2019年中国半导体设备行业概览.pdf

1 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编码19RI0807 2019 年中国半导体设备行业概览 分析师：苏素 2019 年 11 月 概览标签：半导体、集成电路、光刻机、精益制造 概览摘要： 半导体设备行业是半导体产业链的支撑行业， 为集成电路的制造与封测过程提供相关机器设备。 当前，计算程序及信息处理格局正在发生意义深远的变化，人工智能和大数据技术的发展使数据生成、处 理和存储的要求愈发提高，半导体产品作为核心硬件其需求将在现有基础上进一步扩大。需求的扩张将进 一步刺激现有半导体产业的产能扩张，大量的新增产品线将为半导体设备行业提供源源不断的订单。预计 未来中国半导体设备行业市场规模（以销售额计）将在未来五年以 19.1%的年复合增长率高速增长，到 2023 年达到 1,429 亿美元。 半导体产品更迭驱动制造技术发展 每一代新的半导体产品产能的提升都将带来大量新设备的需求缺口。 当前数字集成电路产品主要使用 12 寸 晶圆，为实现最大受益，预计未来 12 寸晶圆产能占比还将继续提升，以 12 寸为主的先进半导体设备需求 量巨大。半导体产品寿命周期短，更新换代速度快，由于产品更迭是建立在半导体制造技术的不断发展与 设备的逐代更新上，将不断推动半导体设备行业的技术发展。 晶圆产能扩张倒逼行业发展 中国市场晶圆供不应求的现状促使当前中国兴起 12 寸晶圆代工厂的建厂热潮，新厂的建立与旧厂的扩产 情况明显。大数据、5G 等算力高、存储量大的技术逐渐落地于商用化场景，12 寸晶圆需求有望步入长期 增长的状态。 当前， 中国半导体设备行业难以提供性能稳定的商用 12 寸晶圆制造设备， 在晶圆产能需求不 断增长的大背景下，将倒逼中游内资设备商进行技术自主研发，减少对外依存，实现国产替代。 宏观政策利好行业发展 去年以来， “中兴事件”及“华为事件” ，使中国尚在成长的半导体产业对外依存度高、进口量大等问题暴 露出来。贸易战中美国禁止美国企业向中兴出售任何电子技术或通讯元件，中方企业发展受到较大阻力， 半导体行业对中国的战略重要性日益凸显。在瓦森纳协议的技术封锁下，仅靠一个企业或一个行业来 发展中国半导体产业都无法在短时间内缩短与发达国家的技术水平差距。在此背景下，中国政府立项成立 国家集成电路产业投资基金，对中国半导体产业大力投资。 企业推荐： 京仪电子 理工晶科 华腾半导体 报告提供的任何内容（包括但不限于数据、文字、图表、图像等）均系头豹研究院独有的高度机密性文件（在报告中另行标明出处者除外）。未经头豹研究院事先书面许可，任何人不得以任 何方式擅自复制、再造、传播、出版、引用、改编、汇编本报告内容，若有违反上述约定的行为发生，头豹研究院保留采取法律措施，追究相关人员责任的权利。头豹研究院开展的所有商业 活动均使用“头豹研究院”或“头豹”的商号、商标，头豹研究院无任何前述名称之外的其他分支机构，也未授权或聘用其他任何第三方代表头豹研究院开展商业活动2 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 目录 1 方法论 . 6 1.1 研究方法 . 6 1.2 名词解释 . 7 2 中国半导体设备行业市场综述 . 9 2.1 中国半导体设备行业定义 . 9 2.2 中国半导体设备行业主要细分产品市场分析 . 10 2.3 中国半导体设备行业市场现状 . 15 2.4 中国半导体设备行业产业链 . 16 2.4.1 上游分析 . 17 2.4.2 下游分析 . 17 2.5 中国半导体设备行业市场规模 . 20 3 中国半导体设备行业驱动因素分析 . 21 3.1 半导体产品更迭驱动半导体制造技术发展 . 21 3.2 晶圆产能扩张倒逼行业发展 . 21 3.3 宏观政策利好行业发展 . 23 4 中国半导体设备行业政策分析 . 24 5 中国半导体设备行业市场趋势 . 26 5.1 摩尔定律放缓将缩短中西方技术差距 . 26 5.2 半导体设备国产化率逐渐提高 . 27 6 中国半导体设备行业竞争格局分析 . 28 6.1 中国半导体设备行业竞争格局概述 . 28 3 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 6.2 中国半导体设备行业投资企业推荐 . 30 6.2.1 北京京仪世纪电子股份有限公司 . 30 6.2.2 西安理工晶体科技有限公司 . 31 6.2.3 深圳市华腾半导体设备有限公司 . 33 4 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 图表目录 图 2-1 中国半导体产业链一览图 . 9 图 2-2 半导体价值链的价值放大链 . 10 图 2-3 光刻机市场参与者分析 . 11 图 2-4 刻蚀机市场参与者分析 . 11 图 2-5 薄膜沉积设备市场参与者分析 . 11 图 2-6 单晶炉市场参与者分析 . 12 图 2-7 气相外延炉市场参与者分析 . 12 图 2-8 分子束外延系统市场参与者分析 . 12 图 2-9 氧化炉市场参与者分析 . 13 图 2-10 磁控溅射台市场参与者分析 . 13 图 2-11 离子注入机市场参与者分析 . 13 图 2-12 化学抛光机市场参与者分析 . 14 图 2-13 晶圆划片机市场参与者分析 . 14 图 2-14 引线缝合机市场参与者分析 . 14 图 2-15 全球半导体设备市场分布（以销售额计，十亿美元） ，2018 . 15 图 2-16 中国半导体设备行业产业链 . 16 图 2-17 中国半导体晶圆制造行业市场规模（以销量计） ，2014-2023 年预测 . 19 图 2-18 中国半导体设备行业市场规模（以销售额计） ，2014-2023 年预测 . 20 图 3-1 半导体产品更迭趋势 . 21 图 3-2 中国规模以上电子信息产业制造业主营业务收入，2008-2018 年 . 22 图 3-3 瓦森纳协议限制中方学习先进半导体设备技术 . 23 5 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 图 4-1 中国半导体设备行业相关政策分析 . 25 图 5-1 后摩尔时代技术更迭速度放缓 . 27 图 5-2 内资半导体设备企业驱动因素分析 . 28 图 6-1 全球半导体设备及材料市场份额（以销售额计） ，2014-2018 年 . 29 图 6-2 京仪电子主要产品线 . 30 图 6-3 光伏产业带动理工晶科发展 . 32 图 6-4 华腾半导体主要产品 . 33 6 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 1 方法论 1.1 研究方法 头豹研究院布局中国市场， 深入研究 10 大行业， 54 个垂直行业的市场变化， 已经积累 了近 50 万行业研究样本，完成近 10,000 多个独立的研究咨询项目。 研究院依托中国活跃的经济环境， 从半导体、 装备制造等领域着手， 研究内容覆盖 整个行业的发展周期，伴随着行业中企业的创立，发展，扩张，到企业走向上市及 上市后的成熟期， 研究院的各行业研究员探索和评估行业中多变的产业模式， 企业 的商业模式和运营模式，以专业的视野解读行业的沿革。 研究院融合传统与新型的研究方法， 采用自主研发的算法， 结合行业交叉的大数据， 以多元化的调研方法， 挖掘定量数据背后的逻辑， 分析定性内容背后的观点， 客观 和真实地阐述行业的现状， 前瞻性地预测行业未来的发展趋势， 在研究院的每一份 研究报告中，完整地呈现行业的过去，现在和未来。 研究院密切关注行业发展最新动向，报告内容及数据会随着行业发展、技术革新、 竞争格局变化、政策法规颁布、市场调研深入，保持不断更新与优化。 研究院秉承匠心研究， 砥砺前行的宗旨， 从战略的角度分析行业， 从执行的层面阅 读行业，为每一个行业的报告阅读者提供值得品鉴的研究报告。 头豹研究院本次研究于 2019 年 11 月完成。 7 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 1.2 名词解释 半导体： 常温状态下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料， 其导电性能可受控制， 是 电子产品核心单元的主要生产原材料， 典型的半导体有硅 （Si） 、 锗 （Ge） 、 砷化镓 （GaAs） 等。 晶圆： 由半导体材料通过一系列复杂的工艺制作而成的圆形片状物， 是制造半导体器件 的基础原料。 晶圆制造：对晶圆进行生产以供终端产品使用的流程。 衬底：由半导体单晶材料制造而成的晶圆片。 外延：在衬底上生长一层新单晶的过程。 单晶：内部微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列的结晶体。 多晶：众多取向晶粒单晶的集合。 化学气相沉积：Chemical Vapor Deposition（CVD） ，利用有机金属热分解反应方式 在衬底上进行气相外延，以实现衬底上薄膜制备的工艺。 分子束外延：Molecular Beam Epitaxy（MBE） ，一种在晶体基片上生长高质量的晶体 薄膜的新技术。 在超高真空条件下， 由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸汽， 经 小孔准直后形成的分子束或原子束， 直接喷射到适当温度的单晶基片上， 同时控制分子 束对衬底扫描，可使分子或原子按晶体排列，一层层地长在基片上，形成薄膜。 裸晶片： Bare Wafer， 对自然界中的半导体材料提炼和提纯， 拉制成晶锭后切割而成的 半导体圆片。 物理气相沉积：Physical Vapor Deposition（PVD） ，在真空条件下，用物理的方法使 材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。 集成电路： Integrated Circuit， （IC） ， 一种微型电子器件或部件， 是由一定数量的常用 8 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成 在一起的具有特定功能的电路。 功率半导体器件：具有处理高电压、大电流能力的半导体器件，也称电力电子器件。 摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔 18-24 个月便 会增加一倍，性能也将提升一倍。 瓦森纳协议 ： 即 关于常规武器和两用物品及技术出口控制的瓦森纳协定 ，规 定 成 员国自行决定是否发放敏感产品和技术的出口许可证， 并在自愿基础上向其他成员国通 报有关信息， 主要成员国包括美国、 日本、 俄罗斯等世界主要的工业设备和武器制造国。 9 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 2 中国半导体设备行业市场综述 2.1 中国半导体设备行业定义 半导体设备行业是半导体产业链的支撑行业， 为集成电路的制造与封测过程提供相关机 器设备， 广义上半导体设备行业涵盖所有与半导体产品制造相关的机器设备。 本篇文章主要 研究狭义上的半导体设备行业， 即应用于集成电路制造与集成电路封测过程中的相关机器设 备。 半导体设备的主要产品有光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、分选 机等。以上设备分别对应集成电路制造、封装、测试等不同工序，共同为集成电路的整个生 产流程提供硬件基础。 图 2-1 中国半导体产业链一览图 来源：头豹研究院编辑整理 半导体作为电子信息产业的基础， 其发展情况与国民经济水平息息相关。 根据国际货币 基金组织的测算， 每 1 美元半导体集成电路的产值可带动 10 倍电子信息产业产值及 100 美 元的 GDP 增长。根据“设备推动工艺，工艺作用于产品”的驱动链，半导体设备的重要性 不言而喻。 半导体设备行业经过产业链的价值放大效应， 成为直接影响国民经济的支柱产业。 10 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 图 2-2 半导体价值链的价值放大链 来源：头豹研究院编辑整理 在过去数十年间， 集成电路行业迅速发展， 产品加工面积逐倍缩小， 工艺复杂程度逐年 提升， 对制造设备的加工精度与稳定性要求不断提高。 而半导体的产品制造对设备依赖程度 极高， 一条技术领先的半导体产品产线投资中， 设备通常占总成本的 70%以上。 固态计算、 通信、 航空航天、 消费电子工业都严重依赖半导体器件与集成电路， 体量庞大的半导体制造 业衍生了巨大的设备市场需求。 2.2 中国半导体设备行业主要细分产品市场分析 半导体制造工序繁杂，制造流程繁琐，一个半导体产品产线需要大量半导体设备支撑。 在整个半导体设备市场中， 晶圆制造设备占整体的 70%以上， 封装及组装设备约占 9%， 测 试设备约占 10%，其他设备约占 5-11%。而在晶圆制造设备中，光刻机、刻蚀机、薄膜沉 积设备为核心设备，分别占晶圆制造环节设备成本的 30%、25%、25%。 半导体产品制程涉及光学、 物理、 化学等多基础学科的技术， 技术壁垒高、 制造难度大、 研发投入高， 因此半导体设备普遍单台价值较高。 大部分厂商都将科研力量集中于少数产品 线，不同的设备市场间市场参与情况差别较大。 （1） 光刻机 11 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 图 2-3 光刻机市场参与者分析 来源：ASML 官网、头豹研究院编辑整理 （2） 刻蚀机 图 2-4 刻蚀机市场参与者分析 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 （3） 薄膜沉积设备 图 2-5 薄膜沉积设备市场参与者分析 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 （4） 单晶炉 12 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 图 2-6 单晶炉市场参与者分析 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 （5） 气相外延炉 图 2-7 气相外延炉市场参与者分析 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 （6） 分子束外延系统 图 2-8 分子束外延系统市场参与者分析 13 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 （7） 氧化炉 图 2-9 氧化炉市场参与者分析 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 （8） 磁控溅射台 图 2-10 磁控溅射台市场参与者分析 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 （9） 离子注入机 图 2-11 离子注入机市场参与者分析 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 14 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 （10） 化学抛光机 图 2-12 化学抛光机市场参与者分析 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 （11） 晶圆划片机 图 2-13 晶圆划片机市场参与者分析 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 （12） 引线缝合机 图 2-14 引线缝合机市场参与者分析 15 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 来源：公开资料整理、头豹研究院编辑整理 2.3 中国半导体设备行业市场现状 近五年来， 中国半导体产业的整体蓬勃发展释放出巨大的半导体设备需求， 当前中国大 陆在全球半导体设备销量中占比高达 15%以上（见图 2-15） ，这一比例随着中国半导体产 业发展还在进一步扩大。 但受制于行业整体起步晚， 技术水平落后的现状，中国本土厂商的 半导体设备只占全球市场份额 1-2%，且国产产品整体处于半导体设备价值链底层， 难以为 先进半导体产品制造提供技术领先的设备。 图 2-15 全球半导体设备市场分布（以销售额计，十亿美元） ，2018 来源：头豹研究院编辑整理 半导体设备行业研发成本高、 研发周期长， 受中国相对落后的半导体设备技术研发水平 制约， 中国厂商的议价能力总体偏弱， 由于产品技术落后， 设备售价低且市场份额只占 1%- 2%。有限的盈利空间使得中国本土半导体设备厂商难以独立承担高额的自主研发费用，内 资半导体设备头部企业主要由政府直接下拨专项资金的国企组成。 在半导体制造领域，内资头部企业主要有中电科、晶盛机电、捷佳伟创、北方华创、中 微半导体及上海微电子组成。 中电科的主要产品有离子注入机、 CMP、 键合机、 封装设备。 晶盛机电的产品线覆盖多晶铸锭炉、单晶炉等晶体生长设备。捷佳伟创主要生产制绒设备、 16 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 扩散设备和清洗设备。北方华创的主要产品有刻蚀机、镀膜设备、CVD 设备、氧化扩散设 备、清洗机、辅助设备。中微半导体主要生产刻蚀和 MOCVD 设备。上海微电子则主要生 产光刻机。 虽然在集成电路制造领域， 国产产品市占率较低。但在集成电路封测领域，特别是在测 试、清洗、CMP、晶圆检测、切割等工序，国产设备市场占有率在近三年取得了突破。 目前，中国测试设备竞争较为激烈，国际厂商有泰瑞达、爱德万、科利登等，中国厂商 如华峰、长川等占据了领先的行业地位。华峰和长川科技已经在技术上取得了一定的突破， 利用成本优势，从分立器件测试、模拟测试、分选机等低端测试领域开始，和国际厂商展开 竞争，并取得了一定的市场份额。 2.4 中国半导体设备行业产业链 中国半导体设备产业链上游市场参与者为精密材料提供商、SECS/GEM 通信软件供应 商及生产设备供应商， 产业链中游为中国半导体设备制造商， 产业链下游应用领域市场参与 者有半导体晶圆和集成电路制造企业及封装测试企业（见图 2-16） 。 图 2-16 中国半导体设备行业产业链 来源：头豹研究院编辑整理 17 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 2.4.1 上游分析 中国半导体设备产业链上游市场参与者为精密材料提供商、SECS/GEM 通信软件供应 商及生产设备供应商。 中国半导体设备总成本中，70%以上为材料成本，材料中 90%使用金属材料。微电子 时代， 半导体制作工艺趋于精益化， 设备操作更多是在纳米级别的场景中完成， 半导体设备 材料也由普通金属转为特钢、合金等精密材料。 软件成本占半导体设备总成本的 25%左右。通过对在半导体设备行业拥有数年测试运 营经验的专家进行访谈得知， 随着晶圆制造、 加工对生产自动化的要求不断提高， 集束制造 设备逐渐成为主流加工设备。 集束设备是将数个有相关性， 但不相同的制造机台聚集在一起 成为一个生产设备。 集束型设备的多样动态行为使得整体设备控制成为难题。 为解决集束型 设备在控制上所面临的整合问题，国际半导体设备及材料协会(SEMI)制定集束型设备的软 件通信协议标准 SECS/GEM 来发展控制软件，来实现软件的标准化。绝大多数半导体设备 企业自行组建科研团队进行控制软件的开发，也有少部分中小半导体设备企业外包给 SECS/GEM 通信软件供应商。 在半导体设备的具体生产过程中，主要由“机械+人工”的模式进行零部件组装。由于 半导体设备属于精益设备，人工组装部分只占总工序 20%-30%的部分，核心零部件均由工 业机器人产线进行自动化组装。 2.4.2 下游分析 产业链下游应用领域市场参与者有半导体晶圆的制造企业， 集成电路制造及封装测试企 业。 （1）半导体晶圆制造及集成电路制造业 18 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 半导体晶圆是制造集成电路的核心原材料， 决定了集成电路产品质量水平。 过去五年间， 受中国电子信息产业蓬勃发展的影响， 中国半导体晶圆制造行业快速发展。 中国半导体行业 协会数据显示，2014 至 2018 年，中国半导体晶圆制造行业市场规模由 712.1 亿元增长至 1,818.2 亿元，年复合增长率为 26.4%，展现了良好的增长态势。 中国大陆是全球最大的半导体消费地区， 同时又具有高速增长的经济环境和低廉的劳动 力成本，是全球晶圆制造企业设厂的重要目的地。目前，台积电、格罗方德、联华电子等国 际晶圆生产代工企业已在中国南京、上海、重庆、西安等地建厂，在中国形成了以长三角、 珠三角、 京津冀与中西部为主的四大产业聚集地， 行业发展潜力巨大。 本土代表企业为中芯 国际已突破 14nm 晶圆先进制程工艺，正在布局 12nm 晶圆的工艺研发，在工艺水平上逐 渐步入全球一线半导体晶圆制造企业行列， 市场地位不断提高。 除了中芯国际之外， 中国大 陆还有一批半导体晶圆制造企业，例如华虹半导体、紫光国芯、长江存储、上海先进、华润 微电子等， 虽然此类企业生产工艺， 尤其纳米级别的生产技术有待进一步提高， 但现阶段均 已形成了一定的生产规模，未来具有较大的发展潜力。 受集成电路市场需求增长、政策助推、半导体产业链完善及资本聚集效应的影响，预计 未来五年中国半导体晶圆制造行业市场规模（以销量计）将以 26.4%的年复合增长率持续 快速增长，并于 2023 年达到 5,865.5 亿元的市场规模（见图 2-17） 。 19 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 图 2-17 中国半导体晶圆制造行业市场规模（以销量计） ，2014-2023 年预测 来源：中国半导体行业协会，头豹研究院编辑整理 （2）半导体封测行业 集成电路封装测试分为封装与测试两个环节： 封装环节将芯片与引线框架上的芯片焊盘与引脚相连接以达到稳定驱动芯片的目 的，并使用塑封料保护芯片免受外部环境的损伤； 测试环节主要目的为测试芯片的性能并将不同等级的芯片进行分类。 近五年来， 中国封装测试行业集中度逐渐增加， 形成了以长电科技、 华天科技和通富微 电子为代表的头部企业。虽然外资封装测试企业在市场规模、技术水平上的优势较大，但中 国本土封装测试企业不断积累技术，逐步扩大产能，持续新建高端产品生产线，以实现技术 赶超。 目前，中国封装测试企业中超过 50%仍为小型规模企业，但服务产品已从中低端产品 逐渐扩展至高产品附加值、高技术要求的前沿封测技术服务，如 BGA、FC、CSP、MCM、 MEMS 等。随着中国集成电路产业链逐渐完善，封装测试技术水平不断提升，相关企业的 议价能力有望显著提高。 20 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 2.5 中国半导体设备行业市场规模 中国半导体产业的高速发展带动了中国半导体设备行业的高速发展， 过去 5 年， 中国半 导体设备市场规模（以销售额计）从 359 亿美元上升到 596 亿美元，五年复合增长率达 13.5%。 当前， 计算程序及信息处理格局正在发生意义深远的变化， 人工智能和大数据技术的发 展使数据生成、 处理和存储的要求愈发提高， 半导体产品作为核心硬件其需求将在现有基础 上进一步扩大。 需求的扩张将进一步刺激现有半导体产业的产能扩张， 大量的新增产品线将 为半导体设备行业提供源源不断的订单。 预计未来中国半导体设备行业市场规模 （以销售额 计） 将在未来五年以 19.1%的年复合增长率高速增长， 到 2023 年达到 1,429 亿美元 （见图 2-18） 。 图 2-18 中国半导体设备行业市场规模（以销售额计） ，2014-2023 年预测 来源：wind，头豹研究院编辑整理 21 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0807 3 中国半导体设备行业驱动因素分析 3.1 半导体产品更迭驱动半导体制造技术发展 人类社会进入微电子时代以来， 集成电路的最细线宽逐年递减， 器件微缩促使每种功能 电路的单位成本大幅降低， 器件集成化是半导体行业整体发展的趋势之一。 当前， 半导体制 程工艺还在不断向更小的尺寸突破， 产品的运算速率及存储容量都在不断提升。 先进的制程 工艺对制造过程中掩膜版数目、光刻机波长、刻蚀机精度都提出了更高的要求。 每一代