半导体设备行业深度报告：装机大年到来，国产设备随“芯”崛起.pdf

机械设备 | 证券研究报告 板块最新信息 2017 年 12 月 22 日 增持 公司名称 股票代码 收盘价 评级 北方华创 002371.CH 37.45 买入 晶盛机电 300316.CH 20.92 买入 长川科技 300604.CH 56.65 买入 至纯科技 603690.CH 19.49 买入 Table_Source 资料来源：万得，中银 证券 以 2017 年 12 月 19 日当地货币收市价为标准 主要催化剂 /事件 下游中芯 国际等厂商技术持续突破 物联网、 IoT、 AR/VR、车载等市场的 爆发 半导体 设备厂商 新产品的 推出 相关研究报告 备战 2018“千亿装机”大年，国产半导体设备如沐春风 2017.11.16 长川 科技 ：专注半导体检测设备，具备长期成长潜力 2017.6.7 中银国际证券有限责任公司 具备证券投资咨询业务资格 Table_Industry 机械设备 : 电子 专用设备 Table_Analyser 杨绍辉 * (8621)20328569 shaohui.yangbocichina 证券投资咨询业务证书编号： S1300514080001 *陈祥为本报告重要贡献者 Table_Title 半导体 设备 行业深度报告 装机大年到来 ， 国产 设备随“芯”崛起 Table_Summary 作 为先进 制造的典型， 半导体 产业 正在经历深刻变化： 以 巨大市场 为 引力，在 政策和 基金双重 机制 保驾护航 下 ， 半导体 产业 发展 驶入快车道， 加速向中国转移 进程 。 中国大陆 加速投资半导体晶圆制造生产线 ， 2018-19 年 有望迎来装机热潮，为国产设备提供爆发式增长的历史性机遇 。 国内 设备 产品 技术追赶已取得初步成果，部分机台已 具备 进口替代的能力， 有望 率先享受 下游扩产红利 ， 迎接 设备 需求高峰。 重点推荐 产品 线最丰富 、覆盖晶圆 制造核心设备 20%价值量的北方华创， 专注 半导体领域 高纯 工艺系统的集成 供应商至纯科技，以光伏为基础 谋求 半导体 市场 爆发的晶盛机电， 同时 推荐 检测 设备 唯一 标的 长川科技， 关注 超净间系统 供应商 亚翔集成 。 支撑评级的要点 信息安全、 市场 需求 、 进口替代是国内发展半导体产业的内在动力。 半导体 产业关乎国家信息安全， 至关 重要 。下游 市场 迅速 扩张 ，叠加 产业转移 促使中国大陆半导体市场迅速 发展 ， 已 成 为 成长 速度最快的主体市场。 晶圆厂 产能向我国大陆转移。 半导体产业的全球格局稳中含变，稳在 欧美 、 日韩 、 台湾依然是半导体先进国家（地区），变在中国大陆正在 加速追赶， 部分 企业已进取第一梯队，以及 在半导体 设备 领域 进口替代 正在 进行 。 据 SEMI 统计 ， 未来 几年 中国大陆计划投资的晶圆厂有 26 座，超过 全球计划建设项目的 四成 。 半导体设备全球市场回暖 。 根据 SEMI 预计， 2017 年有望达到 559 亿元，同比 增长 36%， 创下历史新高； 2018 年有望达到 600 亿美元的规模 ， 再创新高。全球前十大半导体设备厂商的市场占有率超过 90%，处于 寡头垄断局面。 国内 半导体产业的发展带动了整个产业链的投资需求，半导体设备率先获益。 近年来中国半导体设备投资增速全球 第一，投资额逐年提高，全球占比逐年增加，保持全球占比前三名。据推算 ， 2017 年投资额或将达到 70 亿美元 ， 达到近 5 年的峰值，对 国产设备切入提供 历史 性机遇。 国内 半导体设备国产化率低，但前景乐观。 国内 35 家 半导体设备企业，2017 年设备销售额 有望 达到 76 亿 元 左右 （ 相较于 2016 年 57.33 亿元， 增长 33%） ， 国产化率 达 16%， 仍有较大 提高空间 。 国产设备厂家主要包括 北方 华创、中微、 中微半导体设备公司 、上海微电子设备研究所、 中电科技集团公司、 晶盛机电、沈阳拓荆 、 盛美 半导体、 沈阳芯源、 和长川科技等。 重点推荐北方 华创 、至纯科技、长川科技、晶盛机电 。 评级面临的主要风险 半导体设备 研发不及预期，新建晶圆厂进度低于预期 。 重点推荐 北方华创 （ 002371.CH） ： 产品线最丰富、覆盖晶圆制造核心设备 20%价值量 ， 体量 最大的半导体设备 公司 ， 首次 给予 买入 评级 。 至纯科技 （ 603690.CH） ： 战略 主攻半导体晶圆厂 市场， 有望实现高纯工艺系统的进口替代， 有望充分 受益此轮半导体晶圆厂扩建的 浪潮 ，首次 给予 买入 评级 。 晶盛机 电 （ 300316.CH） ： 硅生长 设备龙头公司， 抓住 光伏产业复苏浪潮，紧盯半导体 设备 市场， 蓄势待发 ，等待 下游 需求的 放量， 首次 给予 买入 评级 。 2017 年 12 月 22 日 半导体设备行业深度报告 2 目录 名词解释 . 7 投资摘要 . 9 半导体产业景气度高，市场、政策双引擎驱动国产化 . 9 半导体产业加速向大陆转移，为设备国产化带来大机遇 . 9 半导体国产设备方兴未艾，进口替代是大势 所趋 . 10 重点推荐北方华创、长川科技、晶盛机电、至纯科技、 . 10 一、半导体器件分类细分市场 . 11 1.1 半导体终端产品：应用 广泛且至关重要 . 11 1.2 半导体器件市场规模：集成电路产业占大头 . 12 1.3 大产值半导体器件：存储器与逻辑芯片 . 13 二、半 导体行业迎来向上大周期 . 18 2.1 全球半导体产业景气度向上 . 18 2.2 新元素催生本轮电子大周期 . 19 2.3 创造性技术变革带 来市场新发展 . 22 三、中国半导体产业发展黄金时机 . 26 3.1 半导体产业加速向中国转移 . 26 3.2 中国大陆半导体 各环节 齐头并 进 . 26 3.3 中国大陆掀起晶圆厂建设热潮， 18-19 年有望迎来抢装潮 . 29 四、集成电路产业链和制造工艺及设备 . 32 4.1 集 成电路产业链：涉及领域广，规模巨大 . 32 4.2 硅晶圆生产 ： 单晶炉 是关键设备 . 33 4.3 集成电路制造复杂，技术含量高，设备难度大 . 35 4.4 封装测试：半导体后段制程，根据产品需求设计 . 45 五、中国半导体设备行业方兴未艾 . 51 5.1 投资需求增加，设备率先受益 . 51 5.2 半导体设备全球竞争格局：呈现寡头垄断 . 53 5.3 中国大陆政策 +资金，助力半导体产业发展 . 54 2017 年 12 月 22 日 半导体设备行业深度 报告 3 5.4 设备国产化正当时，新秀公司全面崛起 . 58 5.4 国内半导体设备产业投资值得关注的方向 . 62 风险提示 . 66 北方华创 . 67 晶盛机电 . 69 至纯科技 . 71 研究报告中所提及的有关上市公司 . 73 2017 年 12 月 22 日 半导体设备行业深度报告 4 图表 目录 图表 1. 估值表 . 10 图表 2. 电子产品集成多个 IC 模块 . 11 图表 3. 手机与 PC 采用集成电路产品情况对比 . 11 图表 4. 不同类别存储器对比 . 12 图表 5. 半导体产品分类及 2016 年各细分市场规模 . 13 图表 6. 2017 预测 IC 市场增长前五情况 . 13 图表 7. 2016Q1-2017Q2 DRAM 与 NAND Flash ASP 售价季环比涨幅 . 14 图表 8. 三大 DRAM 厂商 2017 扩产计划 . 14 图表 9. DRAM 产能与需求增长比较 . 15 图表 10. 3D NAND 闪存工艺制程时间表 . 15 图表 11. 主要 NAND Flash 厂商产能情况 . 16 图表 12. 2004-2017 年 Intel 与 AMD 在 PC 处 理器市占率的变化 . 16 图表 13. 美国费城半导体指数 SOX 整体走高 . 18 图表 14. 全球半导体销售额呈上涨趋势 . 18 图表 15. 1990-2014 年半导体市场增速和全球 GDP 增速接近正相关 19 图表 16. 半导体产业推动力发展变化 . 19 图表 17. 2015-2022 年全球物联网芯片市场规模不断扩大 . 20 图表 18. AI 概念企业数及融资额大幅增长 . 20 图表 19. 2016-2020 全球 OLED 应用市场规模 . 21 图表 20. 2027 年大数据市场规模有望达 970 亿美元 . 21 图表 21. 2014-2020 年智能汽车市场空间不断扩展 . 22 图表 22. 传统晶体管与 FINFET 对比 . 23 图表 23. 传统晶体管与 FINFET 对 比 . 23 图表 24. 传统 2D NAND 与 3D NAND 对比 . 24 图表 25. 传引线键合与 TSV 工艺对比 . 24 图表 26. 半 导体产业加速向中国转移 . 26 图表 27. 中国半导体产业销售额稳步增长 . 26 图表 28. 中国半导体三大 环节行业 均呈现良好发展态势 . 27 图表 29. 中国半导体设计业进入稳定增长期 . 27 图表 30. 2016 年中国芯片设计业前十名企业销售总额达 700 亿元 . 28 图表 31. 2016 年中国芯片制造业市场规模首破千亿 . 28 图表 32. 2016 年中国芯片制造业十大企业销售总额达 827 亿元 . 28 图表 33. 中国封测业增长态势平稳 . 29 2017 年 12 月 22 日 半导体设备行业深度报告 5 图表 34. 2016 年中国封测业十大企业销售额接近 700 亿元 . 29 图表 35. 规划建成的晶圆厂中四成以上在中国大陆 . 30 图表 36. 规划中的晶圆代工厂和存储器产线居多 . 30 图表 37. 大陆规划新建的 12 寸晶圆厂， 2-3 年内迎来建设高峰 . 31 图表 38. 大陆规划新建的 8 寸晶圆厂 . 31 图表 39. 集成电路产业主要参与者 . 32 图表 40. 集成电路产业链 . 33 图表 41. 晶圆的形态： 单晶硅棒、单晶硅片和单晶方棒 . 33 图表 42. 硅晶生长方法 . 34 图表 43. 单晶炉结构图 . 34 图表 44. 直拉法（ CZ 法）、区熔法（ Fz 法）的比较 . 34 图表 45. 集成电路制造工艺的流程示意图 . 35 图表 46. 集成电路制作主要工艺流程 . 36 图表 47. 集成电路制作的核心工艺及设备 . 36 图表 48. 四种薄膜淀积工艺对比 . 37 图表 49. 全球范围公司销售的 CVD 设备的市占率 . 37 图表 50. 四种 CVD 系统对比 . 38 图表 51. 荷兰 ASML Twinscan 光刻机简易工作原理图 . 39 图表 52. 荷兰 ASML EVU 光刻机，缩小制程的最关键设备 . 40 图表 53. 荷兰 ASML 全球市占率最高，处垄断地位 . 40 图表 54. 干法刻蚀与湿法刻蚀对比 . 41 图表 55. 金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀对比 . 41 图表 56. 刻蚀机全球公司市占率 . 42 图表 57. 化学机械研磨示意图 . 43 图表 58. CMP 全球设备公司市占率 . 43 图表 59. 热扩散与离子注入工艺优缺点比较 . 44 图表 60. 离子注入系统示意图 . 44 图表 61. 封装测试流程图 . 45 图表 62. 封装形式演变历史，先进封装是趋势 . 45 图表 63. 三种封装工艺对比 . 47 图表 64. 不同材料封装适用工艺 . 48 图表 65. 先进封装技术对比表格 . 48 图表 66. 扇入型与扇出型结构对比 . 49 图表 67. 传统芯片集成与 SiP 对比 . 50 图表 68. 先进封装工艺趋势 . 50 2017 年 12 月 22 日 半导体设备行业深度报告 6 图表 69. 全球半导体设备投资额呈向上增长趋势 . 51 图表 70. 中国半导体设备市场规模逐年上升 . 51 图表 71. 中国半导体市场占全球的比重逐渐提高 （ 2014-2016 年） 52 图表 72. 中半导体生产线投资，设 备占比 70% . 52 图表 73. 半导体核心设备价值量占比，光刻机占比最大 . 52 图表 74. 晶圆厂运输系统示意图 . 53 图表 75. 国外龙头公司占据各类设备绝大多数市场份额 . 54 图表 76. 全球半导体设备龙头集中在欧美和日本 . 54 图表 77. 美、日、荷三国在不同领域各有所长 . 54 图表 78. 中国政策持续出台，助力半导体产业发展 . 55 图表 79. 半导体产业相关政策密集，发展环境优越 . 55 图表 80. 大基金一期投资进入尾声，二期呼之欲出 . 56 图表 81. 配套地方政府半导体专项基金 . 56 图表 82. 2017 年已有 9 支地方政府基金逾 3800 亿元参与投资 . 57 图表 83. 大基金的投资策略：制造、设计、测封领域各有重点 . 57 图表 84. 大基金投资细分行业金额占比，制造业超过六成 . 58 图表 85. 大基金投资的主要公司 . 58 图表 86. 我国半导体设备厂 商集中度较高，主要分布一线城市 . 59 图 表 87. 16 年前 10 名半导体设备供应商销售收入均过亿 . 59 图表 88. 国产设备正加速追赶国外工艺水平 . 60 图表 89. 12 英寸国产半导体设备已成功研发 . 60 图表 90. 02 专项部分科研成果 . 61 图表 91. 02 专项助力中国半导体设备的发展 . 61 图表 92. 02 专项资助的项目，多已进入正线生产 . 61 图表 93. 02 专项资助 14nm 工艺设备已提前研发 . 62 图表 94. 2016 年我国半导体设备进口产品结构 . 62 图表 95. 2017 年北方华创持续推出新产品和开拓新市场 . 63 图表 96. 晶圆厂建设周期时间轴 . 64 图表 97. 中国大陆目前正在建设的晶圆厂 . 64 图表 98. 国产先进封装生产线封测设备 . 65 2017 年 12 月 22 日 半导体设备行业深度报告 7 名词解释 IC： 集成电路（ integrated circuit） ， 是 采用一定的工艺，把各种元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。 Wafer： 晶元（ Wafer），是生产集成电路所用的载体，多指单晶硅圆片。是最常用的 半导体材料 ,按其直径分为 4 英寸、 8 英寸、 12 英寸等。晶元越大，同一圆片上可生产的 IC 就越多，可降低成本，但对材料技术和生产技术的要求更高。 CPU： 中央处理器 （ Central Processing Unit） ，是一块超大规模的集成电路，是计算机的运算核心和控制核心，由运算器、高速缓冲存储器和总线三部分 组成 。 GPU： 图形处理器（ Graphics Processing Unit），又称显卡，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上图像运算工作的微处理器，承担输出显示图形的 任务。 ROM： 只读存储器（ Read-Only Memory），是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储器。其特性是一旦储存资料就无法再将之改变或删除。通常用在不需经常变更资料的电子或电脑系统中，并且资料不会因为电源关闭而消失。 RAM： 随机存取存储器（ random access memory）又称作“随机存储器”，存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位臵无关的存储器。这种存储器在断电时将丢失其存储内容，故主要用于存储短时间使用的程序。 按照存储单元的工作原理，随机存储器又分为静 态随机存储器（英文： Static RAM， SRAM)和动态随机存储器（英文 Dynamic RAM， DRAM)。 DRAM： 动态随机存取存储器（ Dynamic Random Access Memory），即最为常见的系统内存。 DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据， DRAM 使用电容存储，所以必须隔一段时间刷新（ refresh）一次，如果存储单元没有被刷新，存储的信息就会丢失。 （关机就会丢失数据） NAND： 一种比硬盘驱动器更好的存储设备，具有非易失性存储技术，即断电后仍能保存数据。它的功耗更低、重 量更轻和性能更佳，在不超过 4GB 的低容量应用中表现得犹为明显。 3D NAND： 英特尔和镁光的合资企业所研发的一种新兴的闪存类型，通过把内存颗粒堆叠在一起来解决 2D 或者平面 NAND 闪存带来的限制。 3D NAND 垂直堆叠了多层数据存储单元，可打造出存储容量比同类 NAND 技术高达三倍的存储设备， 并且 具备卓越的精度 Flash： 闪存 （ Flash Memory） 是存储芯片的一种，通过特定的程序可以修改里面的数据。它结合了 ROM 和 RAM 的长处，不仅具备电子可擦除可编程（ EEPROM）的性能，还可以快速读取数据（ NVRAM 的优势），使数据不会因为断电而丢失。 AI： 人工智能（ Artificial Intelligence） 是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。 VR: 虚拟现实技术（ Virtual Reality） 是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。 2017 年 12 月 22 日 半导体设备行业深度报告 8 IoT： 物联 网 （ Internet of things） 指物物相连的互联网。是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。 IDM： 整合元件制造商 （ Integrated Design and Manufacture） ， 是指 在半导体芯片行业像英特尔这种，从设计，到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包的企业。 Fabless： 半导体 行业的设计公司， 只负责 芯片设计 部分，例如 ARM 公司、 AMD、高通博通等。 Foundry： 半导体 芯片 代工厂，只有 fab，不做 设计，常见的台积电等。 PVD： 物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition),指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。 CVD： 化学气相沉积（ Chemical Vapor Deposition），是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物的技术。 Etch： 蚀刻 (etching)，是将材料使用化学反应或物理撞击作用而移除的技术。蚀刻技术可以分为湿蚀刻 (wet etching)和干蚀刻 (dry etching)两类。 ALD： 原子层沉积（ Atomic layer deposition)是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法。 2017 年 12 月 22 日 半导体设备行业深度报告 9 投资摘要 半导体产业景气度高，市场 、 政策双引擎驱动 国产化 1. 拥抱 信息 时代 ，新一代智能产品推动半导体需求快速增长。 在信息爆发的时代， 消费者 对数据处理和存储的需求越发强烈。 近年来 ， 传统 PC 等关联产品 ， 手机、平板电脑等移动产品是半导体需求扩张的主要动力， 如今 ， IoT、AI、 VR、大数据、智能汽车等 跟多 智能产品有望 接力半导 体产业增长 的 动力引擎 。 2. 中国半导体产业链完整，下游客户优质和需求旺盛 ，市场 空间巨大 。 全球半导体市场 呈 增长趋势，其中中国是 需求 最大的国家 。 2017 年 中国 IC 产业 的整体销售额 有望超过 5000 亿 元 大关 ，同比增长 20%以上。 半导体产业下游优质客户如手机终端厂商、 面板厂商 、家电 巨头 、 物联网 、 5G 运营商等 均 拉动了国内对芯片的需求 日益增长。 中国 半导体产业链布局完整， 芯片 设计、制造和封装企业 全覆盖 ， 2016 年 三个 环节 均 超过千亿 销售额 ， 17 年有望分别 实现 2100 亿 元， 1400 亿元 ， 1800 亿元； 产业链 中 上游材料 和 设备 公 司 多有布局 ，目前 多处于快速 追赶阶段 。 3.产业政策 和大基金 切实支持， 半导体全产业链 良性 发展。 首期千亿规模国家集成电路产业投资基金已接近尾声，筹备中的二期有望在 18 年推出。 大基金一期 带动 地方政府基金超过 6000 亿 ， 共 投资 55 个项目，覆盖集成电路设计、制造、封装测试、装备、材料、生态建设等各环节，给 国内半导体产业带来历史性的发展机遇。 此外 ， 国家大基金及地方政府基金中将 超过 50%资金 投入至 晶圆制造 环节， 且 通过晶圆制造项目投资承诺 与国产装备采购挂钩等方式进一步推动国内制造企业和装备企业的合作。 半导体产业加速向大 陆转移，为设备国产化 带来大 机遇 机遇 1：新建晶圆厂产线近四成位于中国大陆。 据 SEMI 统计 ， 目前全球晶圆厂也处于大量扩建和增产的阶段，预计将于 2017 至 2020 年间投产的半导体晶圆厂约为 62 座，其中 26 座位于中国，占全球总数 42%。 机遇 2：国内在建产线未来 2