半导体设备行业分析：行业新一轮扩容-国产化步入新篇章

1、半导体设备行业分析：行业新一轮扩容_国产化步入新篇章 HYPERLINK /SH601211.html 1.半导体行业扩容在即，海外设备龙头供应链地位强势1.1. 市场规模：700 亿美金大市场，行业扩容技术升级助力设 备环节再成长1.1.1. 半导体行业产能紧缺引发涨价潮，“行业扩产设备先行”推升新 一轮景气周期全球半导体行业目前正处于产能紧张价格上涨的供需矛盾突出时期。在 疫情影响、中美科技摩擦、全球产业链转移、5G 需求升级、新能源汽 车起量、物联网风起布局等供需两端多重因素影响下，目前全球半导体 行业产能紧缺，供需缺口持续拉大，行业景气度有望攀升。在景气度持 续性方面，全球晶圆制造最先

2、进制程厂商台积电法说会指引产能紧缺状 态有望延续至 2022 年。下游市场与客户相对分散、产品形态相对大宗 的封测环节龙头厂商包括日月光、长电、华天、通富等企业自 2020 年 Q4 起对各产品价格进行不同程度调涨，在封测产能扩张相对较快情况 下，预计封装产能供需平衡最早将在 2023 年实现。产能扩张，设备先行。代工厂高强度资本开支将直接拉动半导体设备环 节订单量。 HYPERLINK /SH688981.html 全球主要半导体设备供应地区设备出货额屡创新高，同比增速达 50%。 据 Wind 数据，2021 年 9 月北美半导体设备出货额 37.18 亿美元，同比 增长 35.53%；9

3、 月日本半导体设备出货额 2723.88 亿日元，同比增长 38.98%。北美与日本半导体设备出货额持续高企，均创历史新高，同比 增速逐月爬升至约 50%水平。在全球芯片缺货潮影响下，龙头厂商台积 电、联电、中芯国际等代工厂加大资本开支坚定扩产，半导体设备环节 将先行受益。1.1.2. 全球市场规模持续扩大，中国市场规模占比逐渐提升全球半导体设备市场规模未来几年有望持续扩张。随着半导体产品的加 工面积成倍缩小带来加工难度不断扩大，未来生产半导体产品的制造设 备将越来越精细化，价值或持续上升。根据 SEMI 数据，预计 2022年全球半导体设备市场规模有望达到 1013.1 亿美元（年初预测为

4、761 亿美元）， 20-22 年 CAGR 为 19.29%。1.1.3. 晶圆制造设备占比最大，先进制程迭代带来各工艺设备结构性 差异半导体设备是半导体行业的基石，支撑芯片制造和芯片封测行业发展。 半导体行业主要分为上中下三个环节，上游环节包括 IP 核及设计服务、 材料和设备；中游环节包括设计、芯片制造和芯片封测；下游环节即终 端应用，包括集成电路、分立元件、光电子、传感器等。半导体设备虽然年产值仅为几百亿美金，却支撑起 10 倍大的芯片制造产业，进而为 整个年产值近几十万亿美金的信息产业的发展起到了关键性的作用。半导体设备主要分为晶圆加工设备和封测设备，对应于晶圆加工和封测 的各个环节

5、。（1）晶圆加工设备：晶圆加工步骤主要分为扩散、光刻、刻蚀、离子 注入、薄膜沉积、抛光等。以晶圆加工中最重要的光刻为例，光刻又可 以细分为清洗、涂胶、光刻和显影，对应的晶圆加工设备为清洗机、涂 胶机、光刻机和显影机（测量的 CD/SEM 属于封测设备）。晶圆处理精 度高，一般在几纳米至几微米，对加工设备精度要求极高，其中部分工 序需要循环进行多次，需要用到大量的半导体设备。（2）封测设备：封测分为封装和测试，封装主要用于芯片后道加工， 工艺流程在晶圆制造后，分为传统封装和先进封装两种；测试则涵盖半 导体中游所有环节，从 IC 设计到 IC 封装，都需要经过测试。传统封装 设备包括减薄机、划片机

6、、贴片机、引线键合机等；先进封装设备包括 清洗机、溅射设备、光刻机、涂覆设备、回熔焊接设备等；测试设备主 要包括测试机、探针台和分选机。下游应用方面，晶圆加工设备的最大应用市场在逻辑半导体。根据 SEMI 的数据，2023 年，晶圆加工设备市场将达到 680 亿美元，其中 Foundry/Logic 占据近一半的市场份额。值得一提的是，2020 年预计增 长率最高的用途是 NAND，预计较 2019 年增长 30%。另外，DRAM 在 2020 年的同比增长率接近 20%。封测设备市场开始恢复，测试设备再次冲击历史新高。根据 SEMI 的数 据预测，2020 年封测设备市场规模将达到 95 亿

7、美元，其中封装设备 35 亿美元，同比增长 20%，测试设备 60 亿美元，同比增长 20%。未来封 装设备的市场规模主要受到先进封装需求的带动，预计 2021 年同比增 长 8%，2022 年同比增长 5%。未来测试设备市场规模将受益于 5G、HPC 的需求带动，2021 年同比增长 4.9%，2022 年同比增长 6.5%。从增长率和波动性上进行分析，晶圆加工设备市场增长率大于封测设备 市场，市场波动率小于封测设备市场。根据 SEMI 的数据计算，晶圆加 工设备2012年-2022年 CAGR为8.11%，封测设备2012年-2022年CAGR 为 4.86%。晶圆加工设备 2012 年-

8、2022 年波动率 Sx 为 14.65，封测设备 2012 年-2022 年波动率为 Sx 为 26.54。细分设备市场规模方面，半导体设备细分市场随着先进制程的迭代而出 现较大结构性差异，大部分市场份额被关键细分设备占据。半导体设备 市场份额占比最大的是光刻机、刻蚀设备、薄膜沉积设备三种，分别占 21.8%、18.1%和 25.9%的市场份额。退火设备市场份额占比较小，约为 2.3%。根据 2018 到 2020 年各类前道设备占比数据，半导体设备市场份 额占比排名前三的分别为光刻机、刻蚀和 CVD，总占比达到 63%。1.2. 市场格局：海外寡头供应链地位强势，本土企业任重道远市场格局方

9、面，全球半导体设备市场处于国际巨头主导的格局。根据 VLSI 的统计数据，2020 年全球前 5 大半导体设备厂商分别为 AMAT、 ASML、Lam、TEL 及 KLA，对应市场份额为 17.7%、16.7%、12.9%、 12.3%及 5.9%，销售额合计达 604.54 亿美元、占市场总额的 65.50%。 前10大半导体设备厂商总销售额合计708.08亿美元，同比增长19.98%， 市场份额达到 76.60%，头部效应明显、已形成较为稳定的寡头垄断市场 格局。（1） 刻蚀设备: HYPERLINK /SH688012.html 由于刻蚀工艺复杂，技术壁垒高，市场格局高度集中。根据 Ga

10、rtner 的 数据，2019 年，Lam、TEL 和 AMAT 在刻蚀设备市场分别占据前三， 总计占有 90.88%的市场份额，寡头垄断明显。国内有部分新兴公司正逐 渐打破刻蚀设备市场垄断，包括中微公司、北方华创、北京屹唐等，三 者分别占据 1.08%、0.78%和 0.15%的市场份额，目前市场份额占比相对 较小。（2） 退火设备： HYPERLINK /SZ002371.html AMAT 在全球 RTP（快速热处理设备）领域占有绝对领先地位。退火 设备主要分为氧化/扩散炉、RTP 设备和 Gate Stack 三个部分。其中在 RTP 设备方面，AMAT 占有近 70%的市场份额，有绝

11、对话语权。北京屹 唐作为国内公司，在 RTP 领域有深厚积累，占据 10.22%的市场份额， 排名第二。内资产线中北方华创、国际电气等国内公司占比明显提升。根据中国国 际招标网的数据，市场份额占比最大的为 TEL，占 46%。中国公司总计 占有 23.17%的市场份额，其中北方华创占 17%，北京屹唐占 2%。（3） 薄膜沉积设备：AMAT、Lam 和 TEL 在薄膜沉积设备领域具有垄断地位。薄膜沉积设 备主要分为 CVD、PVD 和 ALD。根据 Gartner 的数据，全球 CVD 设备 被 AMAT、Lam 和 TEL 垄断，三者合计占有 70%左右的市场份额。国内薄膜沉积设备公司主要为

12、北方华创和沈阳拓荆，竞争力较小。根据 中国国际招标网的数据，AMAT、Lam 和 TEL 在内资产线中占比达到 69%，国内设备公司仅占 10.52%，竞争力非常小，其中北方华创占 3%， 沈阳拓荆占 4%。晶圆加工前道环节市场广阔，本土领军企业挑战国际巨头垄断 地位。前道制程设备（含前道测试）投资额占比高达 80%以上，为半导 体设备领域的核心主战场。前道设备市场中海外龙头厂商高度垄断，本 土厂商占比较低，主要市场突破口仍集中在本土产线。在国内政策导向 等支持下，本土产线扩张速度显著高于全球市场。本土领军的设备企业 已经突破部分前道制程设备，凭借多年前道工艺技术积累以及产线国产 化扶持，本土

13、领军设备企业有望在前道工艺这一核心主战场挑战国际巨 头垄断地位。 HYPERLINK /SH600584.html 本土封测企业全球市占率高，国产封测设备企业市占率有望进一步提升。 据芯思想数据，本土三大封装企业长电科技、通富微电、华天科技 2020 年市占率分别为 11.96%、5.05%、3.93%，合计占比 20.94%，在全球供 应链体系中具有较强话语权。传统封装技术相对稳定，国内设备厂商已 具备一定技术积累与份额。先进封装国内市场布局较快，国内封测设备 企业有望受益国内封测环节崛起而进一步提升市占率。1.3. 行业特点：资本先行、客户高粘性、技术迭代快1.3.1. 资本开支是设备环节

14、有效先行指标下游资本开支是半导体设备行业一个有效的先行指标。根据 Wind 的数 据，从 2006 年到 2020 年，全球半导体行业资本开支与集成电路晶圆加 工设备市场规模的同比增长率具有近乎相同的变化关系，集成电路制造 设备产业景气程度与行业资本开支密切相关，行业资本开支属于设备行 业整体发展趋势的先行指标。这主要是因为设备支出在行业资本开支中 占比最大，占比接近 80%，而晶圆加工设备投资又在设备投资中达到近 50%。1.3.2. 产品验证周期长，客户市场粘性大半导体设备涉及多类学科，具有高技术门槛。技术专利是半导体行业的 护城河，而半导体设备行业更是如此。该行业涉猎更广，其设计和制造

15、过程需要综合运用电子、机械、物理、化学、材料、软件系统、自动化 等多学科领域的先进科技。由于半导体设备的技术参数、运行稳定性等 指标会直接影响半导体产品的产量、质量和良率等生产指标，因此行业 新进入者需要经过较长时间的技术积累，才能在该领域有所突破。半导体设备由于对技术参数和运行稳定性的严格要求，具有长验证周期 的特点。半导体设备的产品研发及商业化流程主要分为可行性研究阶段、 产品开发及下线阶段、客户端认证阶段和量产及生命周期维护阶段四个 阶段，其中客户端认证是最为关键的步骤。无论是市场新进入者或新设 备的量产，都要经过下游企业长时间的工艺验证，包括在具体生产场景的技术验证、与客户的持续沟通、

16、完善技术细节等。整个验证周期消耗 时间平均在 1 年以上，之后设备供应商才会被纳入客户的合格供应商名 单。以华海清科为例，其 Demo 机台平均验证周期长达 12.46 个月，销 售机台属于二次采购，验收周期较短，为 4.95 个月。半导体设备通过产品验证后替换成本高，具有较强的客户粘性。由于半 导体设备较长的生产周期和验证周期，且下游客户对于产品售后服务响 应速度和售后技术工艺支持都有着较高的要求，因此半导体设备领域具 有较强的客户粘性，非必要情况下，下游客户不会轻易更改产线设备。1.3.3. 技术迭代带动产品价值量提升，不同精度等级设备共存 HYPERLINK /SH688012.html

17、 随着先进制程逐步推进，晶圆制造复杂度提升，工艺步骤显著增多，精 度要求也随着线宽变小而明显提升，最终带来半导体设备先进产品价值 量提升。以集成电路器件刻蚀为例，根据中微公司的公告，就逻辑器件 而言，从 40nm 到 7nm，需要的刻蚀步骤从 35 步提升到 140 步，且主要 运用设备也从有限控制的圆筒式刻蚀机发展至现代等离子体刻蚀机。而 闪存器件与动态存储器件相对于逻辑器件而言，又存在刻蚀步骤等性能 要求上的差异。随着先进制程推进，制造工艺结构复杂度提升，同一产线同一产品可使 用不同精度等级的设备。以国产存储厂商 128 层 NAND 产品为例，由 于产品层数较多，不同环节对设备的要求存在

18、显著差异。其中，光刻机 单台设备价值量波动范围约 300 万美金7000 万美金；刻蚀单台设备价 值量波动范围约 30 万美金1400 万美金；CVD 单台设备价值量波动范 围约 20 万美金1100 万美金。设备价值量差异一方面给新进厂商带来导 入产线的突破口；另一方面给高研发投入的先进厂商带来较高护城河。2.高强度资本开支 深度国产化为本土设备企业带来历史发展机遇2.1. 制造环节高强度资本开支为设备行业带来发展空间 HYPERLINK /SH688981.html 受益于半导体行业景气度高企，下游晶圆厂、封测厂资本开支不断扩大， 加速产能扩张。2021 年，晶圆厂开始加大资本开支进行产能

19、扩张。台积 电 2021 年资本开支计划比 2020 年增加 66%，达到 300 亿美元的高位。 内资产线长江存储、长鑫存储、中芯国际、无锡华虹均规划大幅进行产 能扩张。 HYPERLINK /SH688981.html 本土半导体设备厂商的主要客户集中在内资产线和部分台资产线，其中 内资产线占绝大部分份额。内资产线扩产主力集中在两大存储基地长存 /长鑫，以及两大代工厂中芯国际/华虹。产线投资中设备投资占比最高， 以本土最大的晶圆制造代工厂中芯国际为例，中芯国际募投项目 12 英 寸芯片 SN1 项目的总投资额为 90.59 亿美元，其中生产设置购置及安装 费达 73.30 亿美元，晶圆制造

20、设备相关占比达到 80.9%。（报告来源：未来智库）2.2. 中美科技摩擦反复，加速设备全面深度国产化中美科技摩擦过程中，华为和中芯国际两大支柱性企业均受不同程度影 响，半导体设备国产化有望向深度化和全面化发展。中国半导体设备目 前仍主要依赖于进口设备，国内公司市场规模相对较小，自给能力亟待 提升。在中美科技摩擦背景下，国内政策倾斜、Fab 厂国产化意愿加强、 资本市场活跃注入、设备厂抓住历史机遇等多方面因素促使半导体设备 国产化逐渐走向深度化和全面化。根据中国半导体工业协会的数据， 2020 年中国半导体设备销售额预计将达到 213 亿美元，国产化率预计将 首次超过 20%。从细分设备市场来

21、看，ICP 刻蚀设备、CVD 成膜设备、掺杂设备、量 测设备、光刻设备上升速度明显。通过统计截止到 2021 年 11 月 13 日 中国国际招标网所公示的设备中标情况，对六大产线（长江存储、中芯 绍兴、华虹无锡、华力微、株洲中车、积塔）每一类设备的总采购量以 及国产化率进行测算。根据测算，2020H2 至今六大产线中 ICP 刻蚀设 备、CCP 刻蚀设备、PVD 成膜设备、CMP 设备、炉管设备、清洗设备 以及去胶设备国产化率较高，均超过了 30%，其中清洗设备达到 50%。 技术壁垒较高的量测设备、光刻设备以及掺杂设备虽然国产化率很低，但是上升趋势明显在 IC 设备国产化的浪潮中，各个子领

22、域均有优秀的本土企业。其中， 北方华创在 ICP 刻蚀设备、PVD 成膜设备、清洗设备、炉管设备份额提 升显著，中微半导体在 CCP 刻蚀设备表现出色，上海微电子在技术壁垒 较高的光刻设备中开始崭露头角，华海清科在 CMP 设备中市场份额逐 渐提升等。尤其是 2020H2 至今，北方华创在 ICP 刻蚀设备市场份额达 到 29.27%的市场份额，开始逐渐在该领域与龙头企业 Lam 和 AMAT 分 庭抗礼。我们预计未来随着的持续推进，IC 设备的国产化率有 望进一步提升。2.3. 资本市场助力行业发展，Fabless 厂商自建制造环节自科创板创立以来，本土半导体厂商迎来历史性融资窗口期。在资本

23、市 场助力下，大小 Fabless 厂商不同程度扩建制造环节，以补强自身产品 流片过程中的产能薄弱环节，增强供应链管理能力与话语权。Fabless 厂 商扩产过程中根据自身产品特点对部分设备存在一定客制化需求，在疫 情影响下，国内设备厂商的快速响应能力有望加速该环节产线导入。自 2019 年以来 A 股 Fabless 和 IDM 企业募投项目中，设备投资占比超 10%项目投资额超 430 亿元。其中，设备投资额根据产品差异、企业战 略定位等存在较大差异，统计企业中各类项目设备投资额占比约在 10%75%之间。 HYPERLINK /SH603501.html 韦尔股份自建生产线补强流片薄弱环

24、节。韦尔股份作为本土最大的 Fabless 上市公司，发行可转债约 24.4 亿元用于晶圆测试及晶圆重构生 产等项目建设，规划于上海松江建设 3.5 万片/月测试与 3.0 万片/月重构 产能。韦尔股份作为具有国际竞争力的 CIS 芯片龙头企业，借助资本市 场补强 CIS 芯片流片环节中的产能瓶颈环节，有助于保障自身供应链安 全，提升竞争壁垒。 HYPERLINK /SZ300782.html 卓胜微与 Foundry 共建晶圆前道生产专线。卓胜微作为射频领域 Fabless 龙头企业，通过定增募资 30.1 亿元发展滤波器芯片等项目。据公司公告， 公司通过与 Foundry 共同投入资源合作

25、建立晶圆前道生产专线，使用先 进的管理和设备对晶圆生产过程中的特殊工艺和环节进行快速迭代优 化，综合晶圆制造企业和公司各自优势，形成最终的工艺技术能力和量 产能力，同时实现生产效率的提升和成本空间的压缩。龙头企业在规模 扩大后，开始突破发展早期的纯 Fabless 模式，加强与 Foundry 合作，并 投入资金建立生产专线。该项目设备投资额占比约 62.3%。 HYPERLINK /SH688728.html Fabless 和 IDM 企业融资扩产将拉升设备环节订单量。格科微规划于上 海投资 74.3 亿元用于建设 CIS 研发与产业化项目，设备投资额占比约 72.28%。华润微规划于重庆

26、西永投资 42.0 亿元用于功率半导体封测基 地项目建设，设备投资额占比约 69.76%。 HYPERLINK /SH688608.html 此外，部分 Fabless 厂商募投项目设备投资额占比较低，而对研发进行 高额投入。恒玄科技 IPO 募资 48.6 亿元，其中设备和硬件投资占比约 5%，研发投入约 80%。研发投入中晶圆试制费用和封测费用占绝大部分， 也将占用晶圆厂部分产能。在资本市场资金助力下，较大规模的 Fabless 厂商加强布局自身供应链， 自建产线、共建专线或加强研发等方式将直接或间接拉动设备订单。 Fabless 厂商产品种类相对固定，在自建或共建产能上对部分设备存在一

27、定客制化需求，为本土企业导入产线打开一条新的通道。2.4. 本土半导体设备企业迎来历史性发展机遇机遇一： 半导体行业景气度历史罕见，高强度资本开支开启新一轮扩产周期。半 导体行业自 2019 年下半年开启景气度向上周期，自 2020 年下半年开启 涨价模式，产能紧张产品缺货推升半导体行业新一轮高强度扩容。半导 体行业发动机台积电年初指引三年 1000 亿美金高强度资本开支，新一 轮行业扩产周期启动，半导体设备环节率先直接受益。机遇二： 中美科技摩擦推升国产化意愿，本土设备中标率明显提升。中美科技摩 擦自 2018 年起逐步升级加剧，2020 年 9 月华为芯片断供、中芯国际设 备采购受限。国家层面出台政策进行产业资源倾斜、本土产线国产化意 愿全面提升、本土设备厂提效抓机会、本土资金与人才流