2024年北方华创研究报告：半导体设备龙头-高端制程产品放量在即

2024年北方华创研究报告：半导体设备龙头_高端制程产品放量在即1半导体设备龙头，领军者1.1半导体设备平台型龙头，工艺&产品覆盖全面国产半导体设备平台型龙头。北方华创成立于2001年9月，2010年在深圳证券交易所上市，2017年完成七星电子和北方微电子的整合，2018年收购美国Akrion加强清洗设备领域的竞争力，2020年收购北广科技提高射频领域的技术水平。目前公司刻蚀、薄膜、清洗、热处理、晶体生长等核心工艺装备均已广泛应用于逻辑器件、存储器件、先进封装等工艺制造过程，公司在工艺覆盖面与设备种类上纵横拓展，逐步丰富的半导体设备产品版图，平台化效应凸显，以产品迭代升级和成套解决方案为客户创造更大价值，稳占半导体设备龙头地位。三大业务板块六大生产基地，产品矩阵完善。公司主营半导体装备、真空与新能源锂电装备和精密元器件业务。1）半导体装备业务：主要产品包括刻蚀机、PVD、ALD、CVD、氧化/扩散炉、清洗机等高端半导体工艺装备及核心零部件，应用于集成电路、先进封装、平板显示等领域。2）真空与新能源锂电设备：主要产品包括石墨沉化设备、烧结工艺设备、钕铁硼晶界扩散工艺设备和锂离子电池极片制造设备等，应用于先进陶瓷、磁性材料和新能源等领域。3）精密元器件：主要产品为石英晶体器件、石英微机电传感器、高精密电阻器、钽电容器、微波组件等产品，应用于高铁、智能电网和自动控制等领域。其中，在半导体装备业务方面：1.刻蚀装备：实现了12英寸电感耦合脉冲等离子体源、多温区静电卡盘、双层结构防护涂层和反应腔原位涂层等技术难题的突破。ICP设备实现规模化应用，完成了浅沟槽隔离刻蚀、栅极掩膜刻蚀等多道核心工艺开发和验证，已实现多个客户端大批量量产并成为基线设备。截至2023年底，ICP刻蚀产品出货量超过3200腔。突破了CCP领域等离子体产生与控制、腔室设计与仿真模拟、低温静电卡盘、高功率等离子馈入等多项关键技术。CCP设备实现了逻辑、存储、功率半导体等领域多个关键制程的覆盖，为国内主流客户提供了稳定、高效的生产保障，赢得客户信赖和认可。截至2023年底，CCP设备已累计出货超100腔。12英寸等离子去胶机采用高密度、低损伤设计在多家客户完成验证并量产。12英寸TSV刻蚀设备实现侧壁无损伤和线宽无损失。通过优异的实时控制性能，大幅提升刻蚀速率，达到国际主流水平。TSV刻蚀设备已广泛应用于国内主流Fab厂和先进封装厂，是国内TSV量产线的主力机台，市占率领先。2.薄膜装备：突破了物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）等核心技术。集成电路领域铜互连、铝垫层、金属硬掩膜、金属栅、硅化物等工艺设备在客户端实现稳定量产，成为多家客户的基线设备，并广泛应用在逻辑、存储等主流产线。成功实现功率半导体、三维集成和先进封装、新型显示、化合物半导体等多个领域的量产应用。截至2023年底，公司已推出40余款PVD设备，累计出货超3500腔。攻克了进气系统均匀性控制、压力精确平衡、双频驱动的容性等离子体控制、多站位射频功率均分控制等多项技术难题。实现金属硅化物、金属栅极、钨塞沉积、高介电常数原子层沉积等工艺设备的全方位覆盖，关键技术指标均达到业界领先水平，赢得客户高度评价。截至2023年底，北方华创已实现30余款CVD产品量产应用，为超过50家客户提供技术支持，累计出货超1000腔。3.立式炉装备：突破并掌握了气流场/温度场控制、反应源精密输送、硅片表面热场设计等关键技术，实现了立式炉系列化设备在逻辑和存储工艺制程应用的全面覆盖。截至2023年底，公司立式炉累计出货超700台。4.外延装备：具备单晶硅、多晶硅、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等多种材料外延生长技术能力，覆盖集成电路、功率半导体、化合物半导体等领域应用需求。截至2023年底，公司已发布20余款量产型外延设备，累计出货超1000腔。5.清洗装备：突破了多项关键模块设计技术和清洗工艺技术，包括伯努利卡盘和双面工艺卡盘、高效率药液回收系统、热SPM工艺、热磷酸工艺、低压干燥工艺等，实现了槽式工艺全覆盖，同时高端单片工艺实现突破。公司在集成电路领域的工艺设备均已在客户端实现量产。截至2023年底，公司清洗设备累计出货超1200台。公司实控人为北京市国资委，发展资源更有保障。北京电子控股有限责任公司直接持有公司股份9.42%，通过其全资子公司北京七星华电科技集团有限公司间接持股33.6%，因此合计持股43.02%，为公司控股股东，其实控人则为北京市国资委。国家集成电路产业投资基金持股5.42%，为公司第三大股东。国资委作为政府的投资和资产管理机构，能为企业提供稳定的资金支持，有利于增强公司信誉和市场信心，提高公司运营效率。七星华电持有股权划转，北京电控成为控股股东。北京电控十四五规划提出要构建以芯屏为核心的产业生态，明确北方华创作为集成电路装备产业平台、七星集团作为文化创意产业平台的基本定位，通过无偿划转的方式将七星集团所持股权集中到北京电控，能进一步理顺管理层级和管理关系，提升上市公司管理效率和北京电控集团化管控水平，更好推动两个平台向专业化方向发展。2023年11月16日，公司发布公告，公司实控人北京电子控股有限责任公司拟将北京七星华电科技集团有限责任公司持有的北方华创33.61%的股权无偿划转至北京电控，划转后北京电控将直接持有北方华创总股本的43.03%，成为北方华创的控股股东和实际控制人。管理层长期任职，深耕产业。公司管理层多来自合并前的七星电子与北方微电子，董事长赵晋荣曾任北京七星华创电子股份有限公司总经理，总裁陶海虹曾任北京北方微电子及其设备工艺研究中心党委书记。管理层深耕半导体设备行业多年，技术和管理经验深厚，助力公司成长为平台型企业。1.2新签订单超300亿，营收业绩高速增长业绩维持高增长，超300亿新签订单带来收入确定性。北方华创2023年实现总营收221亿元，同比增长50%；归母净利润39亿，同比增长66%。2024年一季度公司实现营收58.6亿元，yoy+51.4%，qoq-21.8%；归母净利润11.3亿元，yoy+90.4%，qoq+11.0%。下游需求回升，公司份额持续提升，营收业绩延续高增。2023年公司新签订单超过300亿元，其中集成电路领域占比超70%，下游晶圆厂持续扩产，公司国产化份额稳步提升，订单饱满为后续营收业绩提供有力支撑。净利率持续提高，费率稳中有降。2020年以来，公司产品持续升级迭代，毛利率稳中有升，2023年公司综合毛利率41.1%。随着规模效应凸显，公司净利率逐步攀升，2023年净利率达18.3%。2024Q1单季度毛利率43.4%，qoq-0.17pct，归母净利率19.2%，qoq+5.0pcts。我们预计随着高端产品的不断出货，毛利率将持续提高。同时，公司积极控制费率，规模效应初显，24Q1公司销售费率为4.6%，qoq-0.3pct；管理费率为7.3%，qoq-0.7pct；财务费率因利息收入为负。电子工艺装备占比逐年提升，业务结构优化。2023年公司电子工艺装备业务占总营收的89%，毛利率38%；电子元件业务占总营收的11%，毛利率66%。集成电路装备新签订单稳步增长，多种新设备实现了客户端上线，为公司后续市场拓展打开了更广阔的发展空间；先进封装、第三代半导体、高效晶硅电池等新兴领域产业化能力稳步提升；真空热处理设备、磁性材料设备等应用实现新的突破。精密电子元器件业务多项新产品市场地位日益巩固，客户群规模持续扩大。持续创新，驱动公司长期增长。2023年公司研发支出达44.1亿元，同比增长23.7%。公司高度重视研发，2023年底研发人员达到3,656人，占员工总数达30.4%。公司在创新方面也取得了显著成果，截至2023年底公司已累计申请专利7,900余件，获得授权专利4,700余件，体现了公司在半导体基础产品领域的深厚技术积淀和强大的创新能力。2薄膜沉积设备：晶圆制造三大设备之一，不断创新突破海外垄断薄膜沉积是将待处理的薄膜材料沉积在硅片衬底上的过程。沉积的薄膜材料可以包括非金属如二氧化硅、氮化硅、多晶硅，金属如铜等。薄膜沉积设备主要负责在该过程中进行介质层与金属层的沉积，涵盖了CVD（化学气相沉积）设备和PVD（物理气相沉积）设备/电镀设备等不同类型。物理气相沉积（PVD）一般用来沉积金属，化学气相沉积（CVD）通过不同气体的化学反应来沉积，所以兼顾了导电材料和绝缘材料，应用更为广泛。半导体薄膜沉积设备市场规模持续增长。根据MaximizeMarketResearch数据统计，2017-2019年全球半导体薄膜沉积设备市场规模分别为125亿美元、145亿美元和155亿美元，预计2025年将达到340亿美元，2017-2025年CAGR为13.3%。薄膜沉积设备占晶圆制造设备总投资的25%。在新建晶圆厂设备投资中，晶圆制造相关设备投资占比约占总体设备投资的80%。其中，作为晶圆制造的三大主设备之一，薄膜沉积设备的投资规模约占晶圆制造设备总投资的25%。在各类薄膜沉积设备中，PECVD（等离子化学气相沉积）和溅射PVD共占52%。海外厂商高度垄断，空间广阔。在CVD市场中，应用材料全球占比约为30%，泛林半导体和东京电子分别占21%和19%，三大厂商占据全球70%的市场份额。在PVD市场中，应用材料基本垄断行业，市场份额达85%，处于龙头地位。我们认为北方华创借东风，在已有拳头产品基础上，积极研发新产品拓展工艺覆盖度，薄膜沉积类产品在客户端渗透率有望稳步提升。2.1PVD：磁控溅射PVD技术突破，下游应用广泛北方华创PVD拳头产品为磁控溅射PVD。磁控溅射利用带电荷的粒子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向被溅射的物质制成的靶电极（阴极），并将靶材原子溅射出来使其沿着一定的方向运动到衬底并在衬底上沉积成膜的方法。磁控溅射设备使得镀膜厚度及均匀性可控，且制备的薄膜致密性好、粘结力强及纯净度高，该技术已经成为制备各种功能薄膜的重要手段。下游应用广泛，技术突破保障领先地位。PVD设备广泛应用于先进封装、功率半导体、化合物半导体和硅基微型显示等领域。eVictorPVDAl设备是一款应用于12英寸集成电路领域的高端PVD设备，系统集成了高温去气、等离子体预清洗、高温Al、TaN、TTN等多种工艺模块，并实现在系统内部的工艺整合。涉及大平台传输、高温静电卡盘、先进磁控溅射源设计、厚铝WhiskerDefect控制以及软件控制等多项关键技术。2.2CVD：HDPCVD进入客户端验证，打破海外公司垄断化学气相沉积（CVD）技术是制备高纯、高性能固体薄膜的主要技术。典型的CVD工艺过程是把一种或多种蒸汽源原子或分子引入腔室中，在外部能量作用下发生化学反应并在衬底表面形成所需薄膜的一种方法。由于CVD技术具有成膜范围广、重现性好等优点，被广泛用于多种不同形态的成膜。公司PECVD产品性能优越，下游应用多点开花。在硅外延设备领域，北方华创通过在感应加热高温控制技术、气流场、温度场模拟仿真技术等方面取得重大突破，取得了出色的外延工艺成果，赢得了国内主流生产线的大规模采购。针对LED领域介质膜沉积的PECVD设备，已成为LED客户扩产的首选设备。对于化合物半导体领域，碳化硅外延设备的各项技术指标也已达到行业先进水平，在各大主流厂商实现了稳定的量产。高密度等离子体化学气相沉积（HDPCVD）相比传统CVD优势明显。HDPCVD能够在较低的沉积温度下产生比传统PECVD设备更高的等离子体密度和质量。此外，可提供几乎独立的离子通量和能量控制，提高了沟槽或孔填充能力。HDPCVD的另一个显著优势是，它可以转换为用于等离子体刻蚀的感耦合等离子体刻蚀机，节省预算和空间。OrionProxima正式进入客户端验证，进军12英寸介质薄膜设备领域。作为北方华创推出的国产自研高密度等离子体化学气相沉积设备，主要应用于12英寸集成电路芯片的浅沟槽绝缘介质填充工艺。此款设备通过沉积-刻蚀-沉积的工艺方式可以有效完成对高深宽比沟槽间隔的绝缘介质填充。通过灵活可控的软件系统调度优化与自主研发特有传输平台的结合，大幅提升客户的产能；通过不同的硬件配置方案，满足了包括填孔能力、颗粒控制和膜层质量等工艺需求的同时，更实现了对逻辑、存储及其他特色工艺领域客户的全覆盖。3刻蚀设备市场规模持续增长，北方华创刻蚀工艺全覆盖3.1刻蚀设备美、日厂商领先，成长空间较大刻蚀设备是芯片生产设备中最为复杂、难度最大且使用比例最高的设备之一。刻蚀设备是一种集合了等离子体、材料、真空、精密加工、控制软件等多领域最先进技术的高科技产品，由于光刻设备受到光源波长限制，当晶体管微缩到一定尺寸之后，单纯依靠光刻机的精确度推进工艺进步已经非常困难，刻蚀设备重要性不断提高，成为集成电路前道生产工艺中最重要的设备之一，其价值量超越光刻设备，根据Gartner统计，2022年全球刻蚀设备、薄膜沉积和光刻设备分别占晶圆制造设备价值量约22%、22%和17%。按工艺分，刻蚀主要分为湿法刻蚀与干法刻蚀，干法刻蚀主要指等离子刻蚀。湿法刻蚀：集成电路制造工艺中最早采用的技术之一，但受其刻蚀各向同性限制，大部分湿法刻蚀工艺被具有各向异性的干法刻蚀替代，目前在尺寸较大的图案的非关键层刻蚀中发挥着重要作用。干法刻蚀：主要是指等离子体刻蚀，利用增强活性的等离子体对特定物质进行刻蚀，将刻蚀气体注入真空反应腔，待反应腔内压力稳定后，利用射频辉光放电产生等离子体；受高速电子撞击后分解产生自由基，扩散到衬底表面并被吸附。在离子轰击作用下，被吸附的自由基与衬底表面的原子或分子发生反应，从而形成气态副产物，并从反应室中排出。目前干法刻蚀占比超90%。按等离子产生和控制技术不同，等离子刻蚀主要分为电容耦合等离子体（CCP）和电感耦合等离子体（ICP）。电容耦合等离子体刻蚀是将射频电源接在反应腔上、下电极中的一个或两个上，两个极板之间的等离子体形成简化等效电路中的电容。电感耦合等离子体刻蚀是将一组或多组连接射频电源的线圈置于反应腔上部或周围，线圈中的射频电流所产生的交变磁场透过介质窗口进入反应腔，实现对电子的加速，从而产生等离子体。根据Gartner数据，2022年ICP占干法刻蚀市场47.9%，CCP占干法刻蚀市场47.5%。全球刻蚀设备市场规模持续增长，空间广阔。根据数据，全球刻蚀设备市场规模持续增长，从2019年的115亿美元增长至2022年的140亿美元，预计2025年将增长至155亿美元。目前核心集成电路设备的国产化率不足10%，其中，刻蚀机的国产化率达到20%。从竞争格局来看，国内刻蚀设备起步时间相对较晚，市场集中度较高，主要由海外龙头垄断。2021年国际刻蚀龙头泛林半导体、东京电子、应用材料市占率合计达91%，北方华创和中微作为国产半导体刻蚀设备龙头公司，市占率仍小于5%，替代空间广阔。TSV技术是2.5D/3D封装的关键工艺之一。中介层是2.5D封装关键特点之一，其作用是连接多个芯片，主要采用硅基材料制造。通过在DRAM、CPU、SoC等芯片之间引入硅中介层，可以实现高速运算和数据交流，同时降低功耗，提高效率。在常见的2.5D封装技术中，硅中介层集成了TSV（ThroughSiliconVias），芯片通常通过MicroBump（微凸块）与中介层相连接。中介层通过Bump与基板连接。TSV则是连接中介层上下表面电气信号的通道。TSV在3D结构中同样必不可少。刻蚀工艺是TSV制造关键。TSV工艺主要包括深硅刻蚀形成微孔，再进行绝缘层、阻挡层、种子层的沉积，深孔填充，退火，CMP减薄，Pad的制备叠加等工艺技术。其中，硅通孔的制作——刻蚀工艺是TSV技术核心之一，在刻蚀速率、深宽比、刻蚀形貌、均匀性、选择比等方面具有较高要求。TSV成本结构中通孔蚀刻占比最高，市场规模增速快。从成本拆分来看，TSV工艺中，通孔蚀刻占比最高，为44%，其次为通孔填充和减薄，分别为25%和24%。从市场规模来看，据VantageMarketResearch预测，TSV市场2022-2026年CAGR为16%，2026年将达12.6亿美元。3.2国产刻蚀设备领先者，持续开拓刻蚀领域新版图实现刻蚀工艺全覆盖。北方华创实现了在硅刻蚀、金属刻蚀、介质刻蚀工艺的全覆盖，为各类半导体器件提供刻蚀工艺全面解决方案，并持续进行产品与技术创新。在等离子刻蚀技术上，采用高精度温控静电卡盘的设计与制作技术，提升刻蚀形貌和均匀性的控制能力，为研发先进刻蚀制程提供了保障。在设备上，面向12英寸逻辑、存储、功率、先进封装等客户，已完成数百道工艺的量产验证：发布12英寸CCP晶边刻蚀机，提升芯片良率；迭代升级的高深宽比TSV刻蚀设备，支撑Chiplet工艺应用；12英寸等离子去胶机采用高密度、低损伤设计。迭代升级的高深宽比TSV刻蚀设备销售已突破百腔。公司于2020年推出了12英寸先进封装领域PSEV300，该机型能在50：1高深宽比深硅刻蚀中准确控制侧壁形貌，实现侧壁无损伤和线宽无损失。并且其良好的实时控制性能大幅度提升了刻蚀速率，达到国际主流水平，是国内TSV量产生产线主力机台。经过三年的迭代，该设备从最初的2.5D/3D封装领域，逐渐应用至功率器件、图像传感器及微机电系统等众多领域。2023年公司12英寸深硅刻蚀机销售突破百腔。发布首台国产12英寸晶边刻蚀机，提升先进芯片良率。2023年，公司基于二十余年在刻蚀工艺技术、等离子体控制及多材料刻蚀能力方面的积累，发布了首台国产晶边干法刻蚀（BevelEtch）设备——12英寸等离子体刻蚀机AccuraBE，目前已在客户端实现量产。该设备实现了对光刻胶、氧化物、氮化硅、碳、金属等多类膜层材料的晶边刻蚀工艺全覆盖，结合软件系统调度优化与特有传输平台，可定制多种尺寸的聚焦环设计组合，指导客户产量和良率提升。此外，该设备的软件智能算法可实施可视化的量化调节，简化了维护流程，提高了生产效率。去胶设备再突破，开拓12英寸刻蚀领域新版图。去胶工艺即在图形复制和传递作用后去除光刻胶，是刻蚀工艺的一种。2023年6月，公司发布了应用于存储、逻辑、图像传感器等领域的12英寸去胶机ACEi300，覆盖刻蚀后去胶、离子注入后去胶、去残胶、表面处理等去胶工艺。该设备采用高密度、低损伤等离子源设计，并配备公司的远程ICP技术，在实现去胶损伤抑制的同时，达到高水平的去胶速率。此外，该设备搭配双腔设计，关键耗材使用寿命长，满足了客户提高产能和抑制成本的需求，目前已完成多家客户验证并实现量产。4清洗和退火设备：平台化布局，完善产品矩阵4.1清洗设备：单片和槽式协同发展，工艺覆盖面持续提升湿法清洗工艺是半导体制程中的重要工艺。湿法清洗主要用于去除芯片制造中上一道工序所遗留的超微细颗粒污染物、金属残留、有机物残留物，为下一步工序准备好良好的表面条件。清洗一般采用化学和物理作用力相结合的方法实现，在清洗时既要有很好的腐蚀选择性，高效的去除超微细颗粒物及各种残留物的能力，又不能对晶片表面的精细图形结构造成损伤。湿法腐蚀速率，腐蚀均匀性，晶圆正、反面交叉污染的控制，清洗效率等都是至关重要的工艺要素。市场规模随芯片制程技术演进而提高。随着芯片制程工艺技术节点的不断提高，对每一步骤晶圆表面的污染物和残留物的要求日益提升。2020年全球半导体清洗设备市场规模为25.39亿美元，预计到2024年，全球半导体清洗设备市场规模将增至31.93亿美元。目前全球半导体清洗设备仍由DNS和TEL主导，两家市场份额占比合计达77%。其次分别为Lam、SEMES、盛美，占比分别为12%、5%、3%。立足单片和槽式清洗两大平台，累计出货超1200台。在清洗设备领域，北方华创经过多年的技术积累，先后突破了多项关键模块设计技术和清洗工艺技术，包括伯努利卡盘和双面工艺卡盘、高效率药液回收系统、热SPM工艺、热磷酸工艺、低压干燥工艺等，实现了槽式工艺全覆盖，同时高端单片工艺实现突破。公司在集成电路领域的工艺设备均已在客户端实现量产。截至2023年底，公司清洗设备累计出货超1200台。清洗设备的不断改进和广泛应用，为公司在集成电路设备领域的市场地位和技术实力提供了坚实支撑，凭借新技术和客户黏性，未来清洗设备领域的业绩有望稳步提升。SC308012英寸单片清洗设备：可同时配备多种药液，主要用于12英寸后段和前段清洗工艺。该机台主要由传输模块、工艺模块、药液供给模块、电源柜等组成，标配8个腔室2套药液系统，能够进行全自动