半导体行业深度研究：硬核科技代表：半导体设备重装上阵.pdf

- 1 - 敬请参阅最后一页特别声明 市场数据 (人民币） 市场优化平均市盈率 18.90 国金半导体指数 3806.48 沪深 300 指数 3848.09 上证指数 3102.10 深证成指 9700.49 中小板综指 9562.58 相关报告 1.人工智能无所不在 -AI 行业深度报告，2019.2.25 2.功率半导体淡季不淡，看好旺季来临投资机遇 -功率半导体淡季不淡 .， 2019.2.21 3.全年衰退，最糟已过，进入另一波上行周期 -全年衰退，最糟已过， .， 2019.2.18 宋敬 祎 分析师 SAC 执业编号： S1130519010001 songjingyi gjzq 硬核科技代表 ： 半导体设备 重 装上阵 投资 逻辑 行业自身成长 ： 全球 半导体设备行业 2017 市场规模达到 540 亿美金，同比增长 28.57%，预计未来七年复合 增长 10%。 行业整体受益于集成电路与LED 方面的发展 ，虽然 整体行业周期性比较明显 ，从历史来看行业整体稳步增长。 从目前发展来看，到 2025 年内摩尔定律仍会延续，半导体设备还有很大的发展空间。 主要拉动来源于集成电路先进制程的不断提升与下一代显示设备的进步（ MiniLED， MicroLED）。 中国厂商进口替代空间广阔 ： 半导体设备整体市场集中度较高，前 5 家公司占市场 90%市场份额。 中国厂商 目前在设备领域市占率极低（小于 3%） ，替代空间广阔 。 同时，未来三年新建晶圆厂中有 30%在中国，设备公司直接受益。 科创板主打硬核科技，半导体设备公司直接受益 ：科创板重点支持 半导体 、新一代信息技术、 高端装备 、新能源以及生物医药等高新技术产业。半导体设备作为硬核科技的代表，长期来看公司的发展 受益于 资本市场 的 支持，短期 看科创板的设立 也对板块的估值有提升效应。 半导体主流设备分析 半导体制造环节的设备种类繁多，以下 列举 半导体 制造环节 主流设备，括号里为专项设备占总设备比例。 薄膜沉积设备（占比 20%） ： 薄膜沉积是半导体制造的重点设备，设备复杂度高，使用率高。 2018 年全球薄膜沉积市场规模约为 120 亿美金，未来 5年有望以 CAGR=10%的速度增长。 在主流设备方面国外公司占主导 。 但在某些细分领域如 MOCVD， 中国公司逐步开始占领市场份额， 预计中微半导体 2018 年 蓝绿光 MOCVD 市占率 已经 达到 60%以上 ，并有继续扩大市占率的趋势。 光刻设备（占比 20%） ： 整体行业市场规模预计 120 亿美金左右。 光刻 是 IC制造环节核心工艺，也是技术难度最高的一步。在最新 极紫外光 光刻机市场中， ASML 一家独大，其他厂商逐 步掉队，中国厂商在这方面技术储备较弱，暂时没法进入先进制程领域，但上海微电子的光刻机在某些特殊制程与应用是可以进入一线晶圆厂。 刻蚀设备（占比 25%） ： 刻蚀用途 极为广泛 ， 2018 年目前刻蚀设备市场规模行业现在约为 155 亿美金，预计未来 5 年刻蚀的市场增速将超过半导体设备平均增速，将达到 15%，主要原因在于 集成电路架构复杂 度逐步增加 。 目前主要以美国、日本厂商设备为主。主要应用为逻辑电路、 3D nand、先进封装 (硅通孔 TSV)。 中微半导体与北方华创 逐步 突破某些领域， 可以进入 一线晶圆厂 baseline 产线。 推荐标的 中微半导体、北方华创、长川科技、上海微电子 风险提示 半导体整体需求不及预期 ； 半导体设备国产化程度不及预期 ；相关公司估值偏高 2528287032133555389842404583180307180607180907181207国金行业 沪深 300 2019年 03月 07 日 创新技术与企业服务研究中心 半导体 行业研究 买入 （ 维持评级 ） ) 行业深度研究 证券研究报告 行业深度研究 - 2 - 敬请参阅最后一页特别声明 内容目录 1. 投资逻辑：行业自身成长 +中国厂商进口替代 .4 投资逻辑之一：行业自身成长 .4 1.1.集成电路设备成长动力：先进制程 +新晶圆厂投产 .4 1.2.LED 芯片行业设备成长动力： LED 芯片应用扩大 +行业生产效率提升 .6 投资逻辑之二：中国厂商进口替代空间广阔 .8 投资逻辑之三：科创板主打硬核科技，半导体设备公司直接受益 .10 2. 半导体主流设备分析 .10 半导体制造相关设备 .10 1.晶圆清洗（ wafer Cleaning） .10 2.氧化（ Oxidation） . 11 3.薄膜沉积（ Film Deposition） 占晶圆制造 20%. 11 4.曝光（ Exposure） 占晶圆制造 20% .12 5.显影（ Development） .12 6.刻蚀（ Etch） 占晶圆制造环节 25% .13 7.离子注入（ Ion Implantation） .13 8.化学机械抛光（ Chemical Mechanical Polisher） .13 工艺检测与封测相关设备 .14 9.探针检测（ wafer Probe） .14 10.切割机（ Dicing） .14 11.键合（ Bonding） .14 12.测试机 .14 3. 行业内重点公司简析 .15 3.1.中微半导体 硬核科技的代表 .15 3.2.北方华创 A 股半导体设备公司稀缺标的 .16 3.3.长川科技 .17 3.4.上海微电子 .19 4. 推荐标的 .21 5. 风险提示 .21 图表目录 图表 1：半导体设备产业链 .4 图表 2：半导体设备产值 .4 图表 3：近十年半导体先进制程 .4 图表 4：光刻机发展路径 .5 图表 5： 2017-2020 新建晶圆厂分布 .5 图表 6：半导体设备销售额区域分拆 .6 图表 7： LED 芯片的产值（亿） .7 行业深度研究 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 8： MOCVD 保有量和新增数量 .7 图表 9： LED 芯片成本 .7 图表 10： LED 灯泡价格 .7 图表 11： MoCVD 设备生产效率对比 .7 图表 12： MiniLED 与 MicroLED 区别 .8 图表 13： Micro LED 工艺流程 .8 图表 14：世界主流厂商与中国厂商财务数据 对比 .8 图表 15：晶圆厂市占率 .9 图表 16：世界前五大设备厂研发费用（亿美金） .9 图表 17：中国半导体市占率 .10 图表 18：中国半导体自给率 .10 图表 19：集成电路制造流程与设备占比 .10 图表 20：半导体制程对于清洗设备的需求 . 11 图表 21：光刻机市场份额 .12 图表 22：刻蚀设备市占率 2016 .13 图表 23：原子层刻蚀市场趋势 .13 图表 24：集成电路封测主要流程 .14 图表 25： 2017 主营业务分拆 .16 图表 26：公司财务数据 .16 图表 27： 2017 年北方华创主营业务情况表 .17 图表 28： 2017 主营业务分拆 .18 图表 29：公司财务数据 .18 图表 30： 2017 年长川科技主营业务情况表 .18 图表 31：测试机 .19 图表 32：分选机 .19 图表 33：公司发展历程 .19 图表 34：公司主要产品 .20 图表 35：盈利预测（股价截止到 2019年 3 月 5 日） .21 行业深度研究 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 1. 投资逻辑：行业自身成长 +中国 厂商进口替代 半导体设备行业处于半导体行业中上游，属于芯片制造厂和封测厂的供应商。整体行业景气度伴随着半导体周期而波动 ，虽然周期性比较明显，但如果从拉长时间轴看，半导体设备整体 产值 是向上的。 全球 2018 市场规模达到 620 亿美金，同比增长 28.57%，预计未来七年复合成长 8%-10% 图表 1：半导体设备产业链 图表 2：半导体设备产值 来源：国金证券研究所 来源： SEMI 国金证券研究所 投资逻辑 之一 ：行业自身成长 半导体设备整体需求来源于 泛半导体领域 ， 即 集成电路、 LED 芯片等 子方向均对半导体设备有不同方面的需求。 1.1. 集成电路设备成长动力： 先进制程 +新 晶圆厂 投产 集成电路设备的 需求 1： 先进制程的推进 。 集成电路行业的发展史就是芯片先进制程的发展历史 。 从 1960s 开始集成电路商用化以来，制程从 10um 到最新的 7nm， 大约 基本 每 5 年左右半导体制程提升一代 ，每一代的性能与功耗都会大幅度提升 。 制程提升的动力就是下游电子行业的对于算力的需求的不断提高。 图表 3： 近十年 半导体先进制程 65 纳米 28 纳米45 纳米 22 纳米 10 纳米1 4 / 1 6纳米7 纳米三星英特尔台积电中芯国际联华电子上海华虹2 0 0 62 0 0 82 0 1 02 0 1 22 0 1 42 0 1 62 0 1 8台积电行业深度研究 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 来源：国金证券研究所 集成电路新的制程工艺需求更新的半导体设备 。但需要注意的是即便制程更新换代，并不是所有步骤的机器都需要更换，只有最关键的步骤才需要更新。 以 最贵的设备极紫外 光刻机 （ EUV） 为例 说明先进制程对于半导体设备的拉动 ： 晶片在从空 白硅片到填满上亿个晶体管的过程中，需要经过很多个步骤，而其中很多步骤都需要经过光刻工艺。而光刻机就是实施光刻的关键 。 在 14nm 工艺及以上制程， 193nm 沉浸式光刻 机可以满足需求。但到了 14nm 制程以后，传统的光刻机遇到技术瓶颈，需要采用极紫外光刻机。极紫外光刻机 （ EUV）以波长为 13.5 纳米的极紫外光作为光源的光刻技术，目标市场是先进制程7nm工艺 。而 机器单价 也 升到 1 亿欧元。 图表 4： 光刻机发展路径 来源： ASML 国金证券研究所 结论 ：如果摩尔定律没有终结，那么半导体设备的需求仍会增长， 从 目前 发展来看， 到 2025 年内摩尔定律仍会延续 ， 半导体设备还有很大的发展空间。 集成电路设备的需求 2： 晶圆 厂新厂建设 速度加快 ，大部分在中国 半导体晶圆厂新开工数量也直接影响设备的需求。 从 2017 年开始，亚洲国家开始大面积投入晶圆厂建设，主要中国 30 家、韩国 30 家、台湾地区 20 家左右 ，一个厂建设周期约为 2-3 年， 对应整体对于半导体设备需求约为 200 亿美金 ， 对于半导体设备需求明显。 图表 5： 2017-2020 新建晶圆厂分布 行业深度研究 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 来源： Semi, 国金证券研究所 从下图可以看出，半导体销售额中中国占比逐步提高，从 2013 年 的 15%提升到 2018 年的 27%，由于晶圆厂占比的原因，预计未来中国市场占设备领域市场份额仍会稳步增加。 图表 6： 半导体设备销售额区域分拆 来源： Wind 国金证券研究所 1.2. LED 芯片 行业 设备 成长动力： LED 芯片应用扩大 +行业生产效率提升 泛半导体领域第二个对设备需求较大的是 LED 芯片行业。 LED 产业链包括 衬底制作、外延生长、芯片制造、封装和 应用 五个主要环节 ，其中 LED 外延生长和 制造环节是 LED 行业关键步骤。 目前 外延片制造主流设备为 MOCVD（ 金属有机化学气相淀积法 ） 。 以下以 MOCVD 为例分析 LED 对于设备的拉动： LED 行业对于设备的需求由两方面拉动： 1）扩产 2）技术更新 首先， 下游 LED 芯片厂商扩产直接拉动设备商需求。 生产 LED 芯片主要设备为 MOCVD。 由下图可看出，全球 LED 芯片产值在 2010 年、 2014 年、 2017年左右同比增速达到波峰， MOCVD 出货量 相对提前一些，但 也 符合 LED 芯片产值波动， 在以上三个年份 亦 为周期顶点。 行业深度研究 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 7： LED 芯片的产值 （亿） 图表 8： MOCVD 保有量和新增数量 来源： wind 国金证券研究所 来源： wind 国金证券研究所 其次， 技术更新对于 生产成本 的 优化 至关重要 。 LED 芯片 材料带动成本下降的空间较少，主要靠技术进步驱动成本下降 ， 故此各大 LED 厂商均大力投入技术研发。 LED 行业是重资产行业 ， 设备 折旧约占芯片成本的 30%， 从历史来看，LED 芯片单位价格持续降低，这与设备更新是分不开的。 图表 9： LED 芯片成本 图表 10： LED 灯泡价格 来源：国金证券研究所 来源： wind 国金证券研究所 对比 MOCVD 设备 技术 参数也可以看出，上市时间相隔 8 年的设备生产效率提升了 140%。 LED 芯片厂商如果要保持自己的成本竞争力，必须不断投资新设备。 图表 11： MoCVD 设备生产效率对比 来源：国金证券研究所 第三 ，下一代显示技术的推动对于新设备有需求 。 市场上对室内显示产品显示效果的不断追求， LED 产品不断往更小的间距发展。追求高解析度已经成为行业发展和进步的一个重要方向。 在继普通 LED 显示屏以后，小间距 显示屏（间距 250um）， MiniLED(间距 100um)， MicroLED(间距小于 100um)将逐步走上商业舞台。 行业深度研究 - 8 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 12： MiniLED 与 MicroLED 区别 mini-LED micro-LED 尺寸（微米） 100-200 100 用途 LCD 背光 自发光显示 特点 高动态范围，节约电能，轻薄 高对比度，高效率，高分辨率，快速反应时间 应用 LCD 背光 -从小到大的 LCD 板 显微投影显示，显示尺寸由小到大 来源：国金证券研究所 从先后顺序来看， 2019 年 消费者 有望 最先 看到搭载 Mini LED 背光的终端产品。Mini LED 背光应用所采用的 LED 颗数 用量要比传统 LED 背光多 50 倍以上 ，从笔记本电脑 约 8,000 颗，到 65 英寸电视用量约 10 万到 30 万颗。 下游应用主要以智能手机、电视等消费电子显示设备为主。 与 MiniLED 竞争的主要对手是 OLED。 若 MiniLED（ 预计 2019 底 ） 与 MicroLED 开始 普及， 对于 LED 芯片的绝对产量需求将大大提高。同时也必将 提高 相关工艺设备需求，如 薄膜工艺设备MOCVD。 图表 13： Micro LED 工艺流程 来源： LEDInside 国金证券研究所 投资逻辑 之二 ： 中国厂商进口替代 空间广阔 半导体设备整体市场呈现两个特点： 1）规模增长稳定。 2）集中度进一步提高。 目前全球半导体设备市场巨大， 2018 年半导体整体设备市场约为 620 亿美金。主要厂商由 Applied Materials（美）、 ASML（荷兰）、东京电子、 KLA（美）等国外厂商占据。 图表 14：世界主流厂商与中国厂商财务数据对比 行业深度研究 - 9 - 敬请参阅最后一页特别声明 来源： wind 国金证券研究所 半导体设备厂商集中度进一步提高。 集中度提高的原因在于 ： 1） 下游 foundry 厂集中度提高。 从下表可以看出，前八名晶圆厂 2017 年 市占率 为 88%， 比 2015 年提高了一个百分点。下游客户的集中提提高势必造成供应链压缩。 图表 15： 晶圆厂市占率 来源： IC insights, Eenewsanalog, 国金证券研究所 2） 集成电路 设备研发投入高，非头部企业难以承受 。 半导体制程进入 28nm以后，需要的设备复杂度呈指数提升。 主流半导体设备企业的研发费用以亿美金来计。 图表 16：世界前五大设备厂研发费用 （亿美金） 来源： wind 国金证券研究所 中国 设备厂商发展空间大。 由于中国半导体公司起步时间较晚，晶圆制造环节薄弱（中芯国际仅仅占全球制造不到 5%市场份额），导致晶圆厂相关设备配套公司发展较慢，目前在设备领域市占率极低（小于 3%）。 但这也正是中国设备公司的发展机会。 行业深度研究 - 10 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 17： 中国半导体市占率 图表 18： 中国半导体自给率 来源： se mi 国金证券研究所 来源： semi 国金证券研究所 投资逻辑之三 ： 科创板 主打硬核科技 ， 半导体设备公司直接受益 科创板是落实创新驱动和科技强国战略、推动高质量发展的重大改革举措， 重点支持 半导体 、 新一代信息技术、 高端装备 、新能源、节能环保以及生物医药等高新技术产业和战略性新兴产业，推动互联网、大数据、云计算、人工智能和制造业深度融合。 半导体设备作为硬核科技的代表， 长期来看公司的发展 离不开资本市场的支持，短期 也对板块的估值有提升效应。 2. 半导体主流设备分析 下面我们将选择制造环节主流设备中我国公司 部分实现进口替代或有望实现进口替代 加以分析。 半导体制造相关设备 半导体制造环节的设备 种类繁多 ，综合了物理、化学、工程、材料等一系列学科，难度很高。 下图为 半导体制造主要流程 ： 图表 19： 集成电路制造流程 与设备占比 来源：国金证券研究所 1. 晶圆 清洗 （ wafer Cleaning） 作用 ：晶圆上极小的灰尘也会影响集成电路的功能。故此在正式制造芯片之前与芯片制造过程中 ， 需要去除的污染主要包括颗粒、化学残留物等 。 涉及到的有 物理清洗 （超声震动、刷洗等） 与 化学清洗 （清洗液） 法。 未来发展趋势 ： 制造芯片过程中清洗晶圆是重要的步骤，一般来说清洗步骤占全部工艺的 30%。随着先进制程的推进，需要清洗的步骤越来越多，比如20nm 的 DRAM 工艺需要多达 200 个清洗步骤。 3D 芯片也会带动清洗设备需求。随着 3D 芯片越来越多，比如 3D NAND 存储器，新的芯片架构会对清洗设备有更高的要求。 并且随着 12 寸硅片的普及，硅片清洗要求越来越高，工艺复杂度也越大。 清洗直接影响良率，良率对于晶圆厂利润影响很大。为了提高良率，清洗步骤数量需要提高。 例如 对于 10 万片月产能的 DRAM 厂，每一