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半导体设备国产化大周期

国际金属加工网 2022年06月13日

行业发展概况

(一)半导体设备是国产化的核心领域
半导体是许多工业整机设备的核心,普遍应用于计算机、消费类电子、网络通信、汽车电子等核心领域,半导体主要由四个部分组成:集成电路、光电器件、分立器件和传感器,其中集成电路在全球总销售额中的占比高达80%以上,是半导体产业链的核心领域。

图1. 半导体各个细分板块简介

集成电路产业链通常以芯片设计、制造和封装测试为三大环节,从市场需求调研中来再回到市场需求中去,是一个闭环回路。设备材料与制造和封装测试联系※为紧密,对应分为前道设备和后道设备,晶圆材料和封装材料。设备材料在高端领域处于美欧日垄断状态,“卡脖子”问题突出,是当前及未来国产化重点突破的领域。

图2. 半导体产业链示意图(以集成电路为例)

根据SIA的统计报告,2019年中国在晶圆制造设备领域的占比仅为2%,晶圆制造设备基本上被美欧日垄断,设备“卡脖子”问题尤为明显。随着国家扶持力度的不断加大,制造企业与国产设备企业的合作意愿较强,国产化进度明显加快,市占率不断提升,半导体设备是未来长周期必选的优质赛道。半导体设备资本投入大,人才缺乏,行业壁垒较高,能获得优势资源的各细分领域的龙头企业,市占率的提升预计将快于同领域的其他企业。

根据SIA数据统计,全球半导体设备大致可以分为11大类,50多种机型。前道设备主要有光刻机、刻蚀机、薄膜沉积机、离子注入机、CMP设备、清洗机、前道检测设备和氧化退火设备八大类,后道设备主要分为测试设备和封装设备。前道设备用于晶圆制造过程,覆盖从光片到晶圆的成百上千道工序。光刻机、薄膜沉积设备、刻蚀及清洗设备、前道检测设备和后道检测设备2019年全球销售额市场份额占比分别约为19%、19%、25%、9%和9%。

2020年全球半导设备产业结构中,前道设备在总销售额中的占比约85%,后端测试设备占比约9%,后道封装设备占比约6%。目前全球前道设备市场份额主要由美欧日企业垄断,几家头部设备大厂美国AMAT占比约为17.0%,荷兰ASML占比约为16.6%,日本TEL占比约12.5%,美国LAM占比约11.2%,美国KLA占比约6.3%,合计占比近64%。

图3. 2020年全球半导体设备产业结构

全球半导体设备细分领域均呈现寡头垄断格局。根据Gartner数据,2019年全球光刻机主要由ASML一家垄断,占据83%的份额;涂胶显影/去胶市场主要由TEL一家垄断,占据91%的份额;热处理市场由AMAT、TEL和Kokusai三家垄断,份额占比分别为40%、20%和19%;刻蚀市场主要由LAM、TEL和AMAT三家垄断,份额占比分别为45%、28%和18%;离子注入市场主要由AMA、Axcelis和SMIT三家垄断,份额占比分别为60%、18%和17%;PVD市场主要由AMAT一家垄断,占据85%的市场份额;CVD市场主要由AMAT、LamResearch和TEL三家垄断,份额占比分别为30%、26%和17%;清洗市场主要由SCREEN、TEL和Lam Research三家垄断,份额占比分别为51%、27%和12%;CMP市场由AMAT和Ebara两家垄断,份额占比分别为66%和28%;流程控制市场主要由KLA、AMAT和Hitachi三家垄断,份额占比分别为54%、11%和9%。

(二)中国大陆设备市场份额占比不断提升

根据SEMI于2021年12月14日公布的《年终总半导体设备预测报告》,预计2021年原始设备制造商的半导体制造设备全球销售总额将达到1030亿美元的新高,比2020年的712亿美元的销售历史记录增长44.4%,预计2022年全球半导体制造设备市场销售总额将扩大到1140亿美元,同比增长11.2%,到2023年全球半导体制造设备市场销售总额预计将略微下滑0.8%至1134亿美元。

图4. 全球半导体设备销售额及同比增速

2020年中国大陆半导体设备销售额为187.2亿美元,同比增长39.2%,占全球半导体设备市场的26.3%,首次成为全球※大的半导体设备市场。根据历史数据的年均增量,我们预计中国大陆半导体设备销售额全球占比有望从2021年的28%提升到2023年的32%,呈逐年上升的趋势。由此测算,2021年中国大陆半导体设备销售额预计将达到287.8亿美元,同比增长53.7%,预计2022年中国大陆半导体设备销售额有望达到343.0亿美元,同比增长19.2%,到2023年中国大陆半导体设备销售额有望增长5.8%至362.9亿美元。

图5. 中国大陆半导体设备销售额及同比增速

图6. 中国大陆半导体设备销售额全球占比变化趋势

(三)半导体设备国产替代的黄金浪潮开启

2019年5月15日,美国商务部将华为列入出口管制的实体清单,美国技术比例限制为25%,随后2020年5月15日将25%的限制比例调整为凡是含有美国技术皆需美国行政许可,限制比例变为0%。2020年10月4日中芯国际发布公告,美国BIS已根据美国出口管制条例对于向中芯国际出口的部分美国设备、配件及原物料进行限制,随后2020年12月4日美国商务部将中芯国际及其部分子公司及参股公司列入“实体清单”,限制中芯国际在10nm及以下技术节点获取相关设备,直接导致中芯国际未来将扩产的重心放在了成熟制程上。随着华为和中芯国际被制裁,设备国产化成为迫切需求,正式开启了本轮国产替代的黄金浪潮。

行业发展趋势

半导体设备及材料行业景气度与国产替代进度、晶圆厂扩张以及技术迭代息息相关,国产替代进度和晶圆厂扩张决定着当前景气周期内对国产半导体设备及材料的需求,而技术创新带来的技术迭代则不断驱动着半导体设备及材料的需求长周期持续向上,国产替代是本轮半导体设备及材料景气度高企的核心驱动力。

(一) 国产替代:本土设备厂商验证及导入速度加快

在中美贸易摩擦加剧之前,本土晶圆厂商为了尽快在半导体景气周期内完成产线建设,一般都倾向于采购国外的成熟的设备,减少认证的周期和成本。而半导体设备的发展离不开晶圆厂协同开发的核心驱动作用,在过去很长一段时间国产设备发展缓慢,获得验证及导入的机会并不多。

随着拜登政府延续并扩大了中美贸易摩擦以来的半导体政策:对内补贴芯片制造,对外拉拢台积电和三星赴美建厂,同时继续卡住对华关键企业的技术和设备出口,导致潜在的设备供应压力和“实体清单”风险逐步加大,国内晶圆厂产能不断扩张的同时,也在不断地导入国产设备,扶持本土战略供应商。国产半导设备产商获得了难得的发展机遇期,国产化率正在稳步提升中,成为了未来比较确定的优质赛道。

(二) 晶圆厂扩张:半导体设备景气周期持续

半导体设备收入的增长与晶圆厂扩张息息相关,晶圆厂扩产的资本支出中的70-80%将用于购买半导体设备,晶圆厂产能的持续扩张将会给半导体设备厂商的营收带来比较大的增量。

头部三家纯晶圆代工厂资本开支近三年持续上行。据调研机构IC Insights发布的报告显示,继2021年激增36%之后,预计2022年半导体行业资本支出将大增24%,达到1904亿美元的历史新高,比三年前的2019年增长86%。在调研的全球13家样本企业中,这13家公司2021年的总支出比2020年增长62%至606亿美元,预计2022支出将同比增长52%至918亿美元。其中统计的三大纯晶圆代工厂TSMC、UMC和Global Foundries,2019-2022年的资本支出分别为149.37/172.4/300.43/420亿美元、5.66/9.52/17.55/30亿美元和7.73/5.92/17.66/45亿美元,近三年均呈现快速增长态势。

图7. 2008-2022年全球半导体行业资本支出及预测

国内主要晶圆厂产能不断扩张。截至2021年底,国内主要晶圆厂扩产计划:中芯国际总扩产计划24万片/月,其中中芯京城10万片/月,中芯深圳4万片/月,中芯临港10万片/月;华虹半导体计划扩产4万片/月;长江存储总产能规划,一期10万片/月,二期20万片/月,总产能目标30万片/月;合肥长鑫2021年扩产6万片/月,2022年有望达到12万片/月,总产能目标30万片/月;粤芯半导体一期二期产能4万年/月,总产能目标12万年/月。

(三) 技术不断迭代:设备需求长周期持续向上

由2010年左右开始的由手机和社交媒体等驱动的晶圆制程设备的需求周期慢慢地过渡到了由AR/VR、大数据、智能驾驶、机器学习、物联网等新兴应用驱动的新周期,而新兴应用的出现带来了更大的数据处理的需求,据AMAT预测数据处理量有望从2021年的13.8ZB增长到2025年的157ZB,增长超10倍。

数据处理量的持续高增长,驱动着逻辑芯片、存储芯片(如DRAM、3DNAND)等不断地去改良工艺制程:工艺制程步骤的增加,提升了设备数量的需求;新的材料和晶体管结构,催生了新的设备种类;工艺制程难度的加大,抬高了设备的销售价格。未来半导体设备将持续迎来数量、种类和价格的三重共振,需求长周期持续向上。

行业发展前景

目前大力提高中国大陆半导体设备及材料供应商的竞争力,对保障中国半导体产业链安全具有显著的溢出效益,有助于大大降低美国等出口管制所带来的风险。因此,尽管存在巨大的进入壁垒,中国政府将继续重点支持本土的半导体设备及材料行业,即使在中美关系缓和以及设备松绑的情况下,国产化大趋势不变。

随着半导体设备厂商逐渐登陆科创板或受到大基金扶持,如今不少本土企业的产品已经能够用于28nm产线,部分产品如中微公司的CCP刻蚀机甚至已经进入了台积电较先进的5nm逻辑芯片产线。回顾2021年很多国产半导体设备实现了0-1的跨越,2022年将逐步进入到1-N的放量过程,预计国产替代的进度将不断加快。

(集成电路产业研究&华信研究院)

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