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科技周期启动中，半导体设备率先走强！
千岛湖的柚子 / 2021-05-30 13:38 发布
本文内容整合自方正证券陈杭团队和平安证券研究所 在全球缺芯潮推动下，美股半导体自2020年12月下旬启动牛市行情以来，半导体设备率先历史新高走出独立行情，明显领先于制造和设计，此为半导体周期处于早期的典型特征，科技周期启动中。 每当景气周期来临中，供给周期都会遵循半导体投资时钟，为了研究推演后续的走势规律，我们先将半导体分成需求周期和供给周期。 为了研究供给周期的规律，我们将供给细分为三大块： 1、制造：fab、IDM、封测； 2、设备：前道工艺设备、后道封测设备； 3、材料：大硅片为主。 
1、设备先行：上游设备的景气度最敏感，而且最前置，由于设备制备运输安装的周期接近1年，所以中游制造会提前一年开动订单，从而造成设备板块的提前景气；
2、制造接力：中游制造会在此阶段享受主动补库存的量价齐升（早期扩产的涨价为主涨量为辅、扩产后期的涨价为辅涨量为主）；
3、材料缺货：在中游制造大扩产之后，产能和用料都会大幅增加，导致材料的供不应求，从而形成周期性出现的“硅片危机”。
复盘2016年Q3到2018年Q1，上一轮半导体周期的运行情况，也基本上符合这种规律推导：
1）15年Q3~17年Q4，全球半导体设备巨头（应用材料、泛林、科磊、奥宝、ASML），集体比制造提早一年开始涨。
2）16年Q3~17年Q4，全球半导体制造巨头（台积电、三星、镁光、京东方、海力士），整个板块由于量价齐升开始涨。
3）17年Q1~18年Q1，全球半导体材料巨头（信越化学、SUMCO、OLED、康宁），由于中游产能扩充太快，开始补涨。
1、主动去库存（量价齐跌）：上一轮衰退继续，需求疲软叠加供给侧的谨慎扩产和小厂出清。
2、被动去库存（量跌价升）：新一轮需求开启，需求开始因为价格下跌开始释放，但是产能收缩继续，涨价已经开始。
3、主动补库存（量价齐升）：需求持续增长，供给开始回补，但是库存水位仍然很低，涨价持续且伴随着量的增长。
4、被动补库存（以量补价）：价格因为供过于求开始下跌，但是由于补库存需求，依旧产能增长。
在传统的经济供需规律中，半导体大宗商品价格是供给曲线和需求曲线共同决定，而在商品市场中，供给端又可以被拆分为产能和库存两部分，前者是未来的供给能力，后者是历史产出的累积，二者均是供给端的重要影响因素。
自20年二季度开始，半导体行业出现明显的供需剪刀差。剪刀差分为三个阶段，我们聚焦于最近一年和未来三年的情况（如图表1）：
第一阶段（2020年Q1~2020年Q2）量价齐跌：主动去库存，需求由于疫情冲击暴跌。供给由于不能开工暴跌。
第二阶段（2020年Q3~2021年Q3）量平价升：被动去库存，经济刺激叠加疫情带动线上经济和新能源车爆发式创新使得上游需求暴涨，有效存量供给都在欧美日受疫情冲击，供给有所下滑。
第三阶段（2021年Q4~2022年Q4）量价齐升：主动补库存，全球各大晶圆厂加大资本支出，但是有效产能的开出得到2022年以后，但是需求持续高企，会形成主动补库存态势。
我们正处于剪刀差不断扩大的第二阶段，究其原因，是供给刚性+需求弹性的结果，但这次具备两个重大变化：
一、需求弹性巨大：这是三重创新的历史性叠加，5G基建+换机、碳中和（电车+风光电新能源）和无人驾驶（计算革命），不仅仅是信息革命，而且叠加了半导体推动的能源革命，其背后都是半导体。主要分为以下五大块：
1、智能手机：智能手机硬件升级，进一步提升单机含硅量。5G手机DRAM/FLASH容量，AP SOC/基带芯片性能，摄像头CIS数量和Die Size显著提升，5G 手机单机 PMIC、射频 IC 用量显著提升；5G 基站建设更为密集，PMIC 及 MOSFET 的用量亦大幅提升；
2、电脑/服务器：根据IDC数据显示，疫情期间居家学习、办公、娱乐等需求极大的拉动了PC需求。根据IDC预测，2020年中国PC市场同比增长1.7%，2021年中国PC市场将同比增长10.7%。
3、车：新能源车的含硅量提升分为油车到电车的电控系统（SiC IGBT MOSFET），和智能系统（CIS、CPU、GPU、车用存储、车用射频）；
4、服务器：由于居家学习、居家办公和整个数字化的续期，人工智能应用在云端训练侧的普及也在拉动服务器的需求，英伟达最新业绩财年的数据中心业务是公司增长最快板块。
5、工业（光伏）：光伏、风电的碳中和需求暴增，直接拉动了其功率半导体需求的同步增长。
二、供给刚性：正常情况下晶圆厂扩产周期在12~24个月，在去年疫情对需求的冲击下，各大晶圆厂都未及时调整扩产节奏，我们预期新一轮产能供给最早也要到今年年底开出，真正的可观且有效的产能开出在明年二季度以后。以闻泰科技的Nexperia上海12寸线为例设计产能40万片每年，要到2022年Q2才能开出。
结论，供需剪刀差的扩张刚刚开始，会有几个机会：
1、产能为王：产能成为这个时期最确定的机会，晶圆厂成为所有下游创新的底盘。
2、设备先行：涨价的背后是缺货，缺货的背后是扩产大潮将至，设备将迎来一轮强劲增长。
3、产能本土：与以往基于全球化背景下的产能扩产周期不同，此次产能扩充将会在国产化和去A化的大框架下运行。
建议关注三大机会：
1、晶圆厂制造的机会：华润微、长电科技、闻泰科技、华虹半导体、中芯国际、士兰微、捷捷微电、扬杰科技、晶方科技、通富、华天、TCL、京东方、三安集成；
2、设备扩产的机会：北方华创、屹唐半导体、盛美半导体、万业、华峰测控、长川、至纯、大族、华海、中微、精测、晶盛；
3、材料本土化的机会：中环股份、沪硅产业、立昂微、江丰电子、雅克科技、晶瑞股份、杉杉、三利谱、安集科技、神工股份。
重点讲一讲半导体设备：
我国半导体设备市场迎来新一轮上升周期。半导体设备主要用于半导体制造和封测环节，分为晶圆加工设备、封装设备和检测设备。随着台积电等晶圆厂龙头开启新一轮扩产周期、技术升级、晶圆产能向大陆转移以及国内政策的大力支持，我国半导体设备市场迎来新一轮上升周期。2020年全球半导体设备市场达到712亿美元，其中大陆市场为187亿美元，占比达26%，成为全球第一大市场。2020年大陆半导体设备增速为39%，远高于全球的19%，是全球市场增长的主要动力。 晶圆加工设备是核心，技术难度最高，尤其以光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备为代表。半导体设备分为晶圆加工设备、检测设备、封装设备和其他设备。其中晶圆加工设备是主要设备，占全部设备比重超过80%。在经历2019年的下滑之后,随着本轮半导体产能的扩张，全球半导体晶圆设备市场迎来景气上升周期。2020年全球晶圆加工设备市场为632亿美元,同比增长13.9%。SEMI预计2024年晶圆加工设备市场将达到778亿美元，2019-2024年CAGR达7%。晶圆加工设备中，光刻机、干法刻蚀机、薄膜沉积设备、质量控制设备技术难度最高。2020年这四类设备市场规模分别为132亿美元、123亿美元、138亿美元、72亿美元，占比分别为21%、20%、22%、11%。 全球竞争格局集中，国产替代加速。全球半导体设备竞争格局高度集中（CR5占比66%）、诞生了应用材料、ASML、泛林半导体等巨头。这些龙头企业收入体量大、产品布局丰富。相比而言，国内设备公司体量较小、产品线相对单一。2019年，我国半导体设备国产化率约为18.8%，技术难度最高的集成电路设备国产化率仅为8%。国产替代迫在眉睫。目前，我国企业在刻蚀设备、薄膜沉积设备、离子注入机、清洗设备、检测设备等领域正奋力追赶并取得了一定的成绩。 
1、光刻设备 光刻的本质是把电路结构图复制到硅片上的光刻胶上，方便之后进行刻蚀和离子注入。从集成电路诞生之初，光刻就被认为是集成电路制造工艺发展的驱动力。 根据Gartner数据，2020年全球光刻机市场规模131.8亿美元，预计到2024年市场规模166.3亿美元，2019-2024年CAGR为7.3%。 全球光刻机市场主要由荷兰的阿斯麦(ASML)、日本尼康和佳能三家把持，其中ASML更是全球绝对龙头，市占率83.3%，几乎垄断了高端光刻机（EUV）市场。日本尼康和佳能产品主要为中低端机型。国产光刻机领域中，上海微电子(SMEE)一枝独秀。2018年3月，上海微电子承担的“02专项”的“90nm光刻机样机研制”顺利通过验收，正在攻关“28nm光刻机”，成为国产光刻机的优秀代表。 2、涂胶显影设备 涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备，包括涂胶机、喷胶机和显影机。该设备不仅直接影响光刻工序细微曝光图案的形成，对后续蚀刻和离子注入等工艺中图形转移的结果也有着深刻的影响。 根据Gartner数据，2020年全球涂胶显影设备市场规模23.9亿美元，预计到2024年市场规模29.6亿美元，2019-2024年CAGR为7.5%。 全球涂胶显影设备龙头为东京电子，全球市占率超过90%。国内最有竞争力的公司为沈阳芯源微，其涂胶显影设备已从后道先进封装领域、LED领域拓展到MEMS、化合物、功率器件、特种工艺等领域，作为主流机型应用于台积电、长电科技、华天科技、通富微电、晶方科技、华灿光电、乾照光电、澳洋顺昌、中芯绍兴、中芯宁波等国内一线大厂。 3、氧化/扩散炉设备 芯片制造流程中，硅片表面通过氧化的方式生长一层氧化层，然后在氧化层上刻印图形和刻蚀，并对硅衬底进行扩散掺杂，激活硅片的半导体属性，从而形成有效的PN结。氧化/扩散炉设备主要分为三类：氧化炉/扩散炉、RTP（快速热处理设备）和栅层叠设备。 根据Gartner数据，2020年全球氧化/扩散炉市场规模为15.8亿美元，同比增长12.8%。预计到2024年市场规模18.8亿美元，2019-2024年CAGR为6.0%。 氧化/扩散炉市场主要被外资品牌占据，如应用材料、东京电子、日本日立（kokusai）等企业，CR3市场份额近80%。内资品牌中，屹唐半导体2016年收购美国RTP公司Mattson，2019年其快速退火设备进入5纳米逻辑量产生产线，2019年全球市占率达4.7%。北方华创立式炉、卧式炉达到国内半导体设备的领先水平，2019年全球市占率约1.7%。 4、干法刻蚀设备 刻蚀指将硅片上未被光刻胶掩蔽的部分通过选择性去掉，从而将预先定义的图形转移到硅片的材料层上的步骤。根据被刻蚀材料的不同，刻蚀设备可分为介质刻蚀设备和导体刻蚀设备，其中导体刻蚀包括硅刻蚀和金属刻蚀。2020年导体刻蚀和介质刻蚀占比分别为61%和39%。 根据Gartner数据，2020年全球刻蚀设备市场规模123.3亿美元，预计到2024年市场规模151.8亿美元，2019-2024年CAGR为7%。 全球刻蚀设备行业前三名分别为泛林半导体、东京电子、应用材料，CR3超过90%。国内企业中，中微公司的介质刻蚀领机全球领先，已经进入台积电最新工艺产线，2019年全球市占率约为1.1%。北方华创的硅刻蚀机和金属刻蚀机在国内领先，2019年全球市占率约为0.8%。 5、离子注入设备 一般而言，本征硅(即最原始不含杂质的硅单晶)导电性能很差，只有当硅中加入少量杂质，使其结构和电导率发生改变时，硅才成为真正有用的半导体。这个过程被称为掺杂，离子注入是最主要的掺杂方法。 根据Gartner数据，2020年全球离子注入设备市场规模14.1亿美元，预计到2024年市场规模17亿美元，2019-2024年CAGR为6.4%。 全球离子注入机龙头为应用材料、Axcelis、SMIT，三家公司合计占据全球90%以上市场份额。国内企业中，凯世通（万业企业旗下）和中科信（电科装备旗下）具备集成电路离子注入机的研发和生产能力。2019年，凯世通IC离子注入机在国内12英寸晶圆厂及主流存储芯片厂成功验证。2020年，电科装备自主研制出了高能离子注入机，填补了国内高能离子注入机的空白。 6、薄膜沉积设备——CVD设备 薄膜沉积常见工艺为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。化学气相沉积是通过气体混合的化学反应在硅片表面沉积一层固体膜的工艺。CVD设备分为管式和非管式两大类，其中非管式CVD占比超过80%，进一步可以细分为ALD、PECVD、非管式LPCVD等。 根据Gartner数据，2020年全球CVD设备市场规模达84.2亿美元，预计到2024年市场规模达103.3亿美元，2019-2024年CAGR为7.3%。 全球CVD市场上，应用材料占据龙头地位，全球市场份额近30%，其次是泛林半导体和东京电子，市场集中度较高。国内市场上，北方华创的LPCVD，以及沈阳拓荆的PECVD，已通过主流晶圆代工厂验证，开始进行小批量生产交付。 7、薄膜沉积设备——PVD设备 物理气相沉积(PVD)沉积金属属于集成电路工艺的金属化环节，金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上沉积金属薄膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和接触孔或通孔连接。物理气相沉积(PVD)最常用的方法是溅射。 根据Gartner数据，2020年全球PVD设备市场规模30.9亿美元，预计到2024年市场规模38.1亿美元，2019-2024年CAGR为7.3%。 目前全球PVD市场高度垄断，应用材料一家独大，占据全球近85%的市场份额。国内企业北方华创实力领先，公司28nm氮化钛硬掩膜(Hardmask PVD)、Al-Pad PVD设备已率先进入中芯国际供应链体系；12英寸背金PVD系统进入厦门士兰集科微电子12英寸生产线建设项目。2019年北方华创全球份额约3.0%。 8、CMP设备 CMP（化学机械抛光）工艺指抛光机的抛光头夹持住硅片相对抛光垫做高速运动，抛光液在硅片和抛光点之间连续流动，抛光液中的氧化剂不断接触裸露的硅片表面，产生氧化膜，然后借助抛光液中的微粒机械研磨作用去除氧化膜。 根据Gartner数据，2020年全球CMP设备市场规模16.3亿美元，预计到2024年市场规模20.4亿美元，2019-2024年CAGR为7.1%。 CMP机台市场被应用材料和日本的Ebara高度垄断，两者市占率超过90%。国内市场上，华海清科和电科装备45所是主要的研发力量。华海清科是国内唯一12英寸CMP设备制造商，其设备已应用在中芯国际、长江存储、华虹集团、英特尔、长鑫存储等IC制造商的大生产线中。电科装备45所自主研发的CMP商用机已进入中芯国际生产线。 9、检测设备——质量检测设备 半导体制造环节的检测流程分为前道检测和后道检测。其中，前道检测主要分为光学测量、缺陷检测和膜厚测量设备等，统称为质量测量。 根据Gartner数据，2020年全球质量检测设备市场规模71.7亿美元，预计到2024年市场规模88亿美元，2019-2024年CAGR为7.1%。 目前集成电路质量测量设备全球主要的供应商是科磊半导体(KLA)和应用材料，市占率分别为54%和11%，市场竞争格局集中。国产企业主要代表是上海睿励科学和上海精测。睿励科学具备光学膜厚测量系统、光学关键尺寸和形貌测量系统，国内技术领先。2014年获得三星数台订单，并于2018年获得三星的重复订单。上海精测开发了适用于半导体工业级应用的膜厚测量以及光学关键尺寸测量系统。 10、检测设备——电学检测设备 后道检测主要为电学检测，核心设备包括测试机、探针台和分选机。测试机用于检测芯片功能和性能，技术壁垒高；探针台与分选机实现被测晶圆/芯片与测试机功能模块的连接。从产品结构来看，中国市场测试机、分选机和探针台分别占据后道检测设备63%、17%和15%的市场份额（2019年数据）。 根据SEMI估计，2020年中国电学检测设备市场规模64亿元，2016-2020年CAGR为22.7%。 目前，电学检测设备市场集中度很高，其中测试机主要被爱德万和泰瑞达垄断，分选机被爱德万、科休半导体、爱普生等企业垄断，探针台被东京电子、东京精密和伊智所垄断。国内龙头长川科技已经布局测试机和分选机市场，积极研发探针台。华峰测控主要产品为测试机，是国内最大的半导体测试机供应商。上海中艺主要产品为分选机。 11、清洗设备 硅片清洗的目标是去除所有表面沾污，包括颗粒、有机物、金属和自然氧化层。目前占统治地位的硅片清洗方法是湿法清洗。湿法清洗设备分为单片清洗设备和槽式清洗设备，槽式清洗设备可批量清洗硅片，但可能导致互相污染现象。 根据Gartner数据，2020年全球湿法清洗设备市场规模35亿美元，其中单片清洗设备26.3亿美元，占比75%。预计到2024年全球清洗设备市场规模42.5亿美元，2019-2024年CAGR为6.9%。 全球清洗设备龙头是迪恩士、东京电子和泛林半导体，CR3接近90%，其中迪恩士占比近50%，是绝对的龙头。国内企业中，盛美半导体是国产清洗设备的优秀代表，主流产品得到国际一流品牌包括中芯国际、长江存储、SK海力士等企业的认可。至纯科技已在单片式设备上获得突破，并在几个特殊工艺上（晶背清洗、高温硫酸、异丙醇干燥）弥补了国内空白。 我国半导体设备企业有望形成两类企业，一类是以北方华创、中微公司、盛美股份为代表的平台型设备公司，体量大、研发实力强、产品条线丰富；一类是以上海微电子、沈阳拓荆、精测电子、华峰测控、芯源微为代表的专业设备公司，专攻细分领域，加速实现国产替代。建议关注半导体设备平台型上市公司北方华创、中微公司、盛美股份，以及专业型上市公司华峰测控、精测电子、芯源微等。 
风险提示： 1）国内晶圆厂投资不及预期。近几年，大陆开启晶圆厂投资热潮，将带动半导体设备需求增长。如果晶圆厂投资落地数量或进度不及预期，则设备需求增速放缓，半导体设备公司业绩增长可能不达预期。 2）国内设备技术进步不及预期。半导体设备行业门槛高，技术难度大，如果国产设备企业技术研发不足或技术突破不及预期，将严重影响到国产设备进口替代的节奏。 3）竞争加剧的风险。半导体设备行业高度垄断，随着大陆市场的快速成长，外资巨头若加大对大陆市场的重视程度，大陆半导体市场竞争可能加剧，影响到国内相关公司的发展。 4）升级风险。如果进一步升级，半导体产业链可能会受到更加严厉的冲击。
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