础较为薄弱，具体指标尚待精进。如精密陶瓷件对原料关键指标的要求较高，需要高纯度、高精密度、非常均匀且稳定的组织结构，国内材料厂尚处于研发环节。 （2）后工序处理难度大 公司半导体设备精密零部件产品具备高精密、高洁净、高耐腐蚀、耐击穿电压等性能，因此在加工件中，形状加工仅是基础，仅满足形状精度要求，后端的表面处理与清洗工艺中有更多的技术积累。例如对于反应腔而言，需要同时具备耐腐蚀、耐击穿、高洁净度，并能实现高密封性和高真空度。 表4：主