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半导体设备行业研究:国产化加速开启千亿新蓝海

更新时间  2023-01-26 08:28 阅读

  BOB综合官方下载半导体行业遵循“一代技术、一代工艺、一代设备”的产业规律,而半导体设备 的升级迭代,在很大程度上有赖于精密零部件的关键技术突破。精密零部件不仅 是半导体设备制造环节中难度较大、技术含量较高的环节之一,也是国内半导体 设备“卡脖子”的环节之一,也支撑着整个半导体芯片制造和现代电子信息产业。

  半导体零部件具有高精密、高洁净、超强耐腐蚀能力、耐击穿电压等特性,生产 工艺涉及精密机械制造、工程材料、表面处理特种工艺、电子电机整合及工程设 计等多个领域和学科,是半导体设备核心技术的直接保障。

  半导体零部件按照通用性划分可以分为精密机加件、通用外购件。一般而言,通用外购件需要设备商及晶圆厂长期验证,数量众多,国产化难度较 大。1)精密机加件一般由各设备公司工程师自行设计,委外加工,一般只用于本 公司生产设备,如工艺腔室、传输腔室。这种零部件的国产化相对容易,一般对 表面处理、精密机加工等技术要求较高。2)通用外购件一般是经过长期验证,得 到众多设备商、晶圆制造厂广泛认可的通用零部件,更加标准化,应用数量也更 大,不仅设备商会采购,晶圆厂也会采购此类部件作为耗材和备件使用,例如石 英件、射频电源、泵、阀门、密封圈、流量计、陶瓷件等。这类零部件需要较强 的通用性和一致性,并得到设备上、晶圆厂的认证,因此国产化难度较大。

  半导体零部件按照服务对象,又可以分为半导体设备商直接采购的零部件,以及 晶圆厂直接采购的零部件。

  1)半导体设备商采购的零部件,即原装需求,零部件厂商直接向设备厂定制化提 供的原装零部件;根据富创精密招股书,半导体设备中包含的零部件可以大致分 为机械类、电气类、机电一体类、气体/液体/真空系统类、仪器仪表类、光学类, 以及其他零部件。其中,机械类、气体/液体/真空系统类在设备中应用广泛,成本 占比较大。此外,根据富创精密招股书,设备成本中,一般 90%以上为原材料(即 不同类型精密零部件产品),考虑到国际半导体设备公司毛利率约为 40-45%,因 此全部精密零部件市场约占全球半导体设备市场规模的 50-55%。

  2)晶圆厂直接采购的耗材或备件:根据芯谋研究,中国大陆晶圆制造厂商采购设 备零部件主要有石英件(Quartz)、射频发生器(RF Generator)、各种泵(Pump)、 阀门(Valve)、吸盘(Chuck)等零部件,比重均在 10%左右。反应腔喷淋头(Shower Head)、边缘环(Edge Ring)等零部件的采购占比也比较高。其他零部件包括测量 仪器(Gauge)、质量流量计(MFC)、陶瓷材料(Ceramic)、密封圈(O-ring)等。总体上看,与设备商采购零部件相类似的是,泵、阀门、边缘环、密封圈等各类真 空控制零部件是占比最多的采购设备,其次为射频发生器等电源类零部件。

  总体上,考虑到设备商采购、晶圆厂直接采购的半导体零部件两部分需求,我们 预计 2022 年全球半导体设备商采购、晶圆厂直接采购的半导体零部件市场规模 约为 591 亿美元,中国大陆对应市场规模约为 161 亿美元(合 1121 亿元人民币)。 测算过程如下:

  一、半导体设备商采购的零部件: 半导体设备商生产设备中使用的零部件,可以大致根据公式设备销售额*成本占比 *原材料占比来计算。在半导体设备成本构成中,精密零部件的价值占比较高。根 据富创精密招股书,国际半导体设备公司毛利率一般在 40%-45%(对应成本占比 55-60%),设备成本中一般 90%以上为原材料(主要为不同类型的精密零部件产 品)。这里我们保守估计,假设设备销售额中成本占比为 55%,零部件占比为 80%, 根据 Semi 预计,2022 年全球半导体设备总销售额有望达到 1175 亿美元,则我们 预计 2022 年全球半导体设备销售额对应零部件市场规模约为 517 亿美元。根据 SEMI 数据,2021 年中国半导体设备销售额在全球中占比约为 28.86%,假设我国 设备零部件在全球中占比与设备占比相同,且 2022 年占比保持不变,则我们预计 2022 年中国大陆半导体设备销售额对应零部件市场规模约为 149 亿美元。

  二、晶圆厂直接采购的耗材或备件: 根据芯谋数据,2020 年中国 8 寸和 12 寸晶圆线采购设备零部件金额超过 10 亿美 元(包括三星、海力士、台积电等境外厂商在大陆的产线)。根据市场调研机构 Knometa Research 2022 年版《全球晶圆产能报告》,到 2020 年底,中国大陆占全 球晶圆产能的 15.3%,2021 年,这一比重为 16%。假设晶圆厂采购耗材及备件金 额与其产能成正比,按照 2020 年中国占全球晶圆产能比例 15.3%计算,估计 2020 年全球晶圆厂直接采购的耗材及备件约为 65 亿美元。 假设晶圆线直接采购零部件金额与晶圆厂产能同步增长,根据 Knometa Research 数据,2020 年全球晶圆月产能约为 2081 万片/月(200 毫米当量晶圆),2021 年约 为 2160 万片/月,另外,Knometa Research 预计,2022 年全球晶圆厂产能将增长 8.7%。据此,我们预计到 2022 年全球晶圆厂直接采购的耗材及备件约为 74 亿美 元,相应地,按照中国大陆晶圆占全球比重 16%计算,我们预计 2022 年中国大陆 直接采购耗材及备件市场规模约为 12 亿美元。

  从全球角度看,过去 20 年发展历程看,真空控制类、电源类、硅片传送、气体与 液体控制以及其它零部件等关键设备子系统的前 10 大供应商市场地位较为稳固, 特别是金融危机之后的几次重大并购,使得行业巨头的地位更加稳固。但总体上 看,半导体零部件市场集中度仍然较低,碎片化特征明显。按照前文计算市场规 模方法,我们可以大致测算出,2020 年全球半导体设备商采购、晶圆厂采购零部 件市场规模分别为 313 亿美元、65 亿美元,合计 378 亿美元。相对应地,2020 年 前十大厂商收入规模约为 75-80 亿美元,按照 80 亿美元计算,对应 CR10 约为 21%。

  从国内来看,各个零部件中,国产化率超过 10%的零部件主要以石英件(Quartz)、 气体喷淋头(Shower head)、边缘环(Edge ring)等机械类部件为主,泵(Pump)、 陶瓷件(Ceramics)等国产化率在 5-10%,其余部件国产化率较低,尤其是阀件(Valve) 压力计(Gauge)、O-ring 密封圈等进口依赖度较高。 总体上看,国产化率较低的部件,通常为较复杂的电子和机械产品,开发技术难 度大,对精度及材料要求高,如射频电源、泵、压力计、陶瓷件等;或者市场规 模较小,市场碎片化特征明显的部件,如压力计、气体流量计、O-ring 等,根据 芯谋研究数据,这些部件在中国市场规模约在 2000-3000 万美元,且不同产品工 作原理有很大差别,因此国内厂商研发和生产的兴趣不足。

  就半导体制造过程而言,从晶圆裸片到芯片成品,中间需要经过氧化、溅镀、光 刻、刻蚀、离子注入、封装等上百道工艺步骤,其中多个步骤都离不开真空环境; 就设备而言,电子加速、光电器件、电子材料、射线管、晶振、激光、离子注入 设备、离子刻蚀机、CVD、PECVD,PVD、分子束外延设备、集成电路封装等等, 均会用到中高线 真空泵: Edwards、Ebara 是国际领先企业,汉钟精机、中科仪、中科科 仪实现突破

  真空泵是一种重要的通用设备,广泛用于制药、化工、科学仪器等下业,半 导体是其主要的应用领域,主要应用在刻蚀、成膜、离子注入等环节。由于芯片 制程不断缩小,更加需要以高精度和均匀性执行制造过程,为了实现这一点,半 导体工艺必须在高度受控的真空环境中运行。而随着工艺步骤数量的增加,对真 空设备的需求也在增加。 半导体制造过程中所需的真空系统,需要具备抽除腐蚀性气体、粉尘颗粒物、有 毒气体等功能,因此油封式机械泵无法满足半导体产业的需要。上世纪 80 年代, 日本半导体工业快速发展,急需大量干泵,开始研制出一种适用于半导体工业的 干式真空泵,受益于下游集成电路、光伏、LED 等行业的持续发展进步,干式真 空泵的产品类型不断增加,性能、控制集成度等指标参数显著改善。截至目前, 发达国家的半导体相关产业已全部使用干式真空泵,我国近年来也呈现明显的干 式真空泵替代油泵的趋势,目前国内的高端半导体行业已基本使用干式真空泵。

  目前,半导体真空泵主要由国外企业主导,根据芯谋研究数据,2021 年半导体真 空泵的国产化率仅在 5-10%,对外依存度较高,主要原因在于进口泵在压缩比方 面更有优势,其合金比国内更加稳定,热胀冷缩更小,因此间隙也可以做得更加 精密。 根据 Edwards 官网介绍,一个月产能在 6 万片的晶圆厂,大约需要 1000 个线 个涡轮泵。根据前文我们的测算,到 2022 年 全球半导体零部件市场规模预计约为 591 亿美元,另据芯谋研究数据,全球晶圆 厂直接采购耗材及备件中线%,假设半导体设备商采购额中真空泵 占比相同,则我们预计 2022 年全球半导体线 亿美元。 Atlas Copco 是半导体线 年收购 Edwards 进军半导体 真空泵领域。Edwards 作为真空泵领域的领导者,产品系列最全,在各种真空泵 领域均有布局。此外荏原机械(Ebara)以罗茨泵为主,Kashiyama 以罗茨泵、螺 杆泵为主。国内企业中,汉钟精机作为螺杆泵龙头企业,其真空泵以螺杆式为主, 旋片泵也有所布局,中科仪以涡旋泵和罗茨泵为主;中科科仪以分子泵、旋片泵 为主。

  2.1.2 阀件:欧美日巨头占 6 成市场份额,新莱应材取得一线厂商突破

  半导体制造过程中每一个环节都需要许多阀门和配套的解决方案,真空和气流的 高精度控制与隔离在半导体制造中至关重要,所有阀门都要保证在高循环次数及精确的可重复性。精确性主要体现在在规定时间内实现精确的体积流动,实现一 致、可靠的密封。 从分类看,半导体阀主要包括隔膜阀,波纹管阀,真空阀,球阀,蝶阀,门阀, 角阀,特氟龙阀门和其他,其中真空阀为主要的半导体阀类型,根据 QYR 数据, 2020 年全球共消费了 82.36 万个真空阀,约占全球半导体阀市场的 33.66%。 目前,半导体等领域的高纯气路管阀件的生产制造核心技术主要掌握在日本、美 国、瑞士等国家,国内目前生产的卫生级阀件主要用于食药,以及部分半导体领 域,但与进口阀件存在较大差距。目前,全球主要的半导体阀生产企业包括瑞士 VAT、派克(Parker)、富士金(Fujikin)、CKD、世伟洛克、MKS、SMC Coporation、 GEMÜ,Entegris 和 Festo 等。

  国内新莱应材填补国内超高纯应用材料空白,打入多家头部半导体设备厂及晶圆 厂。在半导体领域,公司产品主要为半导体领域管、阀、腔体、泵等核心零部件, 主要运用于气体、真空系统领域,是国内少数同时通过 AMAT 和 LAM 认证的零 部件供应商。公司的高纯、超高纯应用材料可满足洁净气体、特殊气体和计量精 度等特殊工艺的要求,以及对真空度和洁净度的要求。目前,公司与顶级设备制 造企业 AMAT,以及国内领先的存储器芯片设计与制造公司长江存储、合肥长鑫 等在高端真空阀门等产品均有深入合作。在气体管道及气体控制元件领域也在不 断深入国产替代,与北方华创展开全面合作。

  真空计(Vacuum Gauge),又名真空表,即依据各种原理制作成用来测量真空状态 下压力大小的真空传感器,由栅极、灯丝、收集极组成,其特征在于有上、下端 栅的鼠笼式栅极,环形灯丝,并利用真空连接管导。用压力表示真空度是由历史 沿用下来的方式,一般压力低与高真空度相对应,反之,压力高与低真空度对应。 一般半导体制造工艺中均会用到中高真空,所有设备真空腔体的真空度检测主要 是使用真空规(Gauge),前级真空使用一个,本地和工艺监控各使用一个,目前 使用的基本都是进口的真空计,如皮拉尼、热电离规、电容薄膜规等,其中皮拉 尼真空计应用最为广泛,约占半导体线%。

  根据 QYResearch 数据,2020 年全球半导体线 百万美元, 预计到 2027 年达到 71.9 百万美元,其中,2020 年中国市场规模为 7.18 百万美元, 约占全球 16.3%,预计到 2027 年达到 14.45 百万美元,届时全球占比将达到 20%。 从技术角度看,根据 QYR 数据,2020 年欧洲和美国占据全球半导体线% 的市场份额,日本约占 13%的市场份额,我国目前在该领域还比较薄弱,主要依 赖从欧洲和美国进口,根据芯谋研究数据,2021 年半导体线% 以下。

  O-ring,即 O 型密封圈,是一种截面为圆形的橡胶密封圈。半导体生产工艺中经 常有含氟含氢气体遇到高温的情况,当处于高能态的气体流接触到改性材料的表 面,会引起材料表面物理和化学的变化,对密封材料形成很强的腐蚀,因此半导 体工艺中的 O 型密封圈需要在高温下具有热稳定性、尺寸稳定性、化学稳定性以 及低释气、低 IR(红外吸收)、低渗透率和高纯度等特性。 O 型密封圈在单晶炉、氧化炉、清洗机、蚀刻设备、CVD、PVD、CMP 领域均有 应用。其关键特性也因各个环节而异,例如光刻设备需要耐溶剂的密封圈,CVD 则需要在真空压力下具有良好的热稳定性,CMP 中要求密封圈耐磨、耐高 PH 化 学品腐蚀,湿法刻蚀要求 O 型环由高纯度材料制成,以防止造成元素污染(即颗 粒的生成),而干法刻蚀则要求材料具有耐等离子性。除此之外,O 型环可能还要 满足对有毒掺杂剂和反应流体的耐受性,低压缩形变、尺寸稳定性和较大的工作 温度范围。目前半导体领域使用的 O 型环主要采用 FFKM(全氟醚橡胶),具有 半导体领域 O 型环所需的诸多关键性能。

  根据前文计算,预计到 2022 年全球半导体零部件市场规模约为 591 亿美元,另据 芯谋研究数据,全球晶圆厂直接采购耗材及备件中,O-Ring 占比约为 1%,假设 半导体设备商采购额中 O-Ring 占比相同,则我们预计 2022 年全球半导体 O-Ring 市场规模约为 5.9 亿美元。由于 O-Ring 市场空间小,且各应用领域对性能的要求 差异显著,市场的碎片化特征明显,这也是国内厂商研发及生产动力不足的原因。

  2.2 机电一体类:核心部件为海外巨头垄断,华卓精科等实现部分领域 突破

  2.2.1 机械手:美国及日韩企业为主,Brooks、Rorze 为主要厂商

  半导体机械手主要适用于集成电路、芯片制造等半导体前端工序,在磨削、抛光、 刻蚀、扩散、沉积、装配、包装和测试等环节中均有应用,用于对晶圆传输与定 位。在半导体设备机械手中,主要采取负压式吸片的方式取片,即利用吸盘原理, 将晶圆吸附于石英或陶瓷手指上,并通过机械手臂的伸缩、旋转和升降等动作搬按照工作环境不同,机械手可以分为两种,一种是真空机械手,一种是大气机械 手。真空机械手用于线Pa 环境下的硅片搬运,这种机械手多用于集束 型设备中,通过轨迹规划完成对硅片的传输和定位。另一种是大气机械手,用于 洁净的大气环境中,此类机械手对接精度要求较高,一般为 10 级,有些可达到 1 级。据 QYR 数据,目前大气机械手应用最为广泛,占有半导体机械手近 60%的 市场份额。 根据 QYR 数据,2020 年,全球半导体机械手市场销售额达到了 6.97 亿美元,并 预计 2027 年将达到 13.5 亿美元,2021-2027 年复合增长率(CAGR)为 8.3%。其 中 2020 年中国市场半导体机械手市场规模约为 1.42 亿美元,约占全球的 20%。 分地区来看,美国和日本厂商主导半导体机械手的生产。日本是全球最大的半导 体机械手生产地区,约占 60%的市场份额,美国约占 20%的市场份额,此外,韩 国也是重要的生产地区,约占 6%的市场份额,中国本土生产企业主要为沈阳新松 机器人、华卓精科等。

  按照晶圆单次传输数量,半导体晶圆传输设备可分为单片传输设备和批量传输设 备,其中 EFEM 就属于单片传输设备。EFEM(Equipment Front End Module), 即“设备前端模块”,通常指在高洁净环境下,将单片晶圆通过精密机械手传输至 工艺、检测模块。EFEM 内部主要由化学蒸汽过滤器、空气过滤器、离子发生器、 晶圆运输机器人、晶圆对准装置、晶圆载运盒、自动化控制模块等组成,其中晶 圆装载系统(Loadport)、晶圆运输机器人(Robot)、晶圆对准装置(Aligner)是 最核心的三大部件,根据果纳半导体数据,这三个主要核心部件占整机物料成本的 70%,且均被 Brooks、Rorze、MGI 等国外供应商垄断。EFEM 的难点在于对 于无尘等级要求达到 Class 1,其次,EFEM 内部的软件系统和装配也相对复杂。 据 QYResearch 统计,2021 年全球半导体设备前置模块(EFEM)和晶圆倒片机 (Sorters)市场规模约 45 亿元人民币,其中,EFEM 市场份额超过 75%,因此, 我们估计 2021 年全球半导体 EFEM 市场规模约为 33.75 亿元人民币(约 4.74 亿 美元)。全球半导体 EFEM 和倒片机的核心生产商包括 RORZE Corporation、 DAIHEN Corporation、Hirata Corporation、Sinfonia Technology 和 Nidec (Genmark Automation)等,全球前五大厂商所占的市场份额超过 72%。

  根据上海临港张江科技港 2021 年 3 月报道,果纳半导体目前已向盛美半导体、中 微半导体、北方华创等国内知名半导体设备企业提供 EFEM 样机,等待其验证。 此外,华卓精科布局研发的薄片晶圆传输项目也填补了国内相关领域的空白,公 司开发针对薄片晶圆传输的设备前端模块,并研发基于静电吸附技术的薄片晶圆 专用配套机械手、对准器等,解决薄片晶圆传输与对准过程中静电吸附结构、吸 附力控制等关键技术。该技术可应用于 8 吋和 12 吋的 50μm 至 800μm 厚度晶圆 传输;薄片晶圆传输精度达到±0.2mm,标准厚度晶圆传输精度达到±0.05mm; (3)薄片晶圆碎片率小于 1/100,000。根据公司招股书,目前该项目已经处于试 生产阶段。

  2.3.1 ESC 静电吸盘:前五大厂商占 8 成市场分额,华卓精科实现商业化生产

  静电吸盘,又称静电卡盘(ESC, E—Chuck),是一种利用静电吸附原理加持固定 被吸附物的夹具,适用于真空和等离子体环境,主要作用是用于吸附超洁净薄片 (如硅片),并使吸附物保持较好的平坦度,可以抑制吸附物在工艺中的变形,并 能够调节吸附物的温度。相较于机械卡盘,静电吸盘减少了机械运动部件,降低 了颗粒污染,增大晶片的有效面积。与真空吸盘相比,静电吸盘可用于低压强(真 空)环境,适用于需要利用卡盘控制晶片温度的场合,凭借上述特性,静电卡盘 被广泛用于 PVD 设备、刻蚀机、离子注入机等设备。 根据力学模型不同,静电吸盘可以分为库仑型、J-R 静电吸盘两大类,其中库仑静 电吸盘是市场主流产品,占比超过 7 成。1)库伦型静电吸盘:吸盘与晶片接触的 表面的介电层为高阻抗陶瓷材料,陶瓷层中夹有一层导电电极,当电极被接通到 高压直流电源后,介电质的表面会产生极化电荷,分布在晶片背面的电荷与分布 在吸盘上面的电荷极性相反,晶片就会被吸盘吸住。2)Johnsen-Rahbek 静电吸 盘:静电吸盘使用的介电层材料为半导体材料,由于介电质具有一定的导电性,因此表面不仅有极化电荷,还有很大部分自由电荷,因此一般 JR 吸盘的吸力比库 伦型吸盘更大。

  从技术角度看,除所承载晶圆规格尺寸逐步增大之外,静电卡盘的发展趋势主要 表现为温度均匀性控制需求提升,即分区温控温区数量逐渐提高。2000 年前后, 分区温控温区数量一般为 2 区,2000 年至 2005 年期间,分区温控温区数量一 般为 4 区,而在现阶段,已有超过 100 温区的静电卡盘产品被研发生产并投入 实际应用。 全球静电吸盘呈高度垄断格局,由日本和美国企业主导。全球半导体晶圆静电吸 盘的主要供应商包括 SHINKO(新光电气)、TOTO、 Creative Technology Corportation、Kyocera、NGK Insulators,Ltd 等,根据恒州诚思数据, 2020 年全 球半导体晶圆静电吸盘的市场规模约为 23 亿美元,全球前五大制造商市占率超 过 80%。 目前,我国静电吸盘行业发展时间较短,尚处于起步阶段,实现商业化生产的企 业主要有北京华卓精科、广东海拓创新,其他大部分企业仍处于研发阶段,目前 仅能进行吸盘的维修及更换,在生产方面尚不成熟。

  在半导体领域,石英制品被广泛应用,高纯石英制品更是晶圆生产中的重要耗材。 生产硅单晶的坩埚、晶舟、扩散炉炉芯管等石英部件必须使用高纯石英玻璃制品。 此外,石英部件在晶圆加工领域可应用于扩散、氧化、沉积、光刻、蚀刻、清洗 等步骤。以扩散工艺为例,应用的石英部件主要有石英舟、石英炉管、石英挡板、 套管等,应用于刻蚀工艺的石英部件主要有石英环、石英防护罩等;应用设备包 括炉管设备,外延设备(EPI),快速热处理设备(RTP),刻蚀设备等。 石英制品的制造过程非常复杂,以石英砂为原料,先经过气炼熔融制作成石英锭, 然后经热改型和冷加工制成石英制品。按照工艺和加工技术,石英制品可以分为 火加工、机加工两种。其中,火加工主要用于光伏领域,利润率较低,机加工则 依靠不同及其组合完成成型和抛光,主要生产对产品一致性、稳定性要求高的高 附加值产品,多应用于半导体领域。目前,国内以火加工为主,涉足机加工的企 业较少,主要有沈阳汉科、菲利华石创、宁波云德、北京凯德、上海强华等。 根据芯谋研究数据,在石英制品中,半导体是最大下游应用,占石英制品比重达 68%, 2021 年全球半导体石英制品市场规模超过 165 亿元人民币(约合 23.2 亿 美元)。其中,石英器件、石英基板、石英玻璃占市场份额比重约为 4/3/3。

  作为半导体工艺的重要耗材,石英制品需对上游供应商进行资质认证才能进入供 应链采购目录,认证路径主要包括晶圆厂自主认证、设备原厂认证和授权。国内 半导体石英制品发展的痛点在于: 1)石英制品是产品规模主导市场。国外厂商起步较早,技术先进,获得 TEL 等 国际大厂认证,而国内企业起步整体较晚,多数企业还处于认证阶段。根据芯谋 研究数据,我国半导体石英件自给率在 10%以上,已经属于自给率较高的零部件。 但作为重要的消耗型半导体设备零部件,市场规模是抢占市场的关键之一。2)全 球高纯石英砂高度垄断。高纯石英砂生产与高品质矿源密切相关,低品质矿源提 纯较为困难,发掘优质矿源或实现提纯工艺是石英件突破的关键。多年来,全球 近 90%的高纯石英砂市场被美国尤尼明公司、挪威 TQC 等垄断,2010 年江苏太 平洋石英股份高纯石英项目投产,填补国内空白,目前从事石英材料业务的企业 主要有石英股份、菲利华、亿仕达、凯德石英等。3)半导体石英制品对精密性、 稳定性要求更高,验证难,如何提升工艺和管理水平,迈过设备厂商的验证关卡 是最大的挑战。

  宁波云德半导体,成立于 2018 年,是国内机加工规模最大的内资企业,主要从事 半导体专用材料研发、生产与销售。据芯谋研究,宁波云德半导体机加工设备已 超过 100 台,今年有望超过 200 台,是国内内资石英制品领域当中拥有机加工设 备最多的厂商。目前,公司产品已经打入多家知名半导体设备公司供应链。菲利 华石创成立于 2001 年,提供各种规格的石英玻璃制品精密加工服务,产品面向半 导体、光学、光伏、LED 等多个行业。半导体刻蚀系列产品包括遮蔽环、石英钟 罩、绝缘环和晶圆承载环等。沈阳汉科是新加坡汉民和英国 YE 联合投资组建的 半导体材料公司,成立于 2006 年,半导体领域主要开发生产 6 英寸、8 英寸晶圆 制造所需石英制品。

  电气类主要包括射频发生器、匹配器、直流/交流电源、远程等离子源等。根据富 创精密招股书,电气类产品在半导体设备市场中占比约为 6%,及在半导体零部件 中占比约为 13.6%,按照前文计算,2022 年全球大陆半导体设备零部件市场规模 约为 591 亿美元,因此我们预计与其对应的 2022 年全球半导体设备电气类零部 件市场规模约为 80 亿美元。 以射频电源(RF generator)为例,它是一种可以产生固定频率的正弦波电压,频 率在射频范围(约 3KHz~300GHz)内、具有一定功率的电源,目前已经广泛应 用于半导体工艺的离子注入、PVD、CVD、刻蚀等环节。

  在干法刻蚀设备中,工艺室由两个平行的、面对面的电极组成(也被称为平行板), 其中一个电极接地,这样就可以对另一个电极施加高频电源,此外,还有一个用 于匹配高频电流的匹配箱,是连接电源和用电设备的中间装置,除了分配电能外, 还具有对用电设备进行控制、测量指示及保护等功能。阳极用于引入蚀刻气体的 气体供给系统,阴极用于对腔体抽真空的真空系统。一般会在阴极一侧施加高频 电源,这样施加一侧的鞘层电位较高,当对该侧晶圆刻蚀时,由于阴极鞘层作用, 可以实现更多各向异性的刻蚀。晶圆一般放置在施加高频的电极侧,这种结构也 被成为阴极耦合。之所以使用高频电源,主要是为了产生等离子体。 在成膜过程中,原材料基本也都是气体,即使是液体或固体材料,一般也会先以 气体的形式供给成膜室。如果是等离子环境,则需要加高频电源。与刻蚀设备不 同的是,CVD 设备的高频耦合一般会加在阳极一侧。以 ICP 放电产生高密度等离 子体方法为例,它是通过射频线圈的感应磁场获得高密度等离子体,与平行板型 相比,可以获得更高密度等离子体,提高成膜速度。另外,该设备还可以利用晶 圆载具所在一侧的电极发生射频(RF)偏压实现蚀刻的功能,同时进行成膜处理。

  3.1 正帆科技: 半导体 Gas Box 国产化开拓者,气体业务成长潜力大

  公司是一家致力于为泛半导体、光纤通信、医药制造等行业客户提供工艺介质和 工艺环境综合解决方案的高新技术企业,是国内较早开展工艺介质供应系统业务 的企业之一。公司所设计产品主要包括电子工艺设备、生物制药设备、电子气体 和 MRO(快速响应、设备维保和系统运营)服务。

  1)电子工艺设备:集成电路、太阳能光伏、平板显示、半导体照明、光纤制造等 高科技制造业在生产过程中,存在多种特殊制程,工艺中会用到大量高纯、超高 纯(ppt 级别)的干湿化学品,对介质供应系统要求非要严格。公司电子工艺设备 产品主要包括特气柜、化学品中央供应柜、分流箱、化学品稀释混配单元、液态 源输送设备,以及用于半导体工艺设备的流体输送系统/设备(Gas Box)等;2) 生物制药设备:公司该产品是为特气柜、化学品中央供应柜、分流箱、化学品稀 释混配单元、液态源输送设备等,主要产品有制药用水装备、生物工艺装备、高 端制剂装备等;3)电子气体:公司电子气体业务主要为生产电子特种气体,包括 括砷烷、磷烷、硅烷和电子混合气等高纯气体,是为数不多能量产电子级砷烷、磷烷的企业之一。4)MRO:即维护、维修与运营,针对客户已有设备提供后续 配套服务。

  募投项目拓展气体业务覆盖范围,放量在即。根据公司 2021 年年报,电子气体在 半导体制造的材料成本中占比为 13%左右。电子气体中的电子大宗气体,则在泛 半导体工艺中作为载气被大量使用。近年来,公司依托系统和装备类 CAPEX 业 务,拓展 OPEX 业务,向客户提供电子气体化学品和 MRO 服务,并在特种气体 基础上,逐步投入电子大宗气体生产供应能力,公司电子特气业务取得快速发展。 根据公司 11 月 30 日公开投资者调研纪要,公司前期定增的潍坊高纯大宗气体项 目已在土建过程中并已完成了核心设备采购,预计 2023 年中完工;合肥高纯氢气 项目已开始土建并完成核心设备的采购,预计 2023 年第三到第四季度完工。随着 公司逐步投入大宗气的生产供应能力,以及自研自产混配电子特气能力的不断提 升,将稳步成为电子气体业务综合供应商和服务商。

  深度受益半导体零部件国产化,成长潜力巨大。在泛半导体领域,公司为行业客 户提供工艺设备或子系统 Gas Box 的 OEM 或 ODM 服务,可以设计制造的 Gas Box 包括 VCR®型及 Surface Mount 型,适用于包括 8、12 英寸,平板显示,光伏 太阳能,光纤及微电子等行业。根据公司 8 月 31 日公开投资者调研纪要,目前, GasBox 业务在中国大陆基本仅有两家企业在做,该领域市场规模约为 50 亿元人 民币,并且在继续增长。自 2021 年公司旗下子公司鸿舸成立以来,目前已经拿到 3 亿订单,尚有较大成长空间。此外,根据公司 11 月 30 日公开投资者调研纪要, 该公司在上海临港新厂房于 2022 年 11 月正式投入使用,预计 2023 年初可达到稳 产,新厂房将比当前 GasBox 厂房面积大 2 倍有余,预计达产后产能将大幅提升。

  公司是国内少数能够覆盖泛半导体、生物医药、食品饮料三大应用领域的高洁净 应用材料研发与制造商之一。2021 年,公司实现营业收入 20.54 亿元,同比增长 55.28%,其中食品、泛半导体、医药板块占营业收入比重分别为 56.27%、25.9%、 23.15%,实现归母净利润 1.69 亿元,同比增长 105.66%。2022 年上半年,公司实 现营收12.24亿元,同比增长36.57%,实现归母净利润1.56亿元,同比增长129.91%。 近年来,公司毛利率水平不断回升,2022H1公司泛半导体、医药业务板块毛利率 分别上升至 35.3%、41.2%。

  填补国内超高纯应用材料空白,打入多家头部半导体设备厂及晶圆厂。在半导体 领域,产品主要为半导体领域管、阀、腔体、泵等核心零部件,主要运用于气体、真空系统领域,是国内少数同时通过 AMAT 和 LAM 认证的零部件供应商。公司 的高纯、超高纯应用材料可满足洁净气体、特殊气体和计量精度等特殊工艺的要 求,以及对真空度和洁净度的要求。目前,公司与顶级设备制造企业 AMAT,以 及国内领先的存储器芯片设计与制造公司长江存储、合肥长鑫等在高端真空阀门 等产品均有深入合作。在气体管道及气体控制元件领域也在不断深入国产替代, 与北方华创展开全面合作。

  公司专注于螺杆式压缩机相应技术研发生产,主要产品有螺杆式制冷压缩机和空 气压缩机,公司将螺杆式压缩技术应用于不同的工作工质,如空气、真空、制冷 剂、特殊气体等,现已成为全球应用工质最多的螺杆式压缩机生产企业之一。 在半导体领域,公司是国内集成电路国产化零部件创新联盟一员,目前已通过部 分国内大厂认可,并与多家半导体设备企业展开新设备开发合作,且已开始接单 合作,半导体客户主要有联电、力积电、华虹、芯恩、和舰等,竞争对手主要为 Atlas、Ebara、LOT、Kashiyama 等。公司正积极在国内半导体产业加大营销力度, 随着国内半导体行业不断发展,公司在半导体持续深耕,产品不断更新优化,有 望逐步提升市占率。目前公司已有能满足半导体最先进工艺的全系列中真空干式 真空泵产品,并拥有 SEMI 安全基准验证证书,有以下三个系列运用在各半导体 工艺中:

  2021 年,公司实现营收 29.8 亿元,同比增长 31.2%,其中线%,公司实现归母净利润 4.87 亿元,同比增长 34.11%。2022 年上半 年公司实现营收 13.7 亿元,同比增长 3.08%,其中线%,公司实现归母净利润 2.46 亿元,同比增长 24.17%。公司生产的真空 产品主要应用于光伏、半导体领域,增速和毛利率均高于公司平均水平。

  公司为国内外具有较大影响力和规模优势的石英材料及石英纤维制造企业,全球 少数几家具有石英纤维批量生产能力的制造商。公司始建于 1966 年,2014 年 9 月 10 日在创业板挂牌上市,现拥有荆州、潜江、上海、合肥、泰州五大生产基地以 及上海、武汉技术研究院。公司致力于航空航天、半导体、太阳能、光纤通讯、 光学等高新技术领域的配套服务。 在航空航天领域,公司是全球少数几家具有石英玻璃纤维批量生产能力的制造商 之一,也是国内航空航天领域用石英玻璃纤维的主导供应商。在光学领域,公司 是国内少数几家从事合成石英玻璃研发与制造的企业,在大规格合成石英玻璃材 料制造技术及生产规模上,处于国内领先地位。继推出国内首创的 8.5 代 TFTLCD 光掩膜基板后,10.5 代 TFT-LCD 光掩膜基板已研发成功,具备量产能力。 在光通讯领域,公司与主要光纤光棒生产厂家保持着长期战略合作关系,在巩固 现有主导产品把手棒的基础上,拓展炉芯管与石英玻璃器件的生产加工业务,为 光通讯行业提供高性价比的产品和服务。

  在半导体领域,公司是国内首家获得国际半导体设备商认证的企业,继 2011 年 公司的气熔石英玻璃材料通过了日本东京电子株式会社(TEL)半导体材料认证 后,又获得了泛林研发(Lam Research)和应用材料公司(AMAT)等半导体设 备商的认证,全面进入国际半导体产业链。公司气熔石英玻璃材料在半导体领域 影响力持续提升的同时,电熔石英玻璃材料研发成功送样客户并得到客户认可, 上海石创的石英玻璃器件加工通过中微半导体设备(上海)股份有限公司认证。 在市场需求拉动和半导体国产化的国家政策支持下,半导体用石英玻璃材料的产 销保持快速增长趋势。根据公司 2022 年半年报,2022H1 公司半导体用石英材料 及制品营业收入同比增长 38.5%。

  公司是国内半导体设备零部件的领军企业,也是全球位数不多能够量产应用于 7 纳米工艺制成半导体设备精密零部件的制造商。公司专注于金属材料零部件精密 制造技术,掌握了可满足严苛标准的精密机械制造、高洁净度表面处理、焊接、 组装、检测等一站式制造工艺。 公司的产品主要包括工艺零部件、结构零部件、模组产品、气体管路四大类,应 用于半导体设备、泛半导体设备及其他领域。目前,公司已进入东京电子、 HITACHI High-Tech 和 ASMI 等全球半导体设备龙头厂商供应链体系,国内方面,公司产品也已进入包括北方华创、屹唐股份、中微公司、拓荆科技、华海清 科、芯源微、中科信装备、凯世通等主流设备厂商,保障了我国半导体供应链安 全。

  其中,1)工艺零部件:在半导体设备中与晶圆直接接触或直接参与晶圆反应。一 般在密闭腔室的复杂工艺环境中参与晶圆制程,起到延长设备的使用寿命,提升 晶圆制造良率的作用。公司代表性的工艺零部件包括腔体(按使用功能分为过渡 腔、传输腔和反应腔)、内衬和匀气盘;2)结构零部件:在半导体设备中一般起 连接、支撑和冷却等作用,种类繁多,应用较为广泛。在半导体设备中一般不直 接与晶圆接触或参与晶圆反应,代表性产品包括托盘轴、铸钢平台、流量计底座、 定子冷却套、冷却板;3)气体管路用于半导体设备中的特殊工艺气体传送,是连 接气源到反应腔的传输管道。管路内壁直接接触的特殊工艺气体一般具有纯度高、 腐蚀性强、易燃易爆及毒性的特点;4)模组产品用于半导体设备中的特殊工艺气 体传送,是连接气源到反应腔的传输管道。管路内壁直接接触的特殊工艺气体一 般具有纯度高、腐蚀性强、易燃易爆及毒性的特点,代表产品包括离子注入机模 组、传输腔模组、过渡腔模组、刻蚀阀体模组、气柜模组等。 根据公司招股书,公司目前涉及的半导体设备精密零部件全球市场规模 2020 年 约为 160 亿美元,占当年全球半导体设备市场规模的 22%,其中,工艺和结构零 部件市场规模约为 84 亿美元,模组产品市场规模 40 亿美元,气柜和气体管路市 场规模 35 亿美元。若根据 SEMI 预测的 2030 年半导体设备市场规模达到 1,400 亿美元,假设比例不变,则公司主要产品全球市场规模有望在 2030 年超过 300 亿美元。

  3.6 万业企业: 收购气体零部件龙头 Compart,进一步增强半导体设 备领域布局

  万业企业成立于 1991 年 10 月,是一家具有新兴产业基因的高科技上市公司。近 年来,公司在第一大股东浦科投资的带领下,通过“外延并购+产业整合”的双轮驱 动,陆续收购凯世通、Compart Systems,成立嘉芯半导体,持续加大集成电路在 公司整体业务中的比重。 公司旗下凯世通和嘉芯半导体主要从事集成电路、光伏等领域的核心装备业务。 凯世通所涉核心装备业务是以离子束技术为核心的集研发、制造于一体的高科技 项目,主要任务为研发国际领先的高端离子注入机,重点应用于半导体集成电路、 光伏太阳能电池和 AMOLED 显示屏等领域,目前营业收入包括自研离子注入机、 离子注入平台、离子注入机耗材备件以及产品、服务定制与再制造业务等。 嘉芯半导体所涉及的产品范围将覆盖刻蚀机、快速热处理、薄膜沉积、尾气处理、 机械手臂等 8/12 英寸半导体设备,可制造刻蚀、薄膜沉积、快速热处理等数个品 类设备产品。公司聚焦于集成电路设备国产化,为汽车芯片、功率芯片、逻辑芯 片等集成电路晶圆制造厂提供成套的前道设备解决方案。

  半导体零部件方面,公司于 2020 年 12 月牵头境内外投资人收购全球领先的集 成电路设备零部件公司 Compart Systems,它是全球少数可以完成集成电路领域 零组件精密加工全部环节的公司之一,提供从零组件原材料到零组件组装一站式 加工服务,技术实力雄厚,长期服务多家全球知名集成电路设备客户且供应关系 稳定保持。

  公司是国内专业从事高端精密金属制造的领先企业,是国内为数不多的集精密金 属结构件制造、设备装配及维修服务为一体的综合配套制造大规模服务商。 1)在新能源与电力设备领域,公司的主要产品包括光伏逆变器、六氟化硫气密箱、 高压输变电开关柜等设备的精密金属结构件和各种零散件;2)通用设备领域,公 司主要产品包括:汽车轴承制造设备、X 射线光谱测定分析仪、智能升降桌椅、 PCB 检测设备等设备的精密金属结构件。3)轨道交通领域,公司主要产品包括高 铁座椅、高铁空调风道系统和城市轨道交通牵引系统的精密金属结构件和各种散 件。

  在半导体设备领域,公司是国内为数不多的专业高端精密金属结构件制造商之一。 公司生产的半导体设备领域精密金属结构件主要应用于半导体晶圆制造和检测设 备,具体包括用于晶圆刻蚀的气体输送中心、晶圆(清洗、沉积)控制平台、晶 圆成膜(PECVD)设备气体输送平台、超高亮度 LED 薄膜沉积设备、全自动锡 膏印刷机、晶圆检测设备(AWX)成像检测平台等半导体设备的精密金属结构件。

  目前,公司在半导体设备领域结构件业务直接客户包括超科林、ICHOR、捷普、 天弘、依工电子等设备零部件制造商,间接客户包括 AMAT、LamResearch 等设 备商,以及检测设备商 Rudolph Technologies 和中微半导体等设备制造商,2018 年,公司成为中微半导体直接供应商。 此外,在半导体设备维修业务方面,公司通过全资子公司与韩国背景的株式会社 AKTECHCO.,LTD 共同设立孙公司苏州澳科泰克半导体技术有限公司,进行半导 体设备上的一些部件维修。目前维修业务主要集中在泵体、阀门维修,技术含量 更高,此类业务认证严格,认证周期也较长。公司于 2019 年成为半导体制造巨 头海力士和三星的合格供应商,并开始向海力士批量提供半导体设备部件维修服 务。

  公司是国内综合性工业电源研发及制造领域具有较强实力和竞争力的企业之一。 从事以功率控制电源、特种电源为代表的工业电源设备的研发、生产,产品主要 应用于光伏行业(多晶硅、单晶硅、电池组件的生产)和以半导体、光纤、玻璃 玻纤为代表的新材料领域,以及冶金、机械制造、石油化工、电化学等传统工业 领域。公司产品近年来应用于光伏行业、半导体等电子材料行业较多,销售收入 占比较大。 光伏电源设备龙头企业,延伸至电池电源领域。公司产品应用于光伏材料生产设 备电源控制,一直致力于硅材料制备电源的研发、制造和改进,并以创新思维和 领先技术,研发出多晶硅还原电源系统、多晶硅高压启动电源、单晶炉电源、多 晶铸锭炉电源、硅芯炉电源、区熔炉电源等产品,产品覆盖了硅材料制备的全程, 成为硅材料行业电源产品的领先企业,公司在行业市占率在 70%以上。近年来, 在多晶、单晶电源应用的基础上,公司也涉足了晶硅电池片生产设备电源应用领 域,对光伏行业的覆盖面进一步加大,该行业属于电源国产化替代,未来市场前 景良好,目前产品处于样机客户试用阶段。

  光伏电源设备龙头企业,延伸至电池电源领域。公司产品应用于光伏材料生产设 备电源控制,一直致力于硅材料制备电源的研发、制造和改进,并以创新思维和 领先技术,研发出多晶硅还原电源系统、多晶硅高压启动电源、单晶炉电源、多 晶铸锭炉电源、硅芯炉电源、区熔炉电源等产品,产品覆盖了硅材料制备的全程, 成为硅材料行业电源产品的领先企业,公司在行业市占率在 70%以上。近年来, 在多晶、单晶电源应用的基础上,公司也涉足了晶硅电池片生产设备电源应用领 域,对光伏行业的覆盖面进一步加大,该行业属于电源国产化替代,未来市场前 景良好,目前产品处于样机客户试用阶段。 充电桩业务打开新增长极。公司全资子公司四川蔚宇电气有限责任公司研发制造 新能源汽车充电桩,目前已经取得充电桩相关授权专利 30 余件。蔚宇电气开发 的“充电桩集成功率控制器”,通过创新设计,为长距离分散型充电站的运维服务 提供了高效的解决方案,开发的交流充电桩为国内首台通过美国 UL 认证的交流 充电桩产品。

  公司成立于 2012 年 5 月 9 日,是国家高新技术企业,主营业务为以超精密测控技 术为基础,研究、开发以及生产超精密测控设备部件、超精密测控设备整机并提 供相关技术开发服务,是国内领先的集成电路制造装备及其核心部件、精密/超精 密运动系统及相关技术供应商。 公司主要产品包括精密运动系统、静电卡盘和隔振器等超精密测控设备部件,以 及晶圆级键合设备、激光退火设备等超精密测控设备整机,以及上述部分主要产 品和纳米精度运动及测控系统的技术开发服务。 在超精密测控装备部件领域,公司产品主要包括精密运动系统、纳米精度运动及 测控系统及其他超精密测控装备部件。1)精密运动系统,是指精度达到微米或纳 米级别的定位与传输运动模组,其主要功能为承载被加工或被测量零部件实现精 密运动或定位,公司在半导体 AOI 领域开发的颗粒检测系统、缺陷检测系统等 多种型号运动平台已成功应用于中科飞测的高端晶圆 AOI 检测设备;2)纳米精 度运动及测控系统:主要功能承载晶圆按照指定的运动轨迹做高速超精密运动并 完成一系列曝光所需动作,包括上下片、对准、晶圆面型测量和曝光等;3)其他超 精密测控装备部件:公司生产的静电卡盘用以减少和消除由设备和安装基座间的 振动传递,在集成电路制造中是 PVD 设备、刻蚀机、离子注入机等高端装备的 核心部件。

  江丰电子是我国本土靶材的龙头企业,在半导体领域已具备一定的国际竞争力。 公司主营业务为超高纯金属材料的溅射靶材以及半导体产业装备机台的关键零 部件。 公司是国内靶材龙头企业,自成立以来专注于高纯金属溅射靶材的研发及生产。 高纯金属溅射靶材是半导体、平板显示器、太阳能电池等领域生产所需的关键材 料之一,是具有高附加值的功能性材料。超高纯溅射靶材包括铝靶、钛靶、钽靶、 铜靶以及各种超高纯金属合金靶材等,公司的这些产品主要应用于半导体、平板 显示器、太阳能电池等领域。在超大规模集成电路用高纯金属靶材领域,公司成 功打破美国、日本跨国公司的垄断格局,填补了国内电子材料行业的空白。目前, 公司生产的钽靶、钛靶、铝靶已经实现 5nm 技术节点的量产。

  公司生产的半导体设备零部件包括金属、陶瓷、树脂等多种材料经复杂工艺加工 而成的精密零部件,主要用于半导体芯片以及液晶面板生产线的机台,覆盖了包 括 PVD、CVD、刻蚀、离子注入以及产业机器人等应用领域。具体产品包括 1) PVD 机台用压环(Clamp Ring)、准直器(Collimator),2)CVD 、刻蚀机台用 零部件 face plate、气体喷淋头(shower head),3)化学机械研磨机台用金刚石研 磨片、保持环(Retaining Ring)等。 根据应用客户,公司生产的零部件可以分为两大类:一类应用于芯片生产设备制 造厂商,包括工艺零部件和腔体等;另一类应用于晶圆制造过程中的关键工艺零 部件。近年来,公司及时把握零部件的成长时机,努力扩大生产规模,目前已经 建成浙江余姚、上海奉贤、沈阳沈北三个零部件生产基地,在各基地建成了包括 超精密加工、特种焊接、表面处理、超级净化清洗等零部件生产的全工艺、全流 程的生产体系。目前,在半导体领域,公司已成为台积电、SK 海力士、中芯国际、 联华电子等全球知名半导体厂商的供应商。