半导体设备零部件产业链位于设备上游
　　半导体零部件在集成电路产业链中处于最上游的原材料与中游的半导体设备之间，兼具原材料与设备属性，其中耗材型更近似于原材料，需定期更换，使用寿命相较经济寿命短；而子系统更近似于设备，需要进行一定的系统集成。
　　半导体零部件通常以直销形式，直接客户为设备厂商或晶圆厂、IDM，由设备商购买搭载半导体设备销售，或由终端晶圆厂、IDM驱动购买。
　　风险提示
　　下游客户验证不及预期；
　　晶圆厂扩产不及预期
　　海外限制政策进一步加码。
　　

研究报告全文：半导体零部件国产替代加速优质厂商前景可期长江证券研究所机械研究小组2023-02-21证券研究报告评级看好维持分析师及联系人分析师赵智勇分析师倪蕤SAC执业证书编号S0490517110001SAC执业证书编号S0490520030003电话862161118719电话862161118719电邮zhaozycjsccomcn电邮niruicjsccom目录01半导体零部件产业基石02技术客户验证构建国产化关键壁垒03关键零部件梳理01半导体零部件产业基石01半导体设备零部件产业链位于设备上游半导体零部件在集成电路产业链中处于最上游的原材料与中游的半导体设备之间兼具原材料与设备属性其中耗材型更近似于原材料需定期更换使用寿命相较经济寿命短而子系统更近似于设备需要进行一定的系统集成半导体零部件通常以直销形式直接客户为设备厂商或晶圆厂IDM由设备商购买搭载半导体设备销售或由终端晶圆厂IDM驱动购买图半导体设备及半导体设备精密零部件行业的产业链情况直销上游原材料半导体设备零部件半导体设备客户铝合金材料气体液体真空系统类光刻设备离子注入设备IDM客户先进陶瓷材料机械类仪器仪表类刻蚀设备机械抛光设备晶圆制造客户不锈钢材料电气类光学类清洗设备涂胶显影设备封装测试客户其他金属非金属原材料机电一体类其他薄膜沉积设备封装测试设备耗材属性使用寿命相较经济寿命短设备属性一定程度的系统集成资料来源富创精密招股说明书长江证券研究所01半导体设备零部件品类众多从行业地位来看半导体零部件虽然市场规模较小但是是整个行业的关键之一半导体设备零部件分类标准多元据VLSIResearch将关键零部件子系统根据用途分为如下几类流体管理过程测量光学系统电源转换热管理真空系统晶圆处理系统以及关键零部件也可以按照典型集成电路设备腔体内部流程将零部件分为五大类电源和射频控制类气体输送类真空控制类温度控制类传送装置类或按照材料分为硅碳化硅件石英件陶瓷件金属件石墨件塑料件真空件密封件过滤部件运动部件电控部件以及其他部件或按照服务对象分为精密机加件和通用外购件图半导体设备精密零部件的行业地位表半导体设备关键零部件与子系统VLSI分类法分类示例气路系统GasPanel气体质量流量控制器MFC流体管理化学液输送系统过程测量残余气体分析仪RGA傅里叶红外光谱FTIR颗粒测量光学系统光源透镜电源转换直流射频和微波电源等离子体发生器热管理冷却加热温度测量子系统真空系统泵和压力计晶圆处理系统大气真空机器人EFEM半导体设备前端模块等关键零部件阀门静电卡盘弹性密封陶瓷等资料来源富创精密招股说明书SEMI中微公司招股说明书长江证券研究所资料来源VLSIResearch长江证券研究所01设备市场规模增长拉动零部件需求半导体零部件需求可拆分为存量与增量市场图关键子系统服务与支持市场存量市场主要由存量设备零部件替换驱动2020年全球关键零部件服务与支持市场约23亿美元增量市场主要由新设备零部件采购需求驱动全球设备销售额呈提升趋势其中中国市场占比从2018Q1的15提升至2022Q3的27资料来源VLSIResearch长江证券研究所图全球半导体设备销售额呈提升趋势图中国设备出货额全球占比提升35709356083030507252540620203052041515103101002-10551-20000-30Jun-18Jun-19Jun-20Jun-21Jun-22Mar-18Mar-19Mar-20Mar-21Mar-22Sep-18Dec-18Sep-19Dec-19Sep-20Dec-20Sep-21Dec-21Sep-22Jun-17Jun-18Jun-19Jun-20Jun-21Jun-22Mar-17Mar-18Mar-19Mar-20Mar-21Mar-22Sep-17Dec-17Sep-18Dec-18Sep-19Dec-19Sep-20Dec-20Sep-21Dec-21Sep-22中国大陆半导体设备销售额十亿美元全球占比全球半导体设备销售额十亿美元同比右资料来源日本半导体制造装置协会长江证券研究所资料来源日本半导体制造装置协会长江证券研究所01增量市场406亿美元三类关键设备对应规模最大据我们测算2020年全球半导体原材料零部件市场规模在406亿美元左右剔除其他前道设备封测设备关键工艺设备对应原材料子系统市场规模为316亿美元分工艺环节来看用于薄膜沉积设备刻蚀设备光刻设备的零部件占了总市场规模的63占关键前道设备市场规模81表用于薄膜沉积刻蚀光刻设备的零部件市场规模较大设备名称2020年全球市场规模亿美元代表设备商直接材料占比毛利率对应零部件市场规模亿美元薄膜沉积设备172拓荆科技-U90383406103刻蚀设备137中微公司8958376777光刻设备134上海微电子未披露未披露75清洗设备35盛美上海9509437819涂胶显影设备24芯源微9446425813化学机械抛光设备16华海清科922238179热处理设备15北方华创904136699离子注入设备14万业企业未披露32039去胶设备5屹唐股份未披露未披露3其他前道设备测试设备和封装设备等16090合计712平均92023882406资料来源富创精密招股说明书各公司年报各公司招股说明书长江证券研究所01关键工艺环节对应的关键零部件品类表主要零部件产品及其主要服务的半导体设备氧化扩散退火涂胶显影光刻刻蚀去胶离子注入掺杂扩散清洗薄膜沉积研磨抛光O-Ring密封圈湿法刻蚀等离子体刻蚀CVDPVD精密轴承RTP湿法刻蚀PVD金属零部件PVD阀RTP湿法刻蚀CVDPVD硅SiC硅环硅电极等离子体刻蚀机械臂Robots扩散石英件滤波器FliterRTP湿法刻蚀射频电源CVDPVD陶瓷件CVDPVDESC静电吸盘湿法刻蚀等离子体刻蚀CVDPVDALD压力测量仪器Gauge湿法刻蚀光学镜头光源泵湿法刻蚀PVDMFC流量计RTPCVD步进马达CVDPVD市场规模913757739191039资料来源半导体零部件产业现状及对我国发展的建议朱晶长江证券研究所01离子束刻蚀设备内部结构及相关零部件图离子束刻蚀设备典型内部结构晶圆传输系统晶圆传输系统装载模块Cassette是晶圆进出刻蚀机的窗口左右各一个Module传输模块使用机械手用于在装载模块与反应腔室之间传Transport送盘片两个模块之间用门阀SlotValve进Module行连接主要功能是对每次进入或传回的晶圆进行平边检晶圆预对准系统等离子桥中和器测和精确定位确保晶圆本身完好位置准确离子束刻蚀工艺模块使中性原子或分子电离产生等离子体并从中引出高能离子束流的装置如离子源射频PF离子源等其主要结构由石英放电室射频功率线圈气体扩散器所构成负责将离子束引出并加速的部件本案例中刻蚀机的栅网由3个多孔钼材料外围条件保障系统离子引出系统栅极组装而成包括屏栅极加速栅极和减速栅极包括工控机控制柜和配电柜为整个设备系统提供电源供给并实时控制和电气控制系统中和器向离子源引出的离子束发射电子使离子束流中的正离子得到中和监控系统中各个子模块的运行状态一是工艺腔室的真空系统另一部分是传输系统腔室的真空系统由各类小分晶圆工作台和离子源之间的一道隔离装置用于对束流密度和中和状态还不真空系统快门子泵机械泵等组合而成用于得到需要的真空度稳定的离子束进行阻挡优化刻蚀质量并实现刻蚀时间的精准控制设备气路系统主要分为4个部分用于晶圆工作台中圆片冷却的氦冷气路用固定晶圆的装置也是进行离子束刻蚀的最终场所其结构通常是一个圆柱设备气路系统于释放设备腔体包括工艺腔室和传输腔室真空的氮气回路另外两路分别形装置主要由晶圆模块WaferModule倾斜驱动机构TiltDrive是为等离子桥中和器和射频离子源输送工作气体的氩气回路和装置基座Tooling三部分构成其中晶圆模块主要包括一个氦气流晶圆工作台动冷却装置FlowCoolarrangement一个水冷夹具和一个旋转装置实现设备各个模块的水冷降温这些模块主要包括分子泵离子源射频线圈水路冷却系统倾斜驱动机构主要负责使整个装置倾斜到最佳角度装置基座中集成了旋转等离子桥中和器射频电源和晶圆工作台的水冷夹具电机机械齿轮气缸主轴密封磁流体等相关配套部件资料来源离子束刻蚀技术与设备常见故障分析程壹涛等长江证券研究所01CVD离子注入设备内部结构及相关零部件图化学气相沉积设备典型内部结构图离子注入设备方框图11化学气相沉积腔室12基板13气体分配喷头14射频产生器15远端等离子产生器离子注入源一般使用气态源气瓶通过质量流量计连接到离子源子系统该流量计有更好的控制能力离化反应室离化过程在通过有源蒸汽的离化反应腔中进行反应腔内部保持真空氟化硼离化过程中产生的其他离子是晶圆所不需要的必须从一组正离子中选出硼离子这个过质谱分析离程称为分析analyzing质谱分析massanalyzing选择selection或离子分离ion16清洁气体源子选择separation选择是在质谱分析仪中完成的加速管的目的是将离子加速到足够高速度获取足够高的动量以穿透晶圆表面这个部分保持在加速管17气流引导构件高真空低压以便将进入束流的沾污降低最低为此常用涡轮真空泵晶圆电荷积高束流离子注入的一个问题是晶圆表面所带电荷晶圆带电大到无法接受的程度特殊设计用18清洁气体源累于提供电子的电子枪floodgun用等离子桥的办法提供低能电子同时通过磁场控制电子路径束流快门或使用电场或使用机械快门使束流在晶圆上接通离开时断开多数系统使用束流扫描束流聚焦和机械运动的组合实际的离子注人发生在终端的靶室内它包括扫描系统与装卸片机械装置晶圆必须逐一放到固定器上注入结束后晶圆被取下装入片架盒从靶室取出若采用批量式设计晶圆需要被放终端和靶室置在一个圆盘上靶室内需要抽真空优选是低温泵高束流注入可能造成晶圆升温因此晶圆固定装置上通常装有冷却机构此外还装有泛流电子枪资料来源化学气相沉积设备专利号CN109763115A长江证券研究所资料来源芯片制造-半导体工艺实用教程长江证券研究所01中国市场空间20年大陆晶圆线零部件采购超10亿美元2020年中国大陆晶圆线8吋和12吋前道设备零部件parts采购金额超过10亿美元如果排除三星海力士台积电等境外厂商在中国大陆的产线中国本土晶圆制造厂商主要包括SMIC华虹集团华润微电子长江存储等采购金额约为43亿美元从中国晶圆制造厂商采购的关键零部件来看石英Quartz射频电源RFGenerator泵Pump占零部件采购金额的比重达到或超过10阀Valve静电卡盘Chuck反应腔喷淋头ShowerHead边缘环EdgeRing零部件采购占比超过5图2020年中国晶圆厂商采购的8-12吋晶圆设图中国主要晶圆厂商厂务辅助零部件国产化率情况备零部件产品结构100908070605040302010石英制品射频电源泵阀020172018201920202021静电卡盘反应腔喷淋头边缘环压力测量仪器流量计陶瓷制品密封圈其他中国德国法国韩国美国日本英国中国台湾其他资料来源芯谋研究长江证券研究所资料来源中国国际招标网长江证券研究所02技术客户验证构建国产化关键壁垒02全球格局CR10为50欧美日企业占主导地位相较设备前五家公司占据60以上市场份额半导体零部件市场相对更加分散一些2020年CR10约为502这一比例缓慢提升国际前十名的零部件厂商分别为光学镜头代表企业ZEISSASML真空泵代表企业EdwardsEbara真空阀件代表企业VATUltraCleanTech等表全球前十零部件厂商图前十名市场份额占比半导体泛半导体海外龙头所在国家主要产品零部件收入规模ZEISS德国光学镜头212MKS万机仪器美国MFC射频电源真空产品14Edwards爱德华英国真空泵约138AdvancedEnergy先进能源美国射频电源612Horiba堀场日本MFC494VAT徽拓瑞士真空阀件约43Ichor美国模块化气体输送系统及其他组件约38UltraCleanTech超科林美国真空阀件约35ASML阿斯麦尔荷兰光学部件及光刻机组件服务约3Ebara荏原制作所日本干式真空泵约3合计约75-80亿美元资料来源半导体零部件产业现状及对我国发展的建议朱晶长江证券研究所资料来源VLSIResearch长江证券研究所02技术壁垒加工工艺原材料设计是技术难点表各类零部件生产关键难点种类技术难点硅碳化硅件原物料加工工艺和精度均存在难点纯度加工精度存在难点石英件杂质含量原材料匹配性表面颗粒质量应力质量加工精度都是关键因素陶瓷件难点在ESC静电吸盘真空泵气体动力学设计材料微米级精密加工表面处理精密装配真空规测量工艺真空压力测量的要求高型号多样真空件高真空压力计测量超高真空工艺环境压力形制特殊气体流量计MFC要求响应速度快精确度高稳定性好耐腐蚀性好使用寿命长真空阀件材料等级高耐磨抗腐蚀不能有particle材料特殊需要做成分分析及各种掺杂密封件耐化性需要应对各种腐蚀性气体及化学品臭氧等离子体等耐高温机械摩擦等形状特殊模具加工难度较大金属件难点集中在加工精度分析检测焊接及表面处理过滤件难点在制作耐腐蚀高温件的原始辅料石墨基材参考标准为石墨等级机械精加工石墨件表面锁膜微处理纯化关键工艺参数表面最大颗粒度Robot类难点在通讯运动部件马达类品质风险电控部件RF电源电路板电磁阀控制器种类多产品杂涉及功能各不相同如正向研发需要结合使用功能塑料件缺少图纸缺少精度数据表面处理缺乏经验多为非标准件结构复杂仪器仪表测量精度要求极高光学类对光学性能要求极高资料来源半导体零部件产业现状及对我国发展的建议朱晶长江证券研究所02验证壁垒设备商晶圆厂核心关注点为可靠性下游设备商定价不可理解为简单的BOM模式半导体设备附加值核心在于基于其系统架构控制和关键部件的自主设计为晶圆厂客户提升效率创造价值无论是国产设备商还是国际龙头设备商毛利率均稳定维持在较高水平是下游对其创造价值进行评估的结果因此可靠性是选择供应商的关键验证周期半导体设备精密零部件企业需要分别通过质量体系认证工艺能力认证和性能指标认证才能获得提供首件试制的资格在完成首件验证后方可获得量产资格通常情况下全部认证过程持续2-3年图主要半导体设备商毛利率维持较高水平图零部件从资格认证到批量生产过程需2-3年资格认证1设备厂商质量体系认证该认证周期约为1年2设备厂商特种工艺认证包括工艺能力认证和性能指标认证该60认证周期约为1年50403020首件试制通过资格认证后具备首件试制资格首件试制及验收10周期差异较大以富创精密为例验收周期一般在半年左右0201720182019202020212022Q1-Q3北方华创中微公司芯源微盛美上海拓荆科技-U华海清科批量生产通过首件试制后可批量生产不同产品生产周期存在差异以富创精密为例单个批次生产周期一般在5至6周资料来源Wind长江证券研究所资料来源富创精密招股说明书佰耀资本长江证券研究所02美国限制对中国工厂输出集成电路制造设备限制范围扩大化限制对象从华为到SMIC进一步扩大到所有中国公司限制产品从逻辑扩大到存储逻辑限制从10nm扩大至14nm以下制程限制内容包括美国软件设备半导体产品在中国建立先进制程工厂等表美国对中国半导体行业的限制政策日期限制对象限制范围2020515华为及关联公司任何企业将含有美国技术的半导体产品给华为必须先取得美国政府的出口许可禁令缓冲期120天禁令进一步升级美国政府在实体清单上新添了38家华为子公司扩充后的实体清单上总共有152家华为关联公司2020817华为及关联公司同时宣布无论在交易的哪一个阶段只要有华为公司参与那么世界上任何公司未经许可都不得出售用美国软件或设备制造的半导体2020915华为及关联公司对华为的禁令正式生效将SMIC等60多家公司纳入工业与安全局BIS的实体清单生产10nm工艺制程或以下半导体所需独特物品的出20201218SMIC等60多家公司口申请将被推定为否决2022730设计14nm以下芯片的所有中国公司禁令扩大到14nm以下制程范围扩大至设计14nm以下芯片的所有中国公司限制接受芯片资金支持的美国公司在中国签署芯片法案根据该法案美国计划对本国半导体行业投入超过500亿美元的补贴接受了芯片资金支持的公司在十202289开发先进技术年时间内不能在中国开发领先技术只能在中国建造一些使用成熟工艺的工厂对在中国制造的符合规定的半导体制造工具有16nm或14nm以下制程的非平面晶体管结构FinFET或GAAFET的逻辑芯片半间距为18nm或更小的DRAM存2022107厂的设备增加许可证要求储芯片128层或更多层的NAND闪存芯片长江存储及日本子公司ICRD上海20221215美国商务部决定将包括长江存储及日本子公司ICRD上海微电子鹏芯微在内的36家中国实体加入实体清单微电子鹏芯微资料来源BBCNewsBloomberg美国商务部WSTS长江证券研究所02零部件自给率较低限制政策刺激国产零部件加速认证当前国产零部件自给率仍然较低除石英套环等少数部件外大部分零部件自给率不足10可靠性为关键壁垒半导体零部件验证周期较长国产半导体零部件厂商即使已有产品实现突破新产品验证周期仍在一年至数年以上限制政策下国产零部件产线认证加速以真空泵产品为例在中国主要代表晶圆产线中2020年国产化率为167当年美国发布对华为限制政策2021年国产化率快速提升至30制裁政策对关键零部件国产化率提升的驱动作用显著表主要零部件自给率情况图真空泵国产化率在制裁政策后加速提升主要零部件海外供应商国内供应商自给率石英制品FerrotecHeraeus太平洋石英等10边缘环TokaiCarbonEPP珍宝神工半导体10100反应腔喷淋头新鹤靖江先锋江丰电子109080AlcatelPfeifferEdwardsEbara70泵沈阳科仪京仪汉钟精机510UlvacLeyboldVarian6050陶瓷制品苏州珂玛5104030射频电源AEMKSKyosanDaihen北广科技中科院微电子1520BrooksYaskawaKawasakiJELRorze10机械臂新松机器人15SankyoRobostarRNDKostek020172018201920202021MFC流量计BrooksMKsFujikinHoribaCDK北方华创15中国德国法国韩国美国日本英国阀FujikinVATMKSSwagelokHamlet1压力计MKSInficon1密封圈Dupont1资料来源芯谋研究长江证券研究所资料来源机电产品招标投标电子交易平台长江证券研究所02国产零部件具备交期优势图关键设备交期情况月进口零部件交期较长部分关键零部件交期可达10-15月零部件交期成为限制设备产能主要因素之一例如ZEISS光学镜头产能成为ASML光刻机生产的重要限制因素在产能不足的时候进口零部件厂商会优先满足海外设备厂商的零部件需求导致国产设备厂商获得零部件的难度进一步加大国产零部件企业产能不如进口零部件企业紧张扩产灵活交期上具备优势图关键零部件交期情况月精密滚珠丝杆precisionballscrew光学系统阀晶圆传输系统高纯阀门传感器控制模组筒资料来源FinancialTimesNikkeiAsiaanalysis长江证券研究所资料来源FinancialTimesNikkeiAsiaanalysis长江证券研究所02国产零部件具备本地化服务优势零部件与服务与支持需求为互补品零部件使用过程中产生磨损损耗需要定期维修一方面国产零部件厂商具备本土化优势就近设厂服务更加便捷另一方面零部件配套的服务与支持也是实现自主可控的关键点之一2020年真空类子系统相关零部件服务与支持市场占比为47电源类晶圆传输类液体管理类分别占比127和7图真空类电源类子系统零部件服务与支持图关键子系统服务与支持成本构成市场规模占比较高改造升级备件维修维护真空类电源类晶圆传输类液体管理类其他资料来源VLSIResearch长江证券研究所资料来源VLSIResearch长江证券研究所