探讨国产半导体设备企业的新机遇

胡薇 发表于 2018-08-21 16:02:08 收藏 已收藏
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探讨国产半导体设备企业的新机遇

胡薇 发表于 2018-08-21 16:02:08

本文具备三大亮点:一是从半导体基础制造工艺入手,系统解释了26种半导体设备的应用环节及具体功能;二是在《2016年中国集成电路芯片制造业的状况研究》一文的基础上,统计了国内截止到2018年7月的8英寸、12英寸硅片厂及晶圆厂投产计划;三是系统测算了三大工艺环节的半导体细分设备的分年度市场空间。

半导体设备强者为王,国产企业实力仍然偏弱。受全球经济复苏及中国大陆半导体产业快速跟进驱动,2017年全球半导体设备市场规模566.2亿美元,较2016年大幅增长37.3%。从市场竞争格局来看,行业集中度高TOP4市占率>59%,TOP10市占率>73%;在光刻机,刻蚀机,CVD、PVD设备等核心设备中TOP3市占率分别为92.8%、90.5%、70%、96.2%。从国内来看,虽然中国大陆是全球半导体设备第三大市场,但是2017年国产半导体集成电路设备国内市占率仅为4%,国产半导体设备企业整体实力仍然偏弱。

三大因素齐发力,国产半导体设备迎发展良机。我们认为国产半导体设备正处于发展的机遇期,主要基于三点原因:①受汽车电子以及工业互联网等新兴领域的需求带动,半导体行业发展有望持续复苏;②国家政策持续加码,国家集成电路产业投资基金第二期正在筹资,国产企业有望充分受益;③硅片厂和晶圆厂产能扩张叠加技术迭代,国产半导体设备企业有望在8英寸半导体设备实现突围,缩短与外企的差距。

2018-19年国内半导体设备年均市场规模接近2000亿。从晶圆制造设备来看,国内半导体硅片供需缺口明显,目前8英寸硅片产能对应缺口为161.5万片/月,12英寸硅片产能对应缺口为277.3万片/月。我们基于当前硅片厂投产计划测算国内晶圆制造设备2018-2020年市场规模分别为153、290、27亿元。晶圆加工设备与封测设备存在配套关系,基于当前晶圆厂投产计划测算国内晶圆加工设备2018-2020年市场规模分别为1483、1301、331亿元;封装测试设备2018-2020年市场规模分别为300、263、67亿元。

给予半导体设备行业推荐评级。自上而下,在下游新兴领域需求刺激以及政策助推下,国内硅片厂和晶圆厂迎来扩产潮,2018-19年国内半导体设备年均市场规模接近2000亿。同时受益半导体产线技术迭代以及大基金重点扶持,国产半导体设备企业迎来发展机遇期。自下而上,关注细分领域龙头标的。半导体设备行业马太效应明显,龙头企业在这一轮发展机遇中更有望脱颖而出。重点推荐国产半导体设备龙头北方华创,半导体检测设备龙头长川科技,半导体单晶炉龙头晶盛机电;建议关注布局半导体检测业务的精测电子以及布局半导体清洗设备及湿法刻蚀工艺的至纯科技。

风险提示:半导体设备需求不及预期;国产半导体设备技术突破不及预期;行业政策支持力度不及预期;下游产能投产进度不及预期;相关重点公司未来业绩不及预期。

正文分析

1、半导体设备是什么?

1.1、半导体行业概述及产业链分析

半导体包括四类产品,分别是集成电路、光电子器件、分立器件、传感器。2017年半导体行业市场规模为4122亿美元,其中集成电路市场规模为3432亿美元,占比为83.25%。

半导体集成电路是将晶体管、二极管等有源元件和电阻器、电容器等无源元件,按照一定的电路互联,集成在一块半导体单晶片上,从而完成特定的电路或者系统功能。包括模拟电路(Analog)、微处理器(Micro)、逻辑电路(Logic)、储存器(Memory)。

行业概况:受储存器电路中的DRAM和NAND Flash涨价影响,2017年全球半导体行业销售额同比增长21.62%,首破4000亿美元大关,增速创自2010年以来的新高。

地域分布:2017年北美地区半导体销售额为885亿美元,同比增长35%,增速居全球首位;亚太及其他地区销售额为2488亿美元,同比增长13.3%,占全球市场总值的60.36%。从国内来看,2017年中国半导体销售额为1315亿美元,同比增长22.3%,占全球半导体市场比重为32%。

产业链构成:半导体产业链包括上游的半导体支撑产业,中游的半导体制造产业以及下游的半导体应用产业。细分来看,半导体支撑产业包括半导体材料及半导体设备;中游的半导体制造的核心是集成电路制造,包括IC设计、IC制造以及IC封测;下游的半导体应用领域众多,2017年全球半导体应用领域排名前三的行业是通信及智能手机(31.83%)、PC/平板(26.13%)、工业/医疗(14.51%)。

工艺流程占比: 2017年国内IC设计、IC制造、IC封测分别实现销售收入2073.5、1448.1、1889.7亿元,同比增长26.1%、28.5%、20.8%,占整个集成电路市场规模比例分别为38%、27%、35%。与世界集成电路产业三业(设计、制造、封测)结构合理占比的3:4:3相比,国内半导体产业呈现出了“两头强,中间弱”的特点,半导体设备行业的发展有待提高。

1.2、半导体设备的分类及功能

半导体设备是半导体行业的支撑行业,主要应用于IC制造(前端设备)、IC封测(后道设备)两大领域。其中,IC制造设备又包括晶圆制造设备和晶圆加工设备。其中晶圆制造设备主要由硅片厂(如SUMCO、金瑞泓、上海新昇)进行采购,最终产品为硅片;晶圆加工设备主要由代工厂(Foundry,如台积电、中芯国际、上海长虹)或IDM企业(如Intel、Samsung)进行采购,最终产品为芯片;IC封测设备通常由专门的封测厂(如日月光、Amkor、长电科技)进行采购,包括拣选、测试、贴片、键合等多个环节。

晶圆制造设备

晶圆制造设备是通过对硅进行加工从而制造出硅片的设备。美国典型的半导体公司都不会自己制造硅片,硅材料和硅片制备是由高度专业化工厂完成,生产出来的硅片提供给半导体制造商以制造各种各样的芯片。晶圆制造设备包括以下9类设备:

①熔炼矿热炉。主要功能是用碳加热硅石获得冶金级硅(纯度98%)。

②CVD设备。通过化学反应获得半导体级硅(SGS,7-12个“9”的高纯度),比如采取西门子法进行化学反应时,将用到西门子反应器。但该工艺生产后的硅没有按照希望的晶体顺序排列原子。

③单晶生长炉。包括CZ法和区熔法,主要功能是将半导体级的多晶硅块转换成一大块单晶硅,从而获得满足芯片制造所需的电学和机械性质。目前主流是CZ法,其拉硅棒的直径通常比区熔法大,但是区熔法由于不用坩埚,含氧量更低,纯度更高。

④研磨机。应用于两个环节:一是去掉硅棒两端;二是切片后对表面进行研磨。

⑤切片机。对硅锭进行切片,获得硅片,包括线切及砂浆切割。

⑥倒角机。对硅片边缘修整,减少机械应力产生的位错。

⑦刻蚀机。腐蚀硅片表面约20微米以抹掉边缘损伤及玷污。

⑧抛光机。对刻蚀后的表面进行抛光处理,表面平整度将影响到后续光刻。

⑨清洗机。使硅片在给芯片制造厂之前达到超净的洁净状态。

晶圆加工设备

晶圆加工设备是指通过将硅片加工成芯片所需的设备。典型的集成电路硅片制造工艺要花费6-8周时间,包括几百甚至上千道步骤来完成制造工艺。从本质上来看,集成电路是由晶体管(主要为场效应管)及电路共同构成,一切的工艺和设备流程的最终目的是在指甲盖大小的范围内集成更多的晶体管并实现连接(如第四代 Intel CPU Haswell i7的晶体管数约为14亿多)。

从设备端来看,晶圆加工厂可以分为6个独立的生产区:扩散(包括氧化、膜淀积和掺杂工艺)、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入、抛光。其中,扩散区主要进行高温工艺及薄膜淀积,设备包括氧化炉、高温扩散炉等;光刻区的目的是将电路图形转移到硅片表面的光刻胶上,然后通过深紫外线曝光来印制掩膜版的图像,设备包括涂胶/显影设备,光刻机;刻蚀区是在没有光刻胶保护的地方留下永久的图形,设备包括刻蚀机、去胶机和湿法清洗设备;薄膜区是在生产各个步骤间的介质层与金属层的淀积,包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)设备等;离子注入区的主要设备为离子注入机,是一种掺杂工具;抛光区主要作用是使硅片表面平坦化,主要设备为抛光机。

①氧化炉。主要是在硅片表面生长一层氧化层(SiO2),由于硅是半导体而二氧化硅是绝缘体,因此是良好的介质材料;同时二氧化硅具备保护器件划伤和隔离玷污的作用。

②光刻机及涂胶/显影设备。光刻的本质是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。主要包括气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜烘焙、显影观察等8个步骤。目前光刻机主要包括极紫外光刻技术(EUV)、角度限制投影电子光束光刻技术(SCALPEL)、离子束投影光刻技术(IPL)和X射线光刻技术。

③刻蚀机。一般来说,互联材料淀积在硅片表面,然后有选择地去除它,就形成了由光刻技术定义的电路图形。这种有选择性的去除材料叫刻蚀。刻蚀的对象包括铝合金复合层(实现电学链接)、多晶硅栅(构造晶体管中的栅极)等。刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀,前者的刻蚀剂是等离子体,后者的刻蚀剂主要是化学刻蚀液。影响刻蚀机性能的主要参数包括刻蚀速率、刻蚀剖面、刻蚀偏差、选择比、均匀性、残留物、聚合物形成、等离子体诱导损伤和颗粒沾污。

④高温扩散炉。高温扩散炉也是实现热氧工艺的关键设备,包括卧式炉、立式炉和快速热处理扩散炉(RTP)。通常硅片进行光刻前形成的二氧化硅称为场氧,由氧化炉完成;利用多晶硅淀积形成栅极前的氧化称为栅氧化硅,由高温扩散炉完成。同时,完成离子注入后的退火时也能用到高温扩散炉,有助于修复晶格缺陷。

⑤离子注入设备。本征硅的导电性很差,因此需要掺入其他杂质,使其结构和导电率发生变化,硅才能成为一个半导体。硅掺杂是制备半导体中pn结(pn结和前文中提到的栅极是晶体管的重要构成)的基础,离子注入是最重要的掺杂方法。离子注入的两个重要参数是剂量和射程。

⑥化学气相沉积设备(CVD)。化学气相淀积是通过气体混合的化学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺,应用的工艺包括光刻前的气相底成膜以及形成绝缘介质层(如氮化硅)。CVD设备包括APCVD(常压CVD)、LPCVD(低压CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)和高密度等离子体CVD(HDPCVD)。

⑦物理气相沉积设备(PCD)。用于半导体制造业中的金属化工艺被称为物理气相沉积,通过淀积一层金属化薄膜,并辅助光刻及刻蚀的方法,从而在芯片上实现互联金属线和接触孔或通孔链接。

⑧抛光机(CMP)。主要功能为获得金属和介质层的局部和全局的平坦化,主要的方法包括反刻、玻璃回流和旋涂膜层。

⑨测试设备。包括探针台和测试机,根据探针测试芯片进行接触,测试机进行测试。最终输出结果为判断一片硅片上的芯片成品率。

IC封测设备

IC封装测试设备将加工好的晶圆进行拣选、分片、封装、测试进而转变成为独立可用的电子元器件。封装测试环节运用到以下8类设备:

①减薄机。将加工好的晶圆进行背面减薄,通常需减薄到8—10密耳,以降低硅片装配过程中的热应力、减小硅片封装后的尺寸。

②划片机。将硅片切割为单个芯片,划片后,根据晶圆检测环节的检测和拣选结果,芯片将被分类进行下一个环节,符合性能预期的芯片将进行正式的封装。划片机通常采用金刚石刃作为切割工具。

③贴片机。将切割后性能符合预期的芯片背面粘贴到引线框架或基座上,最常用的粘贴方法是利用环氧树脂进行粘贴。

④焊线机。主要用于引线键合环节,将芯片与引线框架进行电连接。引线键合属于封装的一级互连环节,常用的一级互联方法有载带自动焊、倒装焊、引线互联。

⑤塑封机。将完成引线键合的芯片和引线框架完成包封,常用的塑料封装方法有SOP、SIP、QFP,进行塑封是为了对芯片和焊线进行保护。

⑥切筋打弯机。即将模块式的引线框架切割成为单独的塑封好的引线框架,之后将引脚成型,达到工艺需求要求的形状。常见的引脚打弯形状有海鸥形引脚、直插型引脚、J形引脚。

⑦分选机。分选机是将封装后的芯片和测试机进行连接的自动化芯片运输和连接设备,通常需根据不同封装形式进行分选机设计。

⑧测试机。对接分选机,对封装后的芯片进行电学性能测试。封装后的测试是芯片制造环节最后的测试环节,测试通过的芯片将直接交付给客户。封装过程对芯片可能存在一定的损坏,因此封装后进行芯片功能测试是非常必要的。

1.3、半导体设备行业发展概况

市场规模:2017年行业增长迅速,韩国取代中国台湾成为第一大市场。2017年全球半导体设备市场规模566.2亿美元,较2016年大幅增长37.3%,创历史新高,增速为近7年来的最高水平。主要原因有两点:一是从全球经济复苏带来半导体行业呈现增长态势;二是中国大陆半导体产业的快速跟进对全产业链形成刺激。

从地区贡献来看,半导体设备市场需求与代工厂分布密切相关。2017年韩国为全球第一大半导体设备市场,占比为32%;中国大陆为全球第三大半导体设备市场,占比为15%。

分地区增速方面,2017年韩国半导体设备市场规模约180亿美元,同比增长133%,主要系三星成立半导体代工业务部门,芯片及芯片外包业务需求持续增长。中国台湾半导体设备市场规模约115亿美元,同比下滑6%,丧失连续五年的第一宝座,主要系台湾半导体所依赖增长的PC市场进入衰退期,智能手机增速趋缓。中国大陆半导体市场规模约82亿美元,同比增长27%。

竞争格局:全球市场集中度高,国产企业差距明显。根据SEMI统计,2017年全球前十大IC设备企业合计营收为414.8亿美元,占全球市场比重为73%。其中,前四强与2016年一致,合计营收占比为59%。

从细分产品来看,核心设备垄断程度较高。在整个半导体设备市场中,晶圆加工设备大约占整体的80%,封装及组装设备大约占 7%,测试设备大约占 9%,其他设备大约占 4%。同时根据VLSI Research 2017年公布的数据,晶圆加工设备中,扩散设备、光刻设备、刻蚀设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、前道检测设备、抛光设备、清洗设备投资额占生产设备比例为1%、23%、30%、2%、25%、13%、4%、2%。

在市占率方面,2016年光刻机,刻蚀机,CVD、PVD设备的前三大设备供应商市占率合计分别为92.8%、90.5%、70%、96.2%,垄断程度较高。

国产半导体设备企业实力仍然偏弱。根据Gartner 数据显示,全球列入统计的规模以上晶圆制造设备商共计58 家,其中日本企业最多,数量达到21 家,占比为36%。其次是欧洲的13 家、北美10 家、韩国7 家。中国大陆仅4 家纳入统计,按数量统计占比不到 7%,国产半导体设备公司整体实力偏弱。

同时,中国虽然是全球半导体设备第三大市场,但是2017年国产半导体集成电路设备国内市占率仅为4%,且国产设备基本上都是销售到国家投资的集成电路生产线,比如中芯国际、长江存储、上海华虹、华力微。外商投资的公司普遍采用进口设备。

根据中国电子专用设备协会统计,2017年中国半导体设备前三强分别是晶盛机电、电科装备、捷佳伟创,其中主营业务为集成电路设备的前三强分别是中微半导体、北方华创、上海微电子,2016年营收规模分别为6.87、4.85、2.90亿元。

2、三大因素齐发力,国产半导体设备迎发展良机

我们认为国产半导体设备正处于发展的机遇期,主要基于三点原因:①受汽车电子以及工业互联网等新兴领域的需求带动,半导体行业发展有望持续复苏;②国家政策持续加码,国家集成电路产业投资基金(以下简称大基金)第二期正在筹资,国产企业有望充分受益;③硅片厂和晶圆厂产能扩张叠加技术迭代,国产半导体设备企业有望在8英寸半导体设备实现突围,缩短与外企的差距。

2.1、下游需求亮点频现,半导体行业有望持续复苏

从长期来看,随着下游应用多点开花,半导体行业发展有望增添新动力。其中,以工业互联网、物联网、人工智能、汽车电子、5G为主体的半导体新兴应用预计将形成良好的需求共振,全球半导体行业发展将步入机遇期。

①工业互联网领域。2017年12月27日,国务院印发《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,成为指导工业互联网发展的纲领性文件;此次专项工作组的成立,旨在贯彻落实《指导意见》,加强对有关工作的统筹规划和政策协调;此外2018年6月8日,工信部印发《工业互联网发展行动计划(2018-2020年)》,计划于2020年底建成5个左右标识解析国家顶级节点,标识注册量超过20亿。

在这一背景下,工业互联网行业正迎来发展大时代;据中国工业互联网产业联盟测算,2017年我国工业互联网直接产业规模约为5700亿元,预计2017年到2019年,产业规模将以18%的年均增速高速增长,到2020年将达到万亿元量级。芯片技术与传感器技术是工业互联网行业发展的重要支柱,有望充分受益行业

②物联网领域。2010年10月18日,国务院发布《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,将物联网作为国家首批加快培育战略性新型产业。2011年-2017年,物联网发展迅速,市场规模自2633亿元迅速增加至11605亿元。根据《信息通信行业“十三五”发展规划物联网分册》,预计2020年国内物联网总体产业规模将突破1.5万亿,公众网络M2M连接数将突破17亿。

物联网是以互联网为基础实现的物物相息,智能感知、智能识别等技术是实现物物相息的基础,与之相对应的安全芯片、通讯射频芯片、身份识别芯片、移动支付芯片需求有望得到提升。

③人工智能领域。人工智能或称机器学习,是在面临海量数据时做到举一反三,通过大数据训练能够寻找数据与结果之间的内在关联,并形成新的洞察力以帮助企业进行最优决策。2017年7月、12月,国务院和工信部接连发布《新一代人工智能发展规划的通知》、《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划(2018-2020年)的通知》,为我国人工智能发展提供政策保障。规划表示到2020年我国人工智能核心产业规模超过1500亿元,带动相关产业规模超过1万亿元。根据中国信息通信研究院发布的《2017年中国人工智能产业数据报告》,2017年,我国人工智能市场规模达到了216.9亿元,比2016年增长了52.8%,预计2018年市场规模有望达到339亿元,增速达到56.3%。

④汽车电子领域。汽车电子化是汽车技术发展进程中的一次革命,主要应用为汽车电子控制装置和车载汽车电子装置。在国内汽车电子化最为显著的代表是汽车的电动化,2012-2017年,国内电动汽车产量的复合年均增长率达79.16%。2016年11月29日,国务院印发《‘十三五’国家战略性新兴产业发展规划》,提出重点发展新能源汽车,到2020年实现当年纯电动汽车和插电式混合动力汽车的产销量达200万辆以上,相较2017年将增加200.03%。目前我国电动汽车电机电控核心组件IGBT芯片98%采用国外进口,在国内汽车电子化蓬勃发展的过程中,汽车芯片的国产替代将存在较大的需求。

⑤5G领域。工信部2017年1月17日印发《信息通信行业发展规划(2016-2020)》,明确5G是我国信息通信行业十三五期间重点研发和规划工程,将在十三五期间构建5G试商用网络,打造系统、芯片、终端、仪表等完整产业链。同时国家发改委于2018年2月23日发布《2018年新一代信息基础设施建设工程拟支持项目名单》进一步为推进5G商用加码。中国移动、中国联通和电信则紧跟规划脚步,计划将于2018年在上海、杭州、深圳等16城市进行试点商用。目前联发科、台积电等均在进行5G芯片研发,5G的应用推进将在移动智能设备端带来革命性的更新需求。根据英飞凌预测,到2020年,全球将有500亿台设备进行5G连接。

2.2、“02专项”+大基金助力,政策红利持续落地

半导体行业作为支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业,一直受到国家的关注和重点扶持。国家先后通过2000年的18号文,2011年的4号文、2008年科技部启动的02专项、2014年的《国家集成电路产业发展推进纲要》、2015年的《中国制造2025》等一系列文件对半导体进行支持,政策力度大,且具备连贯性。

在众多政策支持手段中,“02专项”和大基金是两大亮点,本文予以重点分析。

“02专项”:已取得阶段性进展

2008年,科技部和信产部启动了“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”项目,以专项的形式组织了一批国内半导体设备公司进行了一系列重点工艺和技术的攻关,包括 45-22 纳米关键制造装备攻关,开发 32-22 纳米 CMOS 工艺、 90-65 纳米特色工艺,开展 20-14 纳米前瞻性研究,形成 65-45纳米装备、材料、工艺配套能力及集成电路制造产业链,进一步缩小与世界先进水平差距。

通过“02专项”的扶持,国内诞生了北方华创、中微半导体、上海微电子等一批半导体设备生产领军者,并形成了 65-45 纳米装备、材料、工艺配套能力及集成电路制造产业链。

大基金一期成效明显,二期正处于筹划之中

国家集成电路产业投资基金(大基金)2014年9月24日正式成立,存续期为10年,注册资本为987.2亿人民币,财政部、国开金融、中国烟草、北京亦庄为公司前4大股东,持股比例分别为36.47%、22.29%、11.14%、10.13%。大基金分为两期进行,截至2018年5月,大基金一期已经投资完毕,共募集1387.2亿人民币,有效决策投资67个项目,累计项目承诺投资额达1188亿元,实际出资818亿元。

从投资领域来看,大基金一期投资重点关注芯片制造,设备领域较少涉及。截止到2017年底,大基金一期承诺投资中,芯片制造、芯片设计、封装测试和装备材料的投资占比分别为67%、17%、10%、6%。在半导体设备方面,目前大基金投资比重仍相对较低,投资对象仅包括北方华创、中微半导体、长川科技、沈阳拓荆等设备类公司。

在影响力方面,大基金对长电科技、通富微电、华天科技、中芯国际等国内行业领导者的投资均可反映大基金偏向投资行业引领型企业以促进中国半导体企业的国际影响力形成。如2014年12月,大基金通过与长电科技签署三级股权架构协议注资3亿美元助力其完成对原全球第四大封装测试厂星科金朋的“蛇吞象”式收购,收购完成后长电科技顺利于2017年成为全球第三大封测企业。

值得关注的是,大基金有效撬动了地方政府投资。截至2018年5月,全国已有15个省份或城市设立集成电路投资基金,已设立基金总投资额为3230亿元,另有无锡和厦门分别规划设立200亿元和500亿元。地方投资基金的投向行业较为分散,深圳明确地指出将投向存储IC、上海和安徽将重点投资汽车芯片等新消费芯片的建设、陕西重点投资半导体功率器件,其他地区均以芯片制造为主、分散投资到产业链设计、封测环节和装备材料环节。

另一方面,大基金二期正处于筹备之中。根据搜狐新闻网报道,大基金二期筹资规模预计为3000亿元(高于此前预期的1500-2000亿),按照1:3的撬动比测算,撬动的社会资金在9000亿左右,整体投资总额将超过万亿,预计将对半导体行业发展起到有效地提振作用。

2.3、产能扩张+技术迭代,国产设备迎来机遇期

在行业下游需求新的增长点刺激下以及国家政策的大力扶持,国内半导体行业发展开始提速,硅片厂和晶圆厂项目持续上马筹建。根据我们统计,截至2018年7月,国内在建及拟建8英寸硅片厂对应产能合计为223万片/月,12英寸硅片厂产能合计为309万片/月;在建及拟建8英寸晶圆厂对应产能合计为54.7万片/月,12英寸晶圆厂对应产能合计为108.5万片/月。

与存量产能相比,硅片厂与晶圆厂的产能增量均非常明显,且主要集中于12英寸产能。根据我们统计,截至2018年7月国内8英寸硅片存量产能为68.5万片/月,增量产能提升幅度为326%;国内12英寸硅片产能几乎空白,仅能统计到上海新昇的5万片/月,增量产能提升幅度为62倍。在晶圆厂方面,国内8英寸晶圆存量产能为83.3万片/月,增量产能提升幅度为66%;国内12英寸晶圆存量产能60.9万片/月,增量产能提升幅度为178%。

半导体产线技术迎来迭代,国产半导体设备企业有望迎来发展机遇期。半导体设备作为下游硅片厂及晶圆厂建厂时重要的资本开支,在国内硅片厂以及晶圆厂的持续大幅投产的背景下,需求有望得到大幅提升。从半导体设备的投资侧重点来看,12英寸硅片厂和晶圆厂增量产能均大幅超过8英寸增量产能,充分表明未来2年晶圆厂正处于技术迭代期。在海外半导体设备龙头竞逐12英寸半导体设备的过程中,国产半导体设备企业在以大基金为核心的政策扶持下有望在8英寸半导体设备实现突围,缩短与外企的差距。另一方面,我们亦关注到部分国产企业在12英寸半导体设备取得突破,如晶盛机电在中环领先半导体的中标项目中已涵盖12英寸半导体单晶炉,预计随着12英寸成为主流技术路线,公司的业绩将充分受益。

3、半导体设备市场空间测算

3.1、 晶圆制造设备市场空间测算

晶圆制造设备是通过对     硅进行加工从而制造出硅片的设备,主要包括单晶生长炉、研磨机、切片机等9类设备。晶圆制造设备的需求与下游硅片厂的资本开支密切相关。我们分下游投资项目落地的确定性及投资规模两个维度对晶圆制造设备的市场空间进行衡量。

硅片厂产能落地的确定性分析:国内硅片供需测算

硅片的供给端为国内的硅片厂,需求端为国内的晶圆厂,我们通过二者的产能规模对国内硅片的需求进行测算。

从需求端来看,根据2.3节中的统计,国内8英寸晶圆厂存量产能为83.3万片/月,增量产能为54.7万片/月,合计产能为138万片/月;国内12英寸晶圆厂存量产能为60.9万片/月,增量产能为108.5万片/月,合计产能为169.4万片/月。

通常情况下,硅片厂作为晶圆厂的上游,出于自身产能弹性的考虑,往往需要预留富余产能;同时晶圆厂受产品良率制约,最终的产能低于供给端的硅片产能。晶圆加工行业良率的危险生产边界为60%,以中芯国际为例,面向高通的生产线良率为40~60%,因而我们以晶圆良率的危险生产边界来假设晶圆厂的硅片需求折算系数为60%,即晶圆厂对8英寸硅片需求为230万片/月,12英寸硅片需求为282.3万片/月。

从供给端来看,根据2.3节中的统计,国内8英寸硅片厂存量产能为68.5万片/月,对应缺口为161.5万片/月;国内12英寸硅片厂存量产能为5万片/月,对应缺口为277.3万片/月。

从目前已有的硅片厂增量项目信息来看,对应8英寸硅片产能增量为223万片/月,其中截止到2020年底产能增量为188万片/月,2020年以后产能增量为35万片/月。按此标准测算8英寸硅片市场将在2020年左右达到市场供需均衡状态。国内12英寸硅片产能增量为309万片/月,其中截止到2020年底产能增量为134万片/月,2020年以后产能增量为309万片/月。按此标准测算12英寸硅片市场将在2020年缺口依旧达143.3万片/月,预计将在2020年后达到供需平衡。

基于上述分析,国内半导体硅片存在明显供需缺口,且12英寸硅片的缺口在短期内(2020年前)难以得到满足,这将为硅片厂持续扩产增加动力。我们认为当前已有规划的硅片厂项目预计将大概率落地,且不排除新的投产项目出现。

晶圆制造设备市场空间测算

我们基于以下假设条件及对晶圆制造设备市场空间进行测算:

1.假设硅片厂产能均能按期落地;

2.国内8英寸和12英寸硅片增量产能分别为223万片/月和309万片/月,我们根据项目投产进度年度分别对2018、2019、2020、2020年以后四个时间区间进行产能划分,其中未注明具体投产进度产能假设按照年度进行平滑;

3.8英寸单晶炉单台产能约为8000片/月,12英寸单晶炉由于目前工艺尚不成熟,产能约为5000片/月。但硅片厂在购买设备时通常会考虑到产能弹性因素,设备购买量通常高于设定产能,如金瑞泓10万片/月的8英寸硅片项目共购置了30台单晶炉,对应单台产能为3333片/月。基于此,我们假设硅片厂在采购单晶炉时按照8英寸4000片/月、12英寸3000片/月计算;

4.根据调研,假设8英寸半导体单晶炉单价为600万元,12英寸半导体单晶炉单价为2000万元;

5.根据中国产业信息网,单晶炉投资占整个晶圆制造设备投资额为25%,其余设备占比75%。

基于以上假设,我们预计国内晶圆制造设备2018-2020年市场规模分别为153、290、27亿元。

3.2、晶圆加工及封测市场规模预测

晶圆加工设备包括光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备等,设备需求与晶圆厂投资密切相关。IC封测设备包括检测设备与封装设备,检测设备又分为前端检测设备与后端检测设备,其中前端检测设备指应用于晶圆加工环节的检测设备,后端检测设备连同封装设备指应用于IC封测工艺中的设备。半导体封测设备通常与晶圆加工设备相配套,因此我们通过同一模型进行两大半导体设备市场空间的测算。

我们基于以下假设条件对晶圆加工设备和IC封测设备的市场空间进行测算:

1.我们在2.3节中统计了国内8英寸和12英寸晶圆厂的项目信息,假设项目投资额按照投产进度进行平滑,我们统计出2018、2019、2020、2020年以后四个时间区间的8英寸晶圆厂投资额分别为106.10、73.93、73.93、0亿元;12英寸晶圆厂投资额分别为2365.50、2094.83、478、1435.40亿元。

2.我们假设晶圆加工设备开支占晶圆厂投资额的比重为60%;同时根据搜狐网转发的VLSI Research 2017年公布的数据,晶圆加工设备中,扩散设备、光刻设备、刻蚀设备、离子注入设备、薄膜沉积设备、前道检测设备、抛光设备、清洗设备投资额占生产设备比例为1%、23%、30%、2%、25%、13%、4%、2%。

3.根据半导体行业观察网,晶圆加工设备占整个半导体设备投资额的80%,封装设备占比为7%,后道测试设备占比为9%。由于封测设备通常与晶圆加工设备相配套,我们假设封装设备市场空间与晶圆加工设备市场空间比例为1:11,后道测试设备市场空间与晶圆加工设备市场空间比例为1:9。

基于此,我们构建国内晶圆加工及封测市场规模预测模型,预计国内晶圆加工设备2018-2020年市场规模分别为1483、1301、331亿元;封装测试设备2018-2020年市场规模分别为300、263、67亿元。

半导体设备市场空间小结:综上所述,2018-2020年国内半导体设备市场空间分别为1935.68、1854.47、424.73亿元。

4、行业评级及投资策略

自上而下,给予半导体设备行业推荐评级。在下游新兴领域需求刺激以及政策助推下,国内硅片厂和晶圆厂迎来扩产潮,2018-19年国内半导体设备年均市场规模接近2000亿。同时受益半导体产线技术迭代以及大基金重点扶持,国产半导体设备企业迎来发展机遇期。

自下而上,关注细分领域龙头标的。半导体设备行业马太效应明显,龙头企业在这一轮发展机遇中更有望脱颖而出。重点推荐国产半导体设备龙头北方华创,半导体检测设备龙头长川科技,半导体单晶炉龙头晶盛机电;建议关注布局半导体检测业务的精测电子以及布局半导体清洗设备及湿法刻蚀工艺的至纯科技。

4.1、 北方华创:充分受益半导体设备国产化,公司步入发展机遇期

晶圆厂投资热潮催生半导体设备需求,国家意志助推设备进口替代。根据SEMI的数据统计,预估在2017-2020年间,全球将有62座新的晶圆厂投入营运。期间国内将有26座新的晶圆厂投入营运,占新增晶圆厂比重高达42%。在这一背景下,半导体设备需求有望大幅提升;根据公司年报披露,2017年全球半导体设备销售额预计达550亿美元,同比增长35.6%,其中中国大陆半导体设备销售额将达到75.90亿美元,成为全球第三大半导体设备市场。另一方面,国家集成电路产业投资基金第二期正在筹资之中,目前方案已上报国务院并获批。中国证券报资料显示,国家集成电路产业投资基金二期筹资规模在1500亿-2000亿左右,按照1:3的撬动比测算,撬动的社会资金在4500-6000亿左右,叠加国家集成电路产业投资基金第一期1387亿元及所撬动的5145亿元社会资金,投资总额将超过万亿元。目前我国半导体行业的发展已经上升到国家战略高度,国家集成电路产业投资基金的持续投入充分彰显了国家对产业的支持力度,国产半导体设备企业迎来崛起良机。

公司是国产半导体设备龙头,泛半导体设备布局不断完善。公司作为国家02重大科技专项承担单位,也是国家集成电路产业投资基金重点扶持的企业,已先后完成了12吋集成电路制造设备90-28nm等多个关键制程的攻关工作,14nm制程设备也已交付至客户端进行工艺验证。目前,公司28nm及以上技术代制程设备已批量进入了国内主流集成电路生产线量产,2017年半导体设备实现营业收入11.34亿元,同比增长39.47%。同时公司积极布局泛半导体设备,在半导体照明、光伏、功率器件等领域建立起了行业领先优势;2017年公司光伏单晶炉设备获得订单约10亿元,预计将持续增厚公司业绩。此外,公司于2017年8月作价1500万美元收购美国AkrionSystemsLLC公司,布局精密清洗领域,进一步完善公司半导体设备的全产业链布局。

股权激励绑定人才队伍,研发为核奠定成长根基。公司目前已形成国内高端管理技术人才和海外专家为核心的多层次、多梯度的人才队伍,半导体设备领域专业技术员工占比超过一半,硕士学历以上的员工总数占比约30%。2018年3月公司发布股票期权激励计划(草案),拟向341名核心技术员工及管理骨干授予450万份股票期权,首次授予的股票期权行权价格为35.39元/股,股权激励的落地预计将进一步调动员工的工作积极性。另一方面,公司高度重视研发投入,2017年研发投入为7.36亿元,占营收比例为33.13%,截止到2017年年末公司已累计授权专利2000项;半导体行业属于资金密集型、技术密集型行业,持续高位的研发投入将为公司业绩的持续增长提供动力。

维持公司“增持”评级。预计公司2018-2020年净利润为1.73、2.56、3.79亿元,对应EPS为0.38、0.56、0.83元/股,按照最新收盘价对应PE为135、92、62倍。公司通过持续研发投入已成为国产半导体设备龙头,未来有望充分受益行业增长,维持公司“增持”评级。

风险提示:半导体设备需求不及预期;公司核心产品研发进度不及预期;行业政策支持力度不及预期;公司业绩不及预期;第二期国家集成电路产业投资基金进展不及预期。

4.2、 精测电子:盈利能力持续提升,2018年业绩高增长可期

盈利能力持续提升,全年有望持续高增长。2018年一季度公司毛利率与净利率分别为55.17%及25.79%,环比上升6.91、8.51个百分点;同比上升10.38、8.19个百分点。公司盈利能力提升的原因主要有两点:一是受产品结构优化毛利率持续增加;二是期间费用同比下滑进一步促进净利率提升,2018年一季度公司管理费用及销售费用占营收比例为20.55%、9.13%,同比下降5.83、1.29个百分点。此外,截止到一季度底公司存货为2.58亿元,创历史新高;考虑到下游面板检测及半导体检测行业景气度持续提升,预计公司全年业绩有望实现持续高增长。

产品序列不断完善,“光、机、电”一体化优势助推面板检测设备业绩持续提升。公司是国产面板检测设备龙头,在Module制程检测系统市场处于领先地位;2014年公司引进了宏濑光电和台湾光达相关专利,开始布局AOI光学检测系统和平板显示自动化设备,形成了“光、机、电”一体化的产品线。目前公司已实现Cell制程产品的规模销售以及Array制程的部分销售,质地优秀。2017年公司AOI光学检测系统占营收比重为45.31%,首次超过公司传统主业模组检测系统。根据HIS统计,2015年全球Array、Cell和Module各制程设备投资额占比分别为74%、21%、5%,随着公司面板检测设备向前段制程延伸,未来业绩有望实现持续快速增长。

内外结合积极布局,半导体测试设备有望提供良好业绩弹性。根据《中国制造2025》,到2020、2025年中国集成电路内需市场自给率分别达到40%、70%;与此同时,中兴通讯事件亦敲响了国产芯片发展不足的警钟,半导体行业发展有望步入机遇期。半导体测试设备在IC设计、晶圆制造加工、封装测试三大工艺环节均有应用,受益行业景气度提升需求有望持续增加。公司已将半导体测试设备纳入未来发展战略,2018年1月公司与韩国IT&TCo.,LTD设立中外合资公司武汉精鸿开始布局半导体测试设备,通过借助IT&T在半导体测试领域的技术研发实力,未来有望实现公司在半导体测试领域的快速突破。

维持公司“增持”评级。预计公司2018-2020年实现归母净利润3.21、4.53、5.04亿元,按照最新收盘价对应PE为22、16、14倍。在面板检测设备领域,公司质地优秀,有望充分受益行业增长;同时公司依托原有主业优势,通过内外结合的方式布局半导体测试设备,业绩具备良好的弹性,维持“增持”评级。

风险提示:面板检测设备业务推广不及预期、半导体测试设备业绩增长不及预期;半导体行业发展不及预期;公司业绩不及预期。

4.3、 长川科技:半导体后道测试设备国内龙头,在研高端产品有望加速国产替代

半导体后道测试设备国内龙头,优质客户合作关系稳定。公司是国内半导体后道测试设备供应商中唯一的A股上市公司,主要产品为测试机和分选机。2018年一季度,公司营业收入为0.45亿元,同比增长122.46%;实现归母净利润0.07亿元,同比增长80.4%。下游客户方面,公司与长电科技、华天科技保持较稳定的合作关系,2014-2017年,公司对长电科技、华天科技的合计销售占公司销售总额比例分别为55.28%、64.18%、62.58%、60.85%。2017年,长电科技和华天科技分别实现营业收入234.13亿元、68.86亿元,同比增长25.05%、29.19%,下游优质客户的发展将会给公司提供稳定的设备需求。

充分受益政策激励,半导体测试设备大有可为。截止到2017年,国家共出台17份促进半导体行业发展相关政策。2014年工信部印发的《国家集成电路产业发展推进纲要》首次明确提出2020年封装测试技术需达到国际领先水平,同时设立国家集成电路产业基金(简称大基金)。大基金一期共募集1387.20亿元,10%投资于封测行业。目前大基金是公司第三大股东,持有公司3.86%股份。受益于国家政策驱动,中国半导体行业发展备受期待。据SEMI预测,2018年中国半导体设备市场规模将达118.1亿美元,依据2017年全球测试设备在半导体设备行业所占6.11%比重推算,2018年中国半导体测试设备市场规模将提升至7.21亿美元。

研究成果显著,在研高端测试设备有望实现国产替代。公司重视测试技术和分选技术研发工作,2014年以来,公司研发投入占营业收入比重逐年上升,2016-2017均保持在20%以上。截至2018年8月7日,公司发明和实用型专利合计91项,仅2017年申请的发明专利和实用专利合计即达到23项。与此同时,公司IPO募投“研发中心建设项目”预计投资0.67亿元,布局模拟IC、高压大功率、数字IC、多类别自动测试等高端测试技术研究。据公司招股说明书披露,公司募投项目将在2018年10月份落地,项目落地后,公司在完善高端测试设备业务布局同时,有望实现国内高端测试设备的国产替代。

维持公司“增持”评级。随着国内半导体行业的进一步发展,高端测试设备国产替代需求增加,预计公司2018-2020年净利润分别为0.82亿元、1.24亿元、1.77亿元,对应EPS分别为0.55元/股、0.84元/股、1.20元/股,按最新收盘价计算,对应PE分别为73、48、33倍。我们认为公司作为半导体后道测试设备国内龙头企业,质地良好,维持公司“增持”评级。

风险提示:半导体行业发展不及预期;公司市场份额下降的风险;公司业绩不及预期;募投项目投资进展不及预期;公司客户过于集中的风险。

4.4、 晶盛机电:半导体业务表现亮眼,中标大单彰显实力

半导体行业投资放量,单晶炉充分受益设备需求增长。受中国半导体产业投资跟进和世界经济复苏影响,2017年全球半导体设备市场规模566.2亿美元,较2016年大幅增长37.3%,增速为近7年之最;其中中国市场规模为82亿美元,位列全球第三。而从半导体硅片端看,目前国内半导体硅片供需缺口明显,8英寸、12英寸硅片产能对应缺口为161.5万片/月、277.3万片/月。我们基于当前硅片厂投产计划,测算国内2018-2019年半导体单晶炉市场空间分别为38.28亿元、72.58亿元,半导体硅片制造设备规模为153亿元、290亿元。

半导体设备研发基础深厚,中标4亿元大单充分彰显公司技术实力。公司早在2007年4月便研制国内首台全自动直拉式单晶硅生长炉(TDR80A-ZJS),并向有研半导体销售;虽2011年至今公司单晶炉主要应用于光伏行业,但半导体单晶炉研发持续推进。目前,公司研发TDR150A-ZJS并实现量产,是国内上市公司中唯一具备12英寸半导体硅片拉制能力的单晶炉供应商。除半导体单晶炉外,公司同时布局其他半导体晶圆制造设备,目前已实现8英寸和12英寸半导体单晶硅截断机、滚磨机、截断磨面复合加工一体机等具备国际先进水平设备的量产和销售。2018年7月11日,公司中标中环领先半导体材料有限公司3.6亿元半导体单晶炉订单和0.42亿元全自动半导体单晶硅切断机、滚磨机订单,此次中标彰显了公司在半导体硅片制造设备领域的技术优势,有效提升了公司的市场影响力。

光伏设备销售承压,蓝宝石材料有望成为新增长点。受“531光伏新政”影响,国内光伏行业发展受限,公司5月31日后签订的光伏用单晶炉合同仅1单,交货期也较正常期长。与光伏行业设备销售承压相比,公司蓝宝石材料有望形成新增长点。公司募投“年产2500万mm蓝宝石晶棒生产和扩产项目”及“年产1200万片蓝宝石切磨抛项目”,一期于2018年6月30日投产、二期2019年底投产,届时蓝宝石材料产能将完全释放。根据前瞻产业研究院预计,2019年全球蓝宝石晶棒市场规模将达到10.4亿美元,考虑到智能手机及穿戴设备需求影响,到2020年全球蓝宝石材料市场营收将达到341.5亿元。产能释放适逢市场增长高峰期,公司蓝宝石业务增长可期。

研发成果丰富,股权激励绑定核心研发人员。2017年公司研发投入占营收比重为8.46%,在主要单晶炉上市公司中位居首位,天龙光电和京运通分别为2.92%、3.09%。截止到2018年8月10日,公司合计有权专利221项,仅2017年公司申请专利就达85项。2018年SNEC太阳能展会上,公司展出全球首款“蜂巢”标准50太阳能单晶组件,新品功率为280-330w,相当于正常组件60片,同时降低非硅成本10%以上。此外,公司于2018年5月24日再次实行限制性股权激励,本次激励对象为包括公司副总裁和总工程师在内的中层管理和核心技术人员合计117人,授予3.42万股,将有效绑定公司核心研发人员,为公司进一步提升核心竞争力提供保障。

维持公司“买入”评级。预计公司2018-2020年净利润分别为6.16亿元、7.58亿元、9.66亿元,对应EPS分别为0.48元/股、0.59元/股、0.75元/股,按照最新收盘价计算,对应PE分别为25、20、16倍。公司此次中标半导体设备大单充分彰显公司行业地位,未来发展受益于半导体行业增长有望步入机遇期,维持公司“买入”评级。

风险提示:半导体行业发展不及预期;光伏用单晶炉业务不及预期;蓝宝石业务发展不及预期;公司业绩不及预期;募投项目投资进展不及预期。

5、风险提示

1)半导体设备需求不及预期;

2)国产半导体设备技术突破不及预期;

3)行业政策支持力度不及预期;

4)下游产能投产进度不及预期;

5)相关重点公司未来业绩不及预期。

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