集成电路设备行业深度报告——集成电路核心要素，当全力发展
■区域投资强劲和新型工艺、新型需求驱动，集成电路设备需求逐年增加。全球晶圆厂持续扩张，对设备需求进一步加大，中国大陆地区的需求尤为强烈，2020年中国大陆地区已成为全球最大集成电路设备市场。集成电路的多层堆栈技术与鳍型栅晶体管技术的广泛应用导致对设备需求进一步加大。
■集成电路设备高度垄断，成熟工艺和先进工艺均供不应求。因瓦森纳协议，高端设备对华出口设限。欧美设备供应商因疫情与人力短缺等原因，产能严重不足，同时受美国司法限制，无法在海外设厂扩产。成熟制程所需要的8英寸设备更是多年前已陆续停止生产供应。
■国产化率上升空间大，国产替代利好国内设备商。国产设备在清洗，刻蚀，薄膜沉积等领域均取得了一定突破。清洗领域国产设备在国内晶圆厂市占率达20%，且积极开拓海外市场，已获得韩国海力士等国际领先企业订单。刻蚀设备在成熟工艺领域已取得突破，并积极研发高端工艺领域所需设备。薄膜沉积设备方面，在一些新兴特殊工艺赛道，由于起步时间接近，国产设备与国际公司技术差距较小。在光刻领域，荷兰ASML垄断全球高端光刻机供应，由于技术壁垒非常高，国内公司仍需不断积累。
1.分类：刻蚀、薄膜沉积、光刻、清洗是四大主要设备
集成电路产业链包括设计、制造、封装测试三个环节，其中制造需要由多种集成电路设备来实现。本篇报告围绕集成电路制造的工艺与设备，从市场和技术两条主线来分析设备行业相关机会，最后阐明了银行在集成电路设备的业务机会。
集成电路制造设备按类型分为氧化/扩散炉、光刻机、刻蚀机、离子注入机、薄膜沉积设备、清洗设备与检测设备等；按工艺分为成熟工艺设备和先进工艺设备两种，成熟工艺设备包含8英寸、6英寸等90nm以上技术节点，先进工艺设备以12英寸90nm以下技术节点为主。
晶圆厂80%以上的投资用于购买集成电路设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备(包含CVD设备与PVD设备)，光刻设备和清洗设备是四大主要设备，2019年四大主要设备投资规模占晶圆制造设备总投资的比例分别为30%、25%、23%、5%。清洗设备虽然投资占比较低，但清洗步骤数量约占所有芯片制造工序步骤的30%以上，是晶圆制造中最重要的环节之一。
2.总需求：区域投资强劲和新型工艺驱动，需求逐年增加
2.1历史周期：全球晶圆厂持续扩张，对设备需求持续加大
在经历2019年的短期下滑之后，在5G、高性能运算的驱动下，全球半导体晶圆厂均开始加大资本开支。根据SEMI统计，2020年全球半导体晶圆厂资本开支达1069亿美元，同比增长7.6%。预计2024年将达到1276亿美元，2019-2024年CAGR达5.1%。上游设备厂商受益于晶圆厂扩产浪潮最为明显。
2.2区域：国内为主，投资强劲，对集成电路设备需求更为强烈
根据国际半导体产业协会（SEMI）统计，中国大陆2020年集成电路设备销售额达187.2亿美元，同比增长39%，首次成为全球最大的集成电路设备市场，2013-2020年中国大陆集成电路设备销售额年均复合增长率达27.76%。中国台湾地区2020年集成电路设备销售额排名第二，为171.5亿美元，占全球集成电路设备市场销售额的比例为24.09%。中国大陆地区在建晶圆厂数量也领先于其他地区，2021年及2022年新建晶圆厂数量居全球首位，意味着国内对集成电路设备的需求进一步加大。
2.3多层堆栈技术提升对设备数量的需求
业界发展3D技术，采用多层堆栈技术将多颗集成电路立体封装在一起，代替过去的一颗集成电路的功能，以实现更高的像素与更大的存储容量。过去的图像传感集成电路将像素功能，内存功能与逻辑功能整合在一颗集成电路，难以在单位面积集成更多晶体管来提高像素。如今业界采用三颗不同功能集成电路多层堆栈代替过去一颗集成电路，对集成电路设备需求出现了大幅增长。同时3DNAND存储器也采用该结构以提升存储容量。多层堆栈技术的大规模应用导致对设备的需求进一步加大。
2.4器件结构的复杂化提升对设备数量的需求
14nm及更先进制程的逻辑运算芯片为了追求更高速度与更低功耗，开始引入更为复杂的FinFET（鳍式场效应晶体管）技术与GAA（全包围栅极晶体管）技术，复杂的晶体管结构导致了所有工艺步骤的增加，在刻蚀工艺方面尤为明显，28nm制程芯片需要40道刻蚀工艺步骤，5nm制程芯片则需要高达160道刻蚀工艺步骤，与之对应的则是对刻蚀设备需求的激增。
2.5新能源汽车快速发展提升对设备数量的需求
在近年来新能源汽车销售量快速增长，预计到2025年全球新能源汽车渗透率超过30%。随着新能源汽车的电子化与智能化，车规芯片种类越来越多、性能越来越强。相比较消费电子注重性能功耗，车规级芯片更加强调可靠性、安全性和长效性。车规级芯片需要兼顾工艺成熟稳定与具有竞争力的价格优势，8英寸工艺设备成了当前汽车半导体的最佳选择，适用于车规级芯片的成熟半导体设备需求愈发紧张。
3.总供给：集成电路设备高度垄断，成熟工艺和先进工艺均供不应求
3.1集成电路设备产能集中在欧美地区，疫情加剧产能不足
目前全球集成电路设备市场集中度较高，以美国、荷兰、日本为代表的前5强企业垄断了设备市场约70%的份额。集成电路设备研发技术难度大、投入高、周期长，具备极高的门槛和壁垒，在全世界范围内，行业集中度很高，行业头部企业基本占据绝大部分市场份额。
近两年因疫情影响，欧美设备企业出现人力严重短缺，同时其上游零部件企业也因人力短缺而无法按时向设备企业交付关键零部件，导致部分设备因缺少部分零部件而无法完成组装出货。美国应用材料公司曾计划于上海临港建立集成电路设备工厂，因美国司法部阻挠而终止。
3.2高端设备：构筑核心壁垒，国内晶圆厂采购受限
《瓦森纳协定》全称为《关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳安排》，目前共有包括美国、日本、英国、俄罗斯等40个成员国（注：没有中国）。为了更好维护成员国的利益，协定一直对中国禁售最新的几代设备。目前阶段EUV光刻机等高端设备因《瓦森纳协定》而对中国禁售。集成电路设备的技术壁垒非常高且国内设备商起步较晚，在光刻、电镀铜、特殊低介电系数薄膜等领域高端工艺领域与国际公司尚有较大差距，替代能力不足。
3.3成熟工艺设备：国外生产意愿不强，国产设备存在替代空间
晶圆厂成本支出80%为设备成本，国际设备供应商倾向于研发和生产用于更先进工艺的12英寸设备以获取更高利润，与此同时已于20年前陆续放弃应用于成熟制程的8英寸晶圆设备的生产，目前市场上流通的8英寸设备绝大多数是二手翻新设备，因新能源汽车芯片等中低端芯片需求强烈而再无更多8英寸设备进入市场，导致二手8英寸设备价格节节攀升，大部分设备近三年涨幅100%以上。
国际设备供应商虽然意识到目前8英寸设备严重供不应求且利润率较高，但12英寸晶圆因可以产出更多颗芯片，经济性更佳，长期看8英寸设备被12英寸设备取代的概率很高，所以依然没有重启8英寸设备生产的意愿。
与此同时，国内设备供应商如拓荆科技、中微公司等已掌握绝大部分成熟制程设备所需的技术，其产品已陆续被成熟制程晶圆厂如中芯天津、中芯绍兴等大量采购。在国产替代方面，成熟制程的设备公司正在不断扩大市场份额，率先取得突破。
4.国产化率上升空间大，国产替代利好国内设备商，优选：清洗设备商>刻蚀设备商>薄膜设备商
4.1全球设备商竞争格局
全球半导体设备公司集中在五家头部企业：美国的应用材料（AppliedMaterials，AMAT）、泛林半导体（Lam）与科磊（KLA）、荷兰的阿斯麦（ASML）与日本东京电子（TEL）。各企业在细分领域分别处于龙头地位。
各领域欧美及日本设备公司高度垄断，国产设备不断进步，在国内晶圆厂的市场份额越来越高。更有部分优质国产设备企业，开始积极拓展海外市场，目前已获得国际领先晶圆厂的订单。
4.2国产清洗设备率先取得突破
全球半导体清洗设备主要由日本、美国等国外企业供应，合计占比超过80%。其中，日本厂商迪恩士处于绝对领先地位，市场份额超过50%。其次是东京电子、泛林等，市场份额30%-40%。其余的为韩国厂商SEMES和Mujin。目前，中国大陆能提供半导体清洗设备的企业较少，主要包括盛美上海、北方华创、芯源微及至纯科技。其中盛美为国内半导体清洗设备的行业龙头企业，主要产品为集成电路领域的单片清洗设备，其中包括单片清洗设备、单片背面清洗设备、单片刷洗设备、槽式清洗设备和单片槽式组合清洗设备等，产品线较为丰富；北方华创可提供多种类型的单片清洗和槽式清洗设备，已广泛应用于集成电路、半导体照明、先进封装等领域；至纯科技具备生产8-12英寸高阶单片湿法清洗设备和槽式湿法清洗设备的相关技术；芯源微目前产品用于集成电路制造领域的单片式刷洗领域。
以盛美为例，研发出SAPS、TEBO等清洗技术，成功解决兆声波清洗不均匀和易损伤两大难题。相比传统的兆声波清洗方法，盛美首创的SAPS技术将兆声波能量发生器和晶圆之间的间隙做周期性变化，达到了对晶圆表面兆声波能量分布的精确控制，有效解决了兆声波能量在晶圆表面分布不均匀的难题。同时TEBO清洗技术使得兆声波清洗产生的气泡不会爆炸，实现了硅片均匀和无损的兆声波清洗重要突破。目前盛美已成为国产清洗设备领域头部企业，且已通过韩国海力士验收。
4.3刻蚀设备价值量最高，国产设备在成熟工艺取得突破
根据Gartner统计数据，2020年全球干法刻蚀设备行业市场集中度较高，CR3达到90.24%，其中泛林半导体以46.71%的市场份额排在第一位。中微公司、北方华创、屹唐股份市场份额分别为1.37%、0.89%、0.1%，与泛林半导体、东京电子、应用材料的市场份额相比，差距较大。目前，中微公司、北方华创、屹唐股份等企业尚处于追赶阶段，全球市场占有率较低。
在逻辑集成电路制造环节，中微公司12英寸高端刻蚀设备已运用在国际知名客户65nm到5nm等先进的芯片生产线上；同时已开发出小于5nm刻蚀设备用于若干关键步骤的加工，并已获得行业领先客户的批量订单。在3DNAND芯片制造环节，中微公司CCP设备可应用于64层和128层等成熟工艺的量产，正在开发的新一代产品能涵盖128层及以上关键刻蚀应用以及相对应的极高深宽比的刻蚀设备和工艺。此外，ICP设备进展顺利，已经在多个逻辑芯片和存储芯片厂商的生产线上量产，截止2020年底，中微公司的ICP设备PrimoNanova已有55个反应台在客户端运转，经过客户验证的应用数量也在持续增加。中微公司也在持续探索5nm以下的逻辑芯片、1Xnm的DRAM芯片和128层以上的3DNAND芯片等产品的ICP刻蚀需求，并进行高产出的ICP刻蚀设备的研发。
以3DNAND存储器为例,其立体结构最依赖于刻蚀机而不是光刻机来实现，由于中微的刻蚀设备可以实现国产替代，故美国放弃刻蚀设备对华出口的管控，长江存储可以购买到最先进刻蚀设备，也是长江存储技术持续进步并跻身3DNAND产品全球第一梯队的根本保证。
4.4薄膜沉积设备，国内公司在特殊工艺领域与国际巨头差距较小
薄膜沉积设备市场规模持续增长。根据MaximizeMarketResearch数据统计，2020年全球半导体薄膜沉积设备市场规模为172亿美元，2017-2020年全球半导体薄膜沉积设备市场规模年复合增长率为11.2%，MaximizeMarketResearch预计2021年全球半导体薄膜沉积设备市场规模将达到187亿美元。薄膜沉积设备主要负责各个步骤当中的介质层与金属层的沉积，包括CVD（化学气相沉积）设备，PVD（物理气相沉积）设备和ALD（原子层沉积）设备等。全球CVD市场上，应用材料占据龙头地位，市场份额30%，其次是泛林半导体和东京电子，市场集中度较高。国内市场上，北方华创的LPCVD，以及沈阳拓荆的PECVD，已通过主流晶圆代工厂验证，开始进行小批量生产交付。目前全球PVD市场高度垄断，应用材料占85%的市场份额。
国内企业北方华创实力领先，2019年北方华创PVD份额3%，与国际领先公司差距较小。ALD领域作为新兴领域，国内公司与国外巨头起步时间较为接近，国外公司技术壁垒并不高，国内公司在国内晶圆厂有一定渗透率。拓荆科技主要产品包括等离子体增强化学气相沉积（PECVD）设备、原子层沉积（ALD）设备和次常压化学气相沉积（SACVD）设备三个产品系列，已广泛应用于国内晶圆厂14nm及以上制程集成电路制造产线，并已展开10nm及以下制程产品验证测试。产品已适配国内最先进的28/14nm逻辑芯片、19/17nmDRAM芯片和64/128层3DNANDFLASH晶圆制造产线。
4.5光刻设备技术壁垒较高，国内公司仍需不断积累
光刻机由荷兰ASML、日本尼康与佳能三家巨头垄断，对于先进制程所需要的EUV高端光刻机，更是只有ASML一家公司能够提供。国内光刻机公司上海微电子尚未取得突破。根据ASML、佳能及尼康公司公告显示，2020年全球光刻机销量413台，同比增长15%，中低端市场需求量不断增长，主要受封装而非制造的推动，因封装相比制造，对光刻机分辨率要求低很多，较低的技术壁垒导致竞争者数量较多，尼康与佳能凭借价格优势占据封装市场主导地位。而光刻机行业市场销售规模增量主要来自于高性能EUV光刻机，超高端和高端产品EUV与ArF光刻机销售额占光刻机市场销售额的81%。
光刻机波长越短，分辨率越高，不断降低波长也成了光刻机研发的首要目标。目前最成熟的、应用于深紫外曝光技术的准分子激光器主要有两种，一种是采用氟化氪气体的准分子激光器（KrF），光源波长为248nm；另一种是采用氟化氩气体的准分子激光器（ArF），光源波长为193nm。而应用于高端制程的ASMLEUV极紫外光刻机是波长为13nm的光辐射，技术壁垒非常高，其他业内公司短期内无法赶超。
市场有风险，投资需谨慎。投资者不应将本报告作为投资决策的唯一参考因素，亦不应认为本报告可以取代自己的判断。在决定投资前，如有需要，投资者务必向专业人士咨询并谨慎决策。
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