半导体国产替代系列九：离子注入机：四大核心装备之一，迎来国产替代机遇.pdf

识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 1 / 27 Table_C ontacter 本报告联系人： 蔡锐帆 cairuifangf Table_Page 行业专题研究 |半导体 2019 年 12 月 5 日 证券研究报告 Table_Title 半导体国产替代系列九 离子注入机：四大核心装备之一，迎来国产替代机遇 Table_Author 分析师： 许兴军 分析师： 罗立波 分析师： 王璐 SAC 执证号： S0260514050002 SFC CE.no: BOI544 SAC 执证号： S0260513050002 SAC 执证号： S0260517080012 021-60750532 021-60750636 021-60750632 xuxingjungf luolibogf wanglugf 请注意，罗立波 ,王璐并非香港证券及期货事务监察委员会的注册持牌人，不可在香港从事受监管活动。 Table_Summary 核心观点 ： 离子注入机：集成电路制造等领域的关键设备之一。 离子注入是指将离子入射到硅片材料中，引起材料表面成分、结构和性能发生变化的掺杂过程，是最主要的掺杂工艺，下游为集成电路、 IGBT、太阳能电池、 AMOLED等。其中低能大束流是最主要的离子注入设备。 市场空间：全球市场规模较大，未来有望继续扩大。 根据 SEMI、中商产业研究院、 CPIA、 DIGITIMES 等数据来源 以 及我们的测算， 离子注入设备在晶圆加工设备、光伏设备以及 AMOLED 设备的比重分别为 5%、 0.3%以上以及 7%左右，对应的全球市场规模分别为 25 亿美元左右、 1.02 亿元以上以及 3.64 亿美元以上。未来受益于全球半导体需求增加、产线产能的扩充以及技术演进，光伏行业的持续发展以及 AMOLED 需求增长，市场规模有望进一步扩大。 竞争格局：壁垒高企，国外厂商占据大部分市场。 离子注入机行业存在较高竞争壁垒，行业集中度较高，整体而言整个市场主要由美国厂商垄断，美国应用材料公司和美国 Axcelis 公司合计占据全球 70%以上的市场。分领域来看，半导体制造领域应用材料、 Axcelis 和汉辰科技 AIBT 地位领先，太阳能电池生产领域主要为中国大陆万业企业旗下凯世通、美国 Intevac 和日本真空技术三家，其中万业企业旗下凯世通竞争地位领先， AMOLED面板制造领域被日本日新垄断。 国内边际变化：多因素助力晶圆厂建厂潮，国内厂商取得突破。 展望未来，从需求端的角度来看，政策、资金、市场三大因素助力中国内地晶圆制造产线增加，带来整体半导体设备投资金额的增加以及细分领域离子注入机的成长机遇。同时光伏产业政策与 AMOLED 产线扩充，下游领域良好成长将带动离子注入机需求。同时从供给端的角度看，国内离子注入设备的主要厂商为万业企业旗下凯世通和中科信，近年来两家公司分别在技术储备以及客户认证方面取得了良 好的进展，部分领域已经取得全球领先。未来离子注入设备有望成为显著受益国内市场需求发展的赛道。 投资建议。 我们认为，从全球的角度看，未来半导体制造 /太阳能电池 /AMOLED 离子注入设备行业呈现向好发展。对于国内市场，政策、资金、市场助力国内半导体设备迎来密集投资期，国内离子注入设备空间也将持续增长，同时国内厂商离子注入机也迎来良好进展和突破。建议关注国内领先企业万业企业（已收购凯世通 100%股权）和中科信（未上市）。 风险提示。 技术更新换代风险；下游投资不及预期风险；专利风险等。 Table_Report 相关研究 ： 半导体国产替代系列八 :刻蚀设备：半导体设备国产替代先锋 2019-09-30 半导体国产替代系列七 :技术突破加速，光刻胶有望吹响替代主旋律 2019-09-23 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 2 / 27 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 Table_impcom 重点公司估值和财务分析表 股票简称 股票代码 货币 最新 最近 评级 合理价值 EPS(元 ) PE(x) EV/EBITDA(x) ROE(%) 收盘价 报告日期 （元 /股） 2019E 2020E 2019E 2020E 2019E 2020E 2019E 2020E 汇顶科技 603160 CNY 199 2019/10/24 买入 246.50 4.93 5.96 40.37 33.39 42.56 35.62 35.6 30.1 韦尔股份 603501 CNY 140.69 2019/11/01 买入 126.00 0.70 2.80 200.99 50.25 86.61 38.75 3.7 13.0 卓胜微 300782 CNY 432 2019/10/29 买入 477.28 4.79 7.34 90.19 58.86 83.24 54.41 26.1 28.6 兆易创新 603986 CNY 188.5 2019/11/01 买入 209.72 2.14 3.50 88.08 53.86 80.70 50.23 13.2 17.8 澜起科技 688008 CNY 69.49 2019/11/04 买入 70.57 0.86 1.24 80.80 56.04 83.88 59.30 13.9 17.3 长电科技 600584 CNY 22.36 2019/11/12 买入 18.84 0.29 0.17 77.10 131.53 10.05 8.12 3.6 2.2 数据来源： Wind、广发证券发展研究中心 备注 ：表中估值指标按照最新收盘价计算 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 3 / 27 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 目录索引 离子注入机 ：半导体晶圆 制造等领域的关键设备之一 . 6 市场空间 ： 全球市场规模较大 ，未来有望继续扩大 . 8 半导体 制造 ： 25 亿美元空间，受益 下游需求与技术演进规模有望扩大 . 8 太阳能电池生产：离子注入 占整体比例相对较低，未来有望继续成长 . 9 AMOLED 面板制造 ：超过 3 亿美元空间，受益下游 AMOLED 浪潮 . 10 竞争 格局 ： 壁垒高企，国外厂商占据大部分市场 . 12 国内边际变化之一 ： 多因素助力 ，国内迎晶圆建厂潮 . 14 集成电路 ： 政策 、资金、市场助力，国内半导体设备迎来密集投资期 . 14 太阳 能电池 ：生产设备国产化率高，受益政策回暖市场继续成长 . 16 AMOLED：需求驱动 OLED 产线开出，未来中国大陆将占据重要市场 . 16 国内边际变化之二：国内供应商实现重要突破 . 18 万业企业旗下凯世通 ：全球领先太阳能离子注入机厂商，发力 IC/IGBT/AMOLED. 18 中科信 ： 国内领先的离子注入机生产厂商 ， 集成电路产品取得进展 . 21 离子 注入设备海外可比公司估值情况 . 22 投资建议 . 22 风险提示 . 22 附录 ：离子注入机在半导体制造 /太阳能电池 /AMOLED 领域应用 . 23 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 4 / 27 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 图表索引 图 1：离子注入示意图（低能 /低剂量 /快速扫描） . 6 图 2：离子注入示意图（高能 /大剂量 /慢速扫描） . 6 图 3：离子注入机结构 . 7 图 4：离子注入机工作原理 . 7 图 5：全球晶圆加工设备市场规模 18 年超 500 亿美元 . 8 图 6：各类晶圆加工设备占比，离子注入机占比 5% . 8 图 7：半导体晶圆产能（折合成 8 寸晶圆）稳步成长 . 9 图 8：全球光伏设备规模近年来稳步成长 . 9 图 9：全球面板设备投资规模展望 . 10 图 10：离子注入机占 AMOLED 设备规模比例约为 7% . 10 图 11：中小尺寸 AMOLED 面板需求稳步成长 . 11 图 12：华为的外折式可折叠手机 Mate X . 11 图 13： 2017 年全球离子注入机市场格局 . 13 图 14： 2017 年低能大束流离子注入机竞争格局 . 13 图 15：中国大陆半导体设备销售额规模与占比快速提升 . 15 图 16：全球与中国大陆光伏装机量，中国大陆占有一定比例 . 16 图 17：随着中国大陆产线开出，全球中小尺寸 AMOLED 产能供给稳步增长 . 17 图 18：凯世通营业收入逐年成长 . 18 图 19：凯世通归母净利润由负转正 . 18 图 20：凯世通人员职务组成（截至 2018 年 3 月 31 日） . 19 图 21：凯世通人员学历组成（截至 2018 年 3 月 31 日） . 19 图 22：中科信电子装备有限公司产品一览 . 21 图 23： 2016-2019.09 华力集成离子注入设备中标结果，中科信中标 1 台 . 22 图 24：集成电路前道工艺（ FEOL）： MOSFET 晶体管的制造过程 . 23 图 25：目前太阳能电池各类型占比， N 型不到 10% . 24 图 26： N 型电池中各类型占比 . 24 图 27： TOPCon 型 N 型电池工艺流程 . 24 图 28： AMOLED 面板制程一览 . 25 表 1： 离子注入优点一览 . 6 表 2： 离子注入机分类 . 7 表 3：光伏行业各环节所用设备一览 . 9 表 4： 全球主要国家及地区光伏装机预测（单位： GW） . 10 表 5： 全球从事离子注入机的设备企业总览 . 12 表 6：近年来与离子注入机相关的政策一览 . 14 表 7： 目前中国内地在建的 21 座晶圆厂 . 15 表 8：凯世通核心技术人员 . 19 表 9：凯世通太阳能离子注入机产品（暂未收录最新产品 IPV-6000） . 20 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 5 / 27 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 表 10：凯世通 2018 年 1-6 月前五大客户 . 20 表 11：凯世通低能大束流离子注入机产品参数 . 21 表 12：凯世通 AMOLED 离子注入机产品参数 . 21 表 13：离子注入机海外可比公司估值一览 . 22 表 14：各种太阳能电池类型对比 . 24 表 15：离子注入在 N 型电池的具体应用点 . 24 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 6 / 27 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 离子注入机 ：半导体晶圆 制造等领域的关键设备之一 在半导体晶圆制造中 ， 由于纯净硅的导电性能很差 ， 需要加入少量杂质使其结构和电导率发生改变 ， 从而变成一种有用的半导体 ， 这个过程称为掺杂。目前掺杂主要有高温热扩散法和离子注入法两种，离子注入占据着主流地位 ： 高温热扩散法 ： 将掺杂气体导入放有硅片的高温炉 中 ， 将 杂质扩散到硅片内 的方法。由于热扩散存在精度较难控制、高热热缺陷等缺点，在现在的工艺中已经较少采用。 离子注入法： 通过离子注入机的加速和引导，将要掺杂的离子以离子束形式入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子发生一系列理化反应，入射离子逐渐损失能量，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，最后停留在材料中 ，实现对材料表面性能的优化或改变。 离子注入具备精确控制能量和剂量、掺杂均匀性好、纯度高、低温掺杂、不受注射材料影响等优点，目前已经成为 0.25um特征尺寸以下和大直径硅片制造的标准工艺 。 图 1： 离子注入示意图 （低能 /低剂量 /快速扫描） 图 2： 离子注入示意图 （高能 /大剂量 /慢速扫描） 数据来源： 半导体制造技术 （电子工业出版社） ， 广发证券发展研究中心 数据来源： 半导体制造技术 （电子工业出版社） ， 广发证券发展研究中心 表 1： 离子注入 优点一览 数据来源： 半导体制造技术 （电子工业出版社） ， 广发证券发展研究中心 硅衬层掩蔽层 掩蔽层束扫描X j掺杂离子离子注入机低能低剂量快速扫描低掺杂浓度 （ n -， p -） 和浅结深（ x j ）硅衬层掩蔽层掩蔽层束扫描X j离子注入机高能大剂量慢速扫描高掺杂浓度 （ n + ， p + ） 和深结深（ x j ）掺杂离子优点 描述1. 精准控制杂质含量能在很大范围内精准控制注入杂质浓度，从 1010到 1017io n s / c m2（离子每平方厘米） , 误差在 2% 之间。扩散在高浓度控制杂质含量误差在 5% 到 10% 以内，但浓度越小误差越小2. 很好的杂质均匀性 用扫描的方法控制杂质的均匀性3. 对杂质穿透深度有很好的控制通过控制注入过程中离子能量控制杂质的穿透深度，增大了设计的灵活性，如埋层，最大杂质浓度在埋层里，最小浓度在硅片表面4. 产生单一离子束 质量分离技术产生没有玷污的纯离子束。不同的杂质能够被选出进行注入。高真空保证最少玷污5. 低温工艺 注入在中等温度（小于 125 C ）下进行，允许使用不同的光刻掩模，包括光刻胶6. 注入的离子能穿过薄膜杂质可以通过薄膜注入，如氧化物或氮化物。这就允许 M OS 晶体管阈值电压调整在生长栅氧化层之后进行。增大了注入的灵活性7. 无固溶度极限 注入杂质含量不受硅片固溶度限制识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 7 / 27 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 离子注入机与光刻机、刻蚀机和镀膜机并称四大核心装备 ，开发难度仅次于光刻机。 具体分类， 根据离子注入机通用规范（ GB/T 15862-2012），离子注入机按能量高低可分为：低能离子注入机、中能离子注入机、高能离子注入机和兆伏离子注入机；按束流大小可分为：小束流离子注入机、中束流离子注入机、 强流离子注入机和超强流离子注入机（通 常将强流离子注入机和超强流离子注入机统称为大束流离子注入机 ）。 由于 集成电路制程向 14nm及以下继续缩小 ， 源漏极 的结深相应减小 ， 为了实现浅层掺杂，低能大束流（高剂量 /浅度掺杂）日渐成为主流， 其技术难度也最高， 根据浦东投资的统计 ，目前低能大束流占有离子注入机市场的 55%。 按下游领域分类，目前离子注入机可用于众多领域，包括集成电 路与 IGBT制造领域、太阳能电池生产领域、 AMOLED面板制造等。 表 2： 离子注入机 分类 数据来源： 半导体制造技术 （电子工业出版社） ， 广发证券发展研究中心 离子注入机主要由离子源、磁分析器、加速管或减速管、聚焦和扫描系统、工艺腔 （ 靶室和后台处理系统 ）五部分组成。设备工作时， 从离子源引出的离子经过磁分析器选择出需要的离子，分析后的离子经加速或减速以改变离子的能量，再经过两维偏转扫描器使离子束均匀的注入到材料表面，用电荷积分仪可精确的测量注入离子的数量，调节注入离子的能量可精确的控制离子的注入深度。 图 3： 离子注入机结构 图 4： 离子注入机 工作原理 数据来源： 万业企业发行股份购买资产报告书（草案）（修订稿） ， 广发证券发展研究中心 数据来源： 万业企业发行股份购买资产报告书（草案）（修订稿） ， 广发证券发展研究中心 注入机分类 描述和应用中低电流高纯离子束，电流大于 10 mA束流能量一般小于 180 k e V多数情况下硅片固定，扫描离子束穿通注入专用大电流产生的离子束电流大于 10 mA 、 大剂量注入最大能到 25 mA离子束能量通常小于 120 k e V大多数情况下离子束固定，硅片扫描超浅源漏区注入的超低能束流（ 200eV 到 4 k e V ）高能束流能量超过 2 0 0 k e V ，最高达到几个 M e V向沟槽或厚氧化层下面注入杂质能形成倒掺杂阱和埋层氧注入机 大电流系统用于半导体上硅（ S OI ）的氧注入识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 8 / 27 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 市场空间 ： 全球市场规模较大 ，未来有望继续扩大 半导体 制造 ： 25 亿美元空间 ，受益 下游需求与技术演进规模有望扩大 根据 SEMI的统计 ， 2018年全球晶圆加工设备市场规模达到 502亿美元 ，同比增52%。 根据中商产业研究院的统计 ， 离子注入机占晶圆加工设备的比重大约为 5%，因此 2018年 用于 晶圆 制造的 离子注入机全球市场规模达到了 25亿美元 。 图 5： 全球 晶圆加工设备市场规模 18年超 500亿美元 图 6： 各类 晶圆加工设备占比 ， 离子注入机占比 5% 数据来源： SEMI， Wind， 广发证券发展研究中心 数据来源： Global Foundries， 中商产业研究院 ， 广发证券发展研究中心 展望未来 ， 我们认为半导体离子注入机行业的未来成长驱动力来源于两点 ： 一方面，离子注入机 长期看受益 于 全球半导体需求增加与产线产能的扩充。 全球半导体产业空间广阔， 根据 全球半导体贸易统计组织 （ WSTS）的数据，2018年全球半导体（含分立器件、光电子、传感器、集成电路）市场规模高达 4687.8亿美元，同比增 13.7%，十年复合增速达 6.5%。 展望未来，我们认为在 5G、 AI、汽车电子等新兴领域的驱动下，半导体的长期成长空间有望进一步拉大。 从半导体的应用结构来看，根据赛迪顾问的统计， 2018年半导体下游应用领域分别为通信（ 32.4%）、计算机（ 30.8%）、工业（ 12%）、消费电子（ 12%）、汽车（ 11.5%）、政府（ 1%），每个领域均有相应的成长点，5G网络的建设、人工智能的应用与产品升级、智能终端的技术创新以及自动驾驶 的持续渗透等，都带来了半导体产业市场规模的进一步提升。 从产能的数据来看 ，根据 SEMI的统计，预计未来 2019-2020年全球半导体晶圆产能 （折合成 8寸晶圆） 将以 4-5%的同比增速持续增长 。 随着半导体大厂产线的开出 与 产能的增加 ，离子注入机作为最重要的设备之一， 市场 规模也将 进一步提升。 - 10 0 %- 50 %0%5 0 %10 0%15 0%20 0%010 020 030 040 050 060 0（亿美元）晶圆处理设备市场规模 同比增速（右轴）30%20%15%10%10%5%5%5%光刻机刻蚀机P V DCV D量测设备离子注入机CM P扩散 / 氧化设备识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 9 / 27 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 图 7： 半导体晶圆产能（折合成 8寸晶圆）稳步成长 数据来源： SEMI， Bloomberg， 广发证券发展研究中心 另一方面，工艺制程的进步增加了离子注入的工艺工序。 当前采用嵌入式存储器的 CMOS集成电路的注入工序多达 60多道。展望未来， 在摩尔定律的推动下，集成电路的线宽 将 不断缩小以应对元器件集成度大幅提高的要求，而这 会 直接导致了制造工艺步骤增多与复杂度增加。 根据 SEMI统计， 20nm工艺所需总工序约为 1000道 ， 而 10nm和 7nm工艺所需总工序已超过 1400道 。 太阳能电池生产 ： 离子注入 占整体比例相对较低，未来有望继续成长 整体光伏产业来看，根据 中国光伏行业协会 （ CPIA）的统计， 2018年全球光伏设备市场规模为 48亿美元 ， 同比增 8%。太阳能光伏设备可分为硅片生产、电池生产和组件生产三个环节的设备，其中离子注入主要用于电池生产，由于全球仅万业企业旗下凯世通、美国 Intevac和日本真空技术三家生产太阳能离子注入机，根据 万业企业 公告， 2017年 万业企业旗下 凯世通和 Intevac分别销售 15和 2台离子注入机（日本真空技术未披露销量），以 600万人民币的平均单价来测算 ， 则 2017年离子注入机的市场规模至少为 1.02亿人民币 ， 占 2017年全球光伏设备市场规模为 0.3%以上 。 图 8： 全球 光伏设备规模近年来稳步成长 表 3： 光伏行业各环节所用设备一览 数据来源： 中国光伏行业协会 CPIA， 广发证券发展研究中心 数据来源： 万业企业发行股份购买资产报告书（草案）（修订稿） ， 广发证券发展研究中心 0%1%2%3%4%5%6%051015202530（ KK/ 月，折合成 8 寸晶圆）A na l og Di s c r ete F ou nd r y Lo gi c ME MSMe mo r y Mi c r o O pto O the r Y oY （右轴）130.036.017.523.628.335.444.6 48.0- 8 0 %- 60 %- 40 %- 20 %0%20 %40 %60 %02040608010 012 014 020 11 20 12 20 13 20 14 20 15 20 16 20 17 20 18（亿美元）全球光伏设备销售收入 同比增速（右轴）设备环节 主要设备硅片生产 多晶硅铸锭炉、单晶硅生长炉、切割机电池生产 清洗机、制绒刻蚀机、离子注入机、扩散炉、 P E C V D 、丝网印刷设备等组件生产 检测、焊接、层压、装框、分选、专用生产设备等识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 10 / 27 Table_PageText 行业专题研究 |半导体 展望未来，随着国内光伏建设的政策支持与方案落地，叠加欧洲、印度与其他新兴国家的发力，全球光伏装机量有望持续增长，从而带来整体光伏设备与太阳能离子注入设备行业的继续成长。 表 4： 全球主要国家及地区光伏装机预测（ 单位： GW） 数据来源： BP、 SolarPower Europe， 广发证券发展研究中心 AMOLED 面板制造 ：超过 3 亿美元空间，受益下游 AMOLED 浪潮 根据 DSCC和 DIGITIMES的统计 ， 2019年全球 OLED面板设备的投资有望达到52亿美元 。 AMOLED制程可分为前段、中段与后段， 根据万业企业公告， AMOLED生产前段、中段与后段三个制程的设备投入占比分别约为 70%、 25%、 5%，其中AMOLED离子注入机投资约占 AMOLED前段设备投资额的 10%。 因此 整体而言AMOLED离子注入机占整体 AMOLED设备支出的 7%，市场规模至少为 3.64亿美元 。 图 9： 全球 面板设备投资规模展望 图 10： 离子注入机占 AMOLED设备规模比例约为 7% 数据来源： DSCC， DIGITIMES， 广发证券发展研究中心 数据来源： 万业企业发行股份购买资产报告书（草案）（修订稿） ， 广发证券发展研究中心 OLED屏幕相比 LCD屏幕具备显示效果好、更轻薄、能耗低、可实现柔性效果等优点，随着技术的逐渐成熟与成本的逐渐下降，在智能手机中的渗透率 将 不断提升。国家 / 年份 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019E 2020E中国 1 1 . 0 1 0 . 6 1 5 . 1 3 4 . 5 5 3 . 1 4 4 . 4 4 4 . 5 5 1 . 2美国 4 . 8 6 . 2 7 . 5 1 5 . 1 1 0 . 6 1 0 . 6 1 2 . 0 1 4 . 5日本 6 . 8 9 . 3 1 1 . 0 8 . 6 6 . 6 6 . 5 6 . 4 9 . 0欧洲 1 1 . 0 8 . 0 8 . 8 6 . 7 1 1 . 3 1 1 . 0 2 0 . 4 2 2 . 0拉美 0 . 4 0 . 9 2 . 2 2 . 5 3 . 0 4 . 0 7 . 0 1 0 . 0印度 1 . 0 0 . 8 2 . 0 4 . 5 9 . 6 8 . 3 1 3 . 0 1 4 . 0其他 2 . 0 9 . 3 9 . 9 6 . 5 1 0 . 7 1 9 . 4 2 1 . 2 2 5 . 0总计 3 7 . 0 4 5 . 1 5 6 . 5 7 8 . 5 1 0 4 . 9 1 0 4 . 1 1 2 4 . 5 1 4 5 . 702040608010 01 2 014 020 18 20 19 E 20 20 E 20 21 E 20 22 E（亿美元）O L E D 投资 L CD 投资前段设备 - 离子注入机7%前段设备 - 其他63%中段设备25%后段设备5%