從鑫鼎晟的專業視角來看，在《數字經濟浪潮迭起，半導體國產替代邏輯持續加強》研報中，我們探討了半導體芯片產業與其國產化替代邏輯，其中提到半導體行業正在積極應對上游關鍵設備“卡脖子”問題。從產業鏈來看，半導體設備在芯片製造和封裝環節中均發揮着重要作用。未來伴隨客戶導入，國產設備技術水平/工藝覆蓋度有望快速提升，從長遠來看，部分國產設備技術能力、穩定性、良率將隨與下游客戶的積累持續加速提升，將實現從“能用”到“好用”的轉變。在下游半導體需求不斷增長和集成電路政策鼓勵下，中國半導體設備的市場規模增速明顯，即將迎來上升週期。芯片製程提升對設備的迭代和工藝提出了更高的要求，其中前道半導體設備因其爲光刻、刻蝕、薄膜沉積等核心環節提供良好生產條件而成爲半導體制造的重中之重。美日荷關於先進設備的出口限制致使國內面臨需求遠大於供應鏈產能的供需錯配現象，前道核心設備國產替代空間大，惡劣外部環境疊加利好政策使國內半導體企業迎來發展機遇，與此同時製程的升級擴大了半導體核心設備市場需求，自研半導體設備不斷替代老舊設備也成爲設備行業發展趨勢。我國半導體設備整體國產化率低，設備商還有極大的增長空間，且目前國內半導體設備環境中契機、人才、資金、時間四大要素均具備，處於發展的黃金時期，因此其國產化進程催生了衆多投資機會。1）集成電路政策爲半導體設備行業發展製造有利條件在集成電路政策的不斷支持下，半導體設備產業的需求逐步加大，疊加稅收優惠、產業支持、信息化發展等政策鼓勵，半導體設備行業競爭力不斷突破，國產化進程穩步推進、佈局和技術融通創新。目前階段形成了集成電路政策紅利爲半導體設備保駕護航，半導體設備爲下游集成電路提供良好的設備加工條件的優質發展環境。2）半導體設備市場規模半導體設備行業與半導體行業密切相關，且市場規模波動幅度更大。長期來看，半導體行業將會保持旺盛生命力，因此作爲產業鏈上游的半導體設備行業市場規模也會不斷擴大。據SEMI統計數據顯示，2022年全球半導體設備市場規模達1210億美元，較2021年同比增長18%，2017—2022年年複合增長率達16.4%，保持高速增長趨勢。其中，中國半導體設備的市場規模增速明顯，2022年中國半導體設備市場規模達到2745.15億元，同比增長38%，預計2023年中國大陸半導體市場規模將達3032億元。中國大陸半導體設備銷售額佔全球銷售額26%，達到283億美元，超出中國臺灣（25%）、韓國（20%）、北美（10%），已經連續三年成爲全球最大半導體設備市場。到2027年，全球半導體設備市場規模預計達到2242億美元，2023—2027年年複合增長率達到12%。隨着中國半導體產業鏈的不斷完善，下游需求增長將進一步帶動上游設備出貨，預計2027年中國大陸半導體市場規模將達到783億美元，2023—2027年年複合增長率達到15%。同時，中國半導體設備市場在全球的滲透率達到35%，市場空間廣闊。3）半導體設備產業鏈從生產流程角度看，半導體生產流程主要分爲設計、製造和封測三大流程，並需要上游的半導體設備與材料作爲支撐。據SEMI數據， 一條半導體產線中，半導體設備投資佔比高達80%，廠房和其他支出僅佔20%。半導體設備是晶圓線擴產的主要支出來源，分爲前道晶圓製造設備和後道封裝設備，其中前道設備包括光刻機、刻蝕機、CVD 設備、PVD設備、 離子注入設備和 CMP 研磨設備等，後道設備包括測試機、探針臺和分選機等，而在前道製造設備中， 投資佔比前三分別爲光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備。從行業競爭格局看，全球半導體設備的市場集中度極高，單一設備的主要參與廠商一般不超過5家，美、日、歐技術保持領先。1）前道工藝複雜且前道設備所佔價值量比重大半導體芯片製作流程複雜，各工藝環節都需要相匹配的設備。在半導體制造投資成本中，設備投資佔70%-80%，爲主要的成本來源。資料來源：前瞻產業研究院，華峯測控招股書，五礦證券研究所且由於中國大陸是全球最大的半導體設備銷售市場，設備採購需求旺盛，從產業鏈價值量角度看，前道芯片製造設備投資成本佔比達到78%-80%，半導體設備的市場價值主要集中在前道製造設備。2）前道工序複雜度隨着芯片製程的提升不斷加大前道製造工藝是通過物理、化學工藝步驟在晶圓表面形成器件，並生成金屬導線將器件相互連接形成集成電路。前道工藝共有七大步驟，分別爲氧化/擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、清洗與拋光、金屬化，通過循環重複上述工藝，最終在晶圓表面形成立體的多層結構，實現整個集成電路的製造。由於製程提升，晶圓上集成的器件和電路複雜度、密度隨之提升，先進邏輯芯片和存儲芯片需要上千道工序去完成芯片的製造。半導體設備的運行涉及多種子系統、零件和技術的互相配合，具有較高的技術壁壘。隨着半導體芯片製程的提升，對設備的迭代和工藝提出了更高的要求。3）主要前道設備市場規模不斷提升半導體前道核心設備因在產業鏈中處於不可撼動的重要地位且投資成本佔比大，整體市場規模約500億-600億美金。其中刻蝕、光刻和薄膜沉積設備分別佔比約20%-25%，在前道工序中價值量佔比最高。刻蝕設備（包含去膠設備）和薄膜沉積設備，整體市場規模約爲245億美金，特色工藝市場佔整體設備市場規模約爲15%-20%左右，但處於快速增長過程中。4）半導體制造三大核心工藝及設備半導體制造三大核心工藝爲光刻工藝，刻蝕工藝和薄膜沉積工藝，三大核心工藝皆處於半導體前道工藝中，因此，與之相關的半導體前道設備也成爲半導體生產製造環節的重中之重。①光刻工藝及其設備光刻工藝：光刻是決定集成電路集成度的核心工序，該步驟將電路圖形信息從掩模版上保真傳輸、轉印到半導體材料襯底上，其基本原理是利用塗敷在襯底表面的光刻膠的光化學反應作用，記錄掩模版上的電路圖形，從而實現轉印的目的。光刻機是集成電路製造的核心設備之一，技術難度極高。光刻機發展至今，經歷了5代產品的迭代，已從最初的g-line，i-line 歷經KrF、ArF發展到瞭如今的EUV。長期以來，我國的光刻技術落後於先進國家，但近年來在國家政策的扶持下，我國光刻機技術也開始了較爲快速的發展，目前我國已有部分企業可量產90nm分辨率的ArF光刻機，28nm分辨率的光刻機也有望取得突破。②刻蝕工藝及其設備刻蝕工藝：刻蝕是半導體制造工藝及微納米制造工藝中的一個重要環節，是利用化學或物理的方法有選擇性地從硅片表面去除不需要材料的工藝過程。刻蝕步驟的目的是把圖形從掩模板轉移到待刻蝕的硅、金屬或介質薄膜上。刻蝕分爲溼法刻蝕和幹法刻蝕，幹法刻蝕在半導體刻蝕中佔主流地位，市場佔比超90%。幹法刻蝕也稱等離子刻蝕，是使用氣態的化學刻蝕劑去除部分材料並形成可揮發性的生成物，然後將其抽離反應腔的過程，ICP與CCP是目前應用最廣泛的幹法刻蝕設備。由於製造先進的集成電路器件需一層層建造微觀結構，因此刻蝕設備在芯片製造過程中使用次數較多、操作流程複雜。刻蝕設備質量的好壞直接決定了最終器件性能的表現，刻蝕設備的發展對半導體產業的推進有着重要的意義。③薄膜沉積工藝及其設備薄膜沉積工藝：芯片是由一系列有源和無源電路元件堆疊而成的3D結構，薄膜沉積是芯片前道製造的核心工藝之一，主要是指在硅片襯底上沉積一層待處理的薄膜材料，如二氧化硅、氮化硅、多晶硅等非金屬以及銅等金屬。薄膜沉積設備主要分CVD設備、PVD設備/電鍍設備和ALD設備三大類，其中CVD是目前使用最爲廣泛的薄膜沉積設備，市場佔比最高。三者各有所長，CVD主要應用於各種氮化物、碳化物、氧化物、硼化物、硅化物塗層的製備；PVD主要應用於金屬塗層的製備；ALD屬於新興領域，一般用於45nm 以下製程芯片的製備，具備更好的膜厚均勻性，同時在高深寬比的器件製備方面更有優勢。1）環境推動國產化率快速提升中國在半導體產業發展方面已經取得了一定的成就，但是美國不斷出臺政策對中國半導體芯片以及設備進行出口管制，對中國半導體芯片行業發展帶來負面影響。半導體設備和材料是中國半導體行業國產化的關鍵一環，美日荷本進一步收緊出口限制，中國半導體當前面臨國內需求遠大於國內供應鏈產能的供需錯配現象。從公開招投標數據來看，我國去膠設備、清洗設備、CMP設備、熱處理設備、刻蝕設備國產化率較高。從國內重點產線招投標數據來看，美國日本佔據頭部地位，前道核心設備國產替代空間大，國內半導體企業迎來發展機遇。企查查數據顯示，目前國內半導體相關現存企業共19.43萬家，近十年，半導體行業在我國政策扶持下，市場擴張明顯，尤其是2021年十四五規劃提出，政策利好帶動全年半導體相關企業註冊量同比增加54.9%至14.4萬家。2）製程的升級對前道設備提出更高要求隨着3D化集成電路採用縮小單層上線寬和增加堆疊層數的方法來增加集成度，因此不僅堆疊的層數增加，還需要刻蝕加工更深的孔以及更深的挖槽，對刻蝕各項指標的要求更加嚴苛，刻蝕技術也在不斷地演進。製程升級使得精度要求越高，需要的刻蝕複雜度、步驟數量也在提升，所以刻蝕設備成爲更關鍵的設備，市場需求不斷擴大。此外，在摩爾定律的推動下，未來元器件集成度的大幅提高，要求集成電路線寬不斷縮小，集成電路製造工序愈爲複雜。尤其當線寬向7nm及以下製程發展，當前市場普遍使用的光刻機受波長的限制精度無法滿足要求，需要採用多重曝光工藝，重複多次薄膜沉積和刻蝕工序以實現更小的線寬，使得薄膜沉積次數同樣顯著增加。3）自研半導體設備不斷替代老舊設備成爲趨勢國內早期半導體設備通過二手設備改造而來。2000年後隨着邏輯工藝產線逐步由6英寸、8英寸過渡到12英寸，部分頭部設備廠商逐步放棄對6英寸、8英寸設備的支持和研發、生產，轉而生產12英寸半導體設備；邏輯工藝產線轉產過程中形成了大量的閒置設備，這些設備不能滿足邏輯芯片的工藝要求，但是通過設備改造與工藝調整，6英寸、8英寸硅基半導體設備可以應用於仍然以6英寸及8英寸晶圓爲主的化合物半導體生產線。相較全新的海外6英寸、8英寸化合物半導體設備，閒置的硅基設備具有交期短、成本低等優勢，成爲特色工藝生產線的主要設備來源。但特色工藝再製造設備未來市場份額會逐步下降，主要原因是國內特色工藝設備廠商的崛起以及二手設備逐漸老舊。在2019年之前，國內民營設備公司不具備轉型設備自研的內外部環境，開展再製造業務是合理且必然的；自2019年華爲被美國列入實體清單，國產替代與自主可控成爲共識，國產上游設備、材料廠商紛紛獲得了進入下游驗證的機會。綜合來看，再製造設備在下游產線中的市場份額會逐步降低，逐步被國內自研設備取代。1）半導體前道設備競爭格局中國半導體設備的整體國產化率僅12%。前道設備中關鍵九類設備的國產化率皆小於10%，在高端工藝中的國產化率近乎爲0。因此，國產前道設備商還有極大的增長空間，光刻、刻蝕、薄膜沉積等關鍵設備也已成爲國家的重點扶持方向。全球半導體前道設備競爭格局：美國在薄膜沉積、離子注入、量測領域佔據壟斷地位。應用材料在PVD、CMP、離子注入全球市佔率分別爲86%、68%、64%，泛林在刻蝕、電鍍設備佔率分別爲46%、78%，科磊在量測領域市佔率54%。日本在塗膠顯影、清洗設備佔據優勢。東京電子塗膠顯影設備市佔率89%、迪恩士清洗設備市佔率40%。荷蘭光刻機是絕對龍頭，原子層沉積處於領先地位。阿斯麥佔據全球77%市場份額，先晶半導體ALD設備市佔率45%。2）目前國內環境爲半導體設備企業帶來發展機會半導體設備公司核心成功要素爲契機、人才、資金、時間。目前國內環境四大要素均具備，因此處於發展的黃金時期：契機：下游製造廠商正常情況下不願意冒風險和承擔額外成本去驗證新供應商的設備，中美貿易摩擦和設備禁令帶來的供應鏈安全問題給國內製造廠商足夠的理由接受國產設備。另一方面，近兩年半導體行業高景氣帶動下游積極擴產；人才：目前國內既有科研院所、頭部企業等培養出來內地人才，也有衆多海外設備大廠從業背景的海歸人才積極創業；資金：部分城市政策補貼半導體行業發展，市場及投資機構看好並支持科技類企業融資；時間：部分半導體設備廠商切入前道領域時間較短，處於樣機和小批量訂單階段，未來有望加速放量。3）我國半導體設備國產化進程催生了衆多投資機會半導體芯片的製造成本中，大部分成本來自半導體前道設備投資。半導體芯片製造的前道工藝流程複雜，各工藝環節需匹配不同設備。在衆多前道設備中，光刻、刻蝕以及薄膜沉積設備對下游器件性能有着重要的影響，工藝壁壘高。同時其也爲前道設備中價值量最高的部分。目前，刻蝕以及薄膜沉積設備國產化率較低，海外設備廠商佔領全球大部分市場份額。受國際貿易影響，即海外（美、日、歐）國家對我國提出半導體芯片和設備的出口管制，進一步加快我國半導體產業邁向獨立、自主，實現更高的國產化率。因此，催生了半導體設備行業中衆多投資機會。近年來貿易摩擦凸顯出供應鏈安全和自主可控的重要性和急迫性，我國是全球最大的半導體設備銷售市場，半導體行業則是信息技術產業基石，相關芯片技術涉及國家安全和核心利益。而半導體核心設備國產化的進展對於中國芯片產業來說，不僅可以降低芯片設備的生產成本，在取得國內市場份額的同時，還能夠減少對美國芯片設備製造商的依賴，在維護國家利益的同時還能使中國大陸芯片產業更具有競爭力。尤其是在海外限制常態化的背景下，半導體芯片製造及其配套設備等產業環節作爲半導體產業的核心，國產化替代勢在必行。