半导体设备材料行业分析：下游资本开支高峰期国产化率加速提升

半导体设备材料行业分析：下游资本开支高峰期，国产化率加速提升一、全球半导体设备市场景气度持续，增速边际减缓1、全球半导体设备市场

2021-22

年增长

45%/11%2021

年

1-9

月全球设备市场规模为

752

亿美元，超过去年全年规模，同比

增长

45.5%，全年预计

1030

亿美元。根据

SEMI数据，2020

年全球半导体

设备销售额达

712

亿美元，其中前道设备市场占比

86%为

612

亿美元。

2019

年半导体行业进入下行周期，半导体设备市场也有所下降。2020

年由

于芯片供给紧张，全球晶圆厂商加大资本开支扩建产能，半导体行业重新

进入上行周期。2021

年前三季度中国大陆市场规模为

215

亿美元，同比增

长

57%，占比提升至

29%，为全球第一大市场。北美和日本的半导体出货量占据全球市场的

68%，2021

年以来，北美和日

本设备出货额屡创月度新高。根据

SEMI数据，2021

年

1-10

月，北美半导

体设备出货额为

351

亿美元，同比增长

43.5%；日本的半导体设备出货额

为

229

亿美元，同比增长

30%。2021

年全年设备销售额预计增长

45%，2022

年增速

11%。根据

SEMI最新预

测，预计

2021

年原始设备制造商的半导体制造设备全球销售总额将达到

1030

亿美元的新高，比

2020

年的

712

亿美元的历史记录增长

45%，2022

年全球半导体制造设备市场总额将扩大到

1140

亿美元，同比增长

11%。前

端晶圆制造半导体设备预计将在

2021

年扩大

44%达到

880

亿美元的新记录，

2022

年将增长

12.4%达到约

990

亿美元，2023

年预计将略微降低

0.5%至

984

亿美元。Foundry和

logic的设备需求占晶圆厂设备销售总额的一半以上，2021

年

同比增长

50%达到

493

亿美元，2022

年将持续增长

17%。DRAM/NAND设备市

场预计将在

2021

年飙升

52%/24%，分别达到

151

亿/192

亿美元，2022

年

预计增长

1%/8%，2023

年出现下降。2、技术升级带来半导体设备需求快速提升大规模集成电路是平面工艺层层制备起来的，前段(frontendofline，

FEOL)工艺在硅衬底上制作

N型和

P型场效应晶体管，后段工艺(backendofline，BEOL)则建立若干层的导电金属线，不同的金属线之间用柱状金

属进行相连。FEOL中的关键光刻层是

FIN和栅极(gate)。BEOL的关键光

刻层是

V0/M1/V1/M2，其中

V0/V1

是通孔层，M1/M2

是金属层，对光刻、

刻蚀的精度要求较高。随着晶体管结构从平面晶体管到

FinFET，再到

GAA，集成电路制程持续发

展，制造成本呈指数级上升趋势。平面晶体管制程技术发展到

22nm以下

后开始遇到源极漏极间距过近的瓶颈，英特尔在

2011

年率先转向

22nmFinFET。FinFET的立体构造将漏极和源极由水平改为垂直，沟道被栅极三

面环绕，增厚绝缘层、增加接触面积。随着深宽比不断拉高，FinFET逼近

物理极限，为了制造出密度更高的芯片，环绕式栅极晶体管（GAAFET，

Gate-All-GroundFET）成为新的技术选择。集成电路制程越先进，产线投资规模越高。当技术节点向

5

纳米甚至更小

的方向升级时，集成电路的制造需要采用昂贵的极紫外光刻机（EUV），或

多重模板工艺（重复多次刻蚀及薄膜沉积工序以实现更小的线宽），需要投

入更多且更先进的光刻机、刻蚀设备和薄膜沉积设备。根据

IBS统计，随

着技术节点的不断缩小，集成电路制造的设备投入呈大幅上升的趋势，以

5

nm技术节点为例，1

万片/月产能的建设需要超过

30

亿美元的资本开支

投入，是

14nm的两倍以上，28

nm的四倍左右。存储方面，目前

DRAM1x/1y纳米制程已成熟，国际龙头在重点发展

1Z/1

α，并开始逐步导入

EUV及

HKMG以缩小线宽及加强外围电路性能。三星

1Znm率先导入

EUV，

2021

年进入

1αnm技术新阶段。3DNAND堆栈层

数越多，容量越大，存储密度越高。2021

年，各先进大厂进入

192

层以

上制程，TechInsights预计到

2023

年将会达到

300

层以上。随着

3DNAND层数不断堆叠，设备投资金额持续增加。二、国内晶圆厂进入资本开支高峰期1、全球

2022

年新建

10

座晶圆厂，台积电/英特尔大幅提升资本开支2022

年全球新建

10

座晶圆厂，未来在建的

29

座晶圆厂设备支出预计超过

1400

亿美元。根据

2021

年

6

月

SEMI发布的《世界晶圆厂预测报告》，全

球半导体制造商将在

2020

年年底前开始建设

19

座新的高产能晶圆厂，并

在

2022

年再开工建设

10

座，以满足市场对芯片的加速需求。未来

5

年这

29

座晶圆厂的设备支出预计将超过

1400

亿美元。中国大陆和中国台湾地

区将在新晶圆厂建设方面处于领先地位，各有

8

个。这

29

座晶圆厂每月可

生产多达

260

万片晶圆(8

英寸等效)。2、国内晶圆厂进入资本开支高峰期，为国产设备厂商提供巨大市场空间国内的中芯国际、长江存储、长鑫存储、华虹集团等厂商在陆续进入加速

扩产期，产能快速增长，资本开支快速提升，为设备厂商带来了巨大的订

单机会。我们根据公开信息统计，目前中国大陆地区的晶圆代工厂、IDM厂等的

12

英寸目前规划建成产能约

190

万片/月，2021

年底已达产的产

能约

70

万片/月，占比约

37%，未来潜在扩产产能为

120

万片/月。8

英寸

规划产能约

137

万片/月，其中

2021

年底已达产的产能约

95

万片/月，占

比约

69%，潜在扩产产能为

42

万片/月。12

英寸晶圆厂：120

万片潜在扩产需求。根据不完全统计，中国大陆

12

英

寸晶圆厂总规划目标

190.5

万片/月，2020

年已实现产能

44

万片/月，

2021

年合肥晶合、长江存储、华虹无锡大幅扩产，均实现月

5

万片/月新

增产能，中国大陆合计预计新增产能

26.8

万片/月，中芯国际在

2023

年开

始产能有望开始大幅扩张；2021

年底实现

70

万片/月产能的建设，对应

2022-2025

潜在产能

120

万片/月，预计

2022-2023

每年分别新增产能

34.5

万片/月、37.5

万片/月，同比增长

29%、9%。8

英寸晶圆厂：42

万片/月潜在扩产需求。中国大陆

8

英寸晶圆厂总规划目

标

137

万片/月，2020

年已实现产能

76

万片/月，2021

年预计新增产能

18.7

万片/月；对应

2022-2024

潜在产能

42

万片/月，预计

2022-2024

每

年分别新增产能

21.5

万片/月、11

万片/月、9.5

万片/月。3、预计

2022

年国内内资晶圆厂设备需求规模增长

25%我们根据国内

12

英寸和

8

英寸的新增产能，以及各条产线不同制程对应不

同的资本开支计算，得到

2021-2023

年中国大陆内资晶圆厂的资本开支变

化情况。对于

8

英寸产能而言，海辰半导体投资

14

亿美元释放

11.5

万片/

月

8

英寸产能，假设

8

英寸晶圆厂投资成本为

1.2

亿美元（约

8

亿元人民

币）/万片月产能。根据中芯国际招股说明书及

IBS，12

英寸

90nm-28nm的

投资成本为

4-8

亿美元（约

26-52

亿人民币）/万片月产能。我们测算

2021-2023

年

12

英寸中国大陆内资晶圆厂资本开支分别为

1103/1392/1572

亿元，8

英寸的资本开支分别为

150/172/88

亿元。一般的，资本开支中的

80%应用于设备购置，我们预计

2021-2023

年中国

大陆内资晶圆厂所需设备的市场规模为

1002/1251/1328

亿元，同比增长

61%、25%、6%。三、国产替代加速，国产厂商迎历史性机遇1、半导体设备为晶圆制造基石，中国大陆积累薄弱根据

SIA，对比半导体产业链各个环节的资本开支及研发投入情况，美国

在研发最密集的产业环节中处于领先地位：例如

EDA和核心

IP、芯片设

计和制造设备。资本密集度更高的原材料和制造（包括晶圆制造以及组装、

封装和测试）主要集中在亚洲。中国大陆在

EDA、核心

IP、存储器以及晶

圆制造设备的投入占比远远落后于美国。在

2019

年，中国大陆半导体产业

链投入占全球比例

9%，远远低于我们的半导体需求端占全球

24%的比例。国产设备采购比例仍处于较低水平（2020

年占采购总额的

7%），未来国产

设备发展空间广阔。目前中国大陆的设备市场主要被国际公司垄断，根据

芯谋研究，从

2020

年中国晶圆厂设备采购占比来看，来自美国采购的设备

占比超过

50%，日本

17%，荷兰

16%，中国

7%，其他

7%。国际前五的半

导体设备公司销售额占全球设备市场规模超过

70%，2020

年中国大陆在

AMAT、LamResearch、TEL、KLA下游客户分布中均占比最高。中国本土的

半导体设备仍然占比较小，目前国内大概有将近

20

个半导体前端设备的

公司，随着国内晶圆厂的扩产以及国产设备技术迭代，未来国产设备发展

空间广阔。2、测算长存、华虹等

3

座晶圆厂设备国产化率

15%

左右，渗透率不断提升国内在半导体设备各细分领域涌现出一批优秀公司，但与海外厂商相比技

术实力与收入体量相差仍比较大。海外龙头公司利润

AMAT、LamResearch等均为平台型公司，国内厂商中北方华创、中微公司、盛美上海、万业企

业等已陆续开始或已经实现横向平台化布局。北方华创为国内规模最大、产品覆盖最广的半导体设备公司，在氧化扩散/

热处理、PVD、硅刻蚀和清洗机等均有布局，也已经实现国内主流晶圆厂

导入，公司炉管和

PVD设备具备较强的产品竞争力。中微公司的

CCP刻蚀机已经进入台积电

5nm产线，为国内半导体设备技术

领先龙头，在国内存储厂以及代工厂中占比超过

30%。此外公司已横向拓

展化学气相沉积和量测设备等市场。盛美上海在清洗设备方面通过自研技术解决了兆声波清洗的缺点，与国际

龙头差异化竞争，争夺高端市场，同时横向拓展电镀、立式炉，以及先进

封装湿法设备。从国际招标网中我们统计长江存储

、华力微、华虹无锡三家国内规模较大

的新建晶圆厂从

2016

年至

2021

年

11

月底期间公开发布的相关招标中标

公告。总体而言长江存储、华虹无锡、华力集成设备国产化率（按照设备

台数占比）分别为

16%/15%/13%。国产厂商的招标数量的渗透率在逐年提

升，以长江存储为例，从

2018

年的

5%提升到

2021

年接近

20%。分设备类型来看，去胶、清洗、热处理、刻蚀、CMP化学机械抛光领域国

产化率均可达到

20%以上，而薄膜沉积、过程控制、离子注入、光刻机等

国产化率较低。在去胶领域，屹唐股份收购的

Mattson公司是去胶领域细

分龙头厂商，三家晶圆厂统计中数量占比超

70%；清洗领域盛美上海深耕

多年，兆声波清洗技术独特，占据国内出货领先地位；氧化扩散/热处理领

域北方华创出货较多；刻蚀领域中微公司、北方华创以及屹唐股份在刻蚀

深耕多年。而国产化率尚低的领域均为技术壁垒较高环节，目前拓荆科技

布局

PECVD，北方华创布局

PVD领域，芯源微和上海微电子则在涂胶显影

和光刻领域实现突破。四、供应链国产化加速，关注半导体设备零部件随着半导体设备的国产渗透率逐渐提升，设备零部件重要性提升。设备零

部件的性能、质量和精度对设备的可靠性稳定性有很大影响，也是我国在

半导体设备以及下游制造能力不断突破的关键要素。国内半导体零部件产

业起步较晚，我国半导体零部件产业总体水平偏低，高端产品供给能力不

足，产品可靠性、稳定性和一致性较差。美国制裁中国晶圆制造企业，部

分中国设备厂商也不得不屈从于美国禁令，其根源还是在关键零部件上依

赖美国。按照典型集成电路设备腔体内部流程来分，零部件可以分为五大类：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。按

照半导体零部件的主要材料和使用功能来分，可以将其分为十二大类，包

括硅/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。根据

VLSI的数据，2020

年全球半导体零部件领军供应商前十中，包括蔡

司

ZEISS（光学镜头），MKS仪器（MFC、射频电源、真空产品），英国爱德

华

Edwards（真空泵），AdvancedEnergy（射频电源），Horiba（MFC），

VAT（真空阀件），Ichor（模块化气体输送系统以及其他组件），UltraCleanTech（密封系统），ASML（光学部件）及

EBARA（干泵）。对比海外龙头，国产设备零部件中电子/机械类产品的精度较低、材料加工

工艺要求不达标。零部件中比较复杂的电子和机械产品，开发技术难度较

大，精度要求高。例如

RFgenerator直接关系到腔体中的等离子体浓度和

均匀度，是

Etch、PECVD等重要机台最关键的零部件之一，而国产

RFgenerator主要的技术问题在于电源电压和频率等参数尚不够稳定，较

AdvancedEnergy等国外企业有一定差距。此外，中国厂商强于机加工和

成型，但往往无法解决材料和