越制裁，越強大！重要性比肩光刻機的刻蝕設備——北方華創(chuàng)

美日荷相繼加大對華半導體設備出口限制，國產(chǎn)替代迫在眉睫。盡管中國是全球最大半導體消費市場，但本土化缺口明顯，2023 年芯片自產(chǎn)率僅 20%、半導體設備國產(chǎn)化率為 35%、高端刻蝕機等關鍵領域國產(chǎn)化率不足 10%。隨著國產(chǎn)晶圓廠的逆勢擴張、海外制裁趨緊，本土半導體設備廠商有望擴大份額，預計2025年國產(chǎn)化率將達50%。

前面文章我們分析了國產(chǎn)半導體設備龍頭之一的中微公司，今天我們繼續(xù)深入研究半導體設備公司中實力排名第一的公司北方華創(chuàng)。在集成電路核心裝備領域，公司成功研發(fā)出高密度等離子體化學氣相沉積（HDPCVD）、雙大馬士革 CCP 刻蝕機、立式爐原子層沉積 （ALD）、高介電常數(shù)原子層沉積（ALD）等多款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高端設備，并在多家客戶端實現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)，獲得客戶的一致好評。

一、公司介紹

2001 年七星電子成立，主營產(chǎn)品為集成電路制造設備（包括擴散/氧化爐、清洗機、氣體質(zhì)量流量計）、混合集成電路、電子元件，應用在集成電路、 太陽能、平板顯示、MEMS 等領域。同年北方微電子成立，主營半導體刻蝕、PVD、CVD 設備等，應用在集成電路、先進封裝、半導體照明、MEMS 等領域。2010 年，七星電子（002371.SZ）在深交所上市，2016 年，七星電子與北方微電子重組，成立了北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司，隨后推出新品牌“北方華創(chuàng)” （NAURA）。

1.1、發(fā)展階段

第一階段（2016 年以前）： 2001 年，七星電子（由六家國營廠整合而成）、北方微電子成立，分別從事集成電路、電子元器件及高端半導體裝備業(yè)務。

第二階段（2016-2017 年）： 2016 年，公司在北京市國資委主導下，由北京電控牽頭七星電子、北方微電子重組合并，并擔任最大股東，持股比例至今穩(wěn)定在 40%以上。2017 年，公司更名為北方華創(chuàng)，成功實現(xiàn)業(yè)務整合并構(gòu)建三大板塊，國內(nèi)泛半導體裝備“平臺型”企業(yè)初成。

第三階段（2017 年以后）： 2017 年以后，公司開啟外延并購之路，先后于 2018、2020、2023 年成功收購美國 Akrion、北廣科技、北京丹普，完善其在清洗設備、射頻技術(shù)應用、鍍膜設備方面的產(chǎn)品擴充，增強平臺化競爭能力。

1.2、股東情況

公司為北京國資委下的半導體設備公司，大基金一期二期均持有公司股份。截至 2024 年三季度，北京電子控股有限責任公司持有七星集團 100%股權(quán)，直接持有公司 9.37%的股份，并通過七星集團間接持有 33.43%的股權(quán)，合計持有公司42.8%的股權(quán)，為公司實際控制人。此外，大基金（國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金股份有限公司）一期和二期分別持有公司 5.39%和 0.93%的股份。

1.3、業(yè)務布局及客戶

集成電路方面，公司客戶幾乎涵蓋所有國內(nèi)主流晶圓廠，如中芯國際、華虹半導體、長江存儲、長鑫存儲等；半導體顯示和照明方面，公司客戶包括京東方、三安光電、華燦光電等；半導體新能源方面，公司客戶包含隆基綠能、晶澳太陽能等光伏龍頭企業(yè)。

圖|北方華創(chuàng)業(yè)務布局

來源：公司公告

二、半導體設備及趨勢

集成電路制造工藝繁多復雜，其中光刻、刻蝕和薄膜沉積是半導體制造三大核心工藝。據(jù) Gartner 統(tǒng)計，2022年，全球晶圓制造設備中，刻蝕機、薄膜沉積設備和光刻機的價值量占比位列前三，分別占據(jù)晶圓制造設備價值量的 22%、22%和 17%，其后分別為工藝控制、成批清洗、顯影洗像、化學機械拋光、離子注入和氧化退火等設備。

2.1、刻蝕設備

以刻蝕設備為例，刻蝕技術(shù)需要在納米級別上實現(xiàn)極高的精度和控制，使得公司需要持續(xù)投資研發(fā)，以應對不斷縮小的工藝節(jié)點和新材料的應用，例如從 10 納米到 7 納米、5 納米甚至更小的制程，以及 3D 結(jié)構(gòu)器件的制造。

干法刻蝕

干法刻蝕是使用氣體作為主要刻蝕材料，不需要液體化學品沖洗，具備各向異性和高工藝可控性。受多重掩膜工藝和 3D 結(jié)構(gòu)閃存的推動，干法刻蝕設備在過去十年成為增長最快的半導體設備。目前，已基本在先進制程中取代濕法刻蝕，市場份額超過 90%。根據(jù)刻蝕材料類型，主要分為介質(zhì)刻蝕、硅刻蝕和金屬刻蝕。

介質(zhì)刻蝕通常使用電容耦合等離子體刻蝕機（CCP），用于制作接觸孔、通孔和凹槽；硅、金屬刻蝕則多采用電感耦合等離子體刻蝕機（ICP），主要用于制造柵極和器件隔離溝槽。

? ? ? ? 圖|電容性等離子體刻蝕反應腔? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖|電感性等離子體刻蝕反應腔

來源：中微公司公告

2.2、薄膜沉積

薄膜沉積是在硅片等襯底上沉積薄膜材料的過程，主要包括二氧化硅、氮化硅、多晶硅等非金屬及銅等金屬，薄膜厚度通常在幾微米至幾納米之間。薄膜沉積設備是半導體制造的核心設備，價值量占比 21%，包括 PVD（物理氣相沉積）設備、CVD（化學氣相沉積）設備和 ALD（原子層沉積）設備。

PVD設備

PVD（物理氣相沉積）：是基于物理機制的薄膜沉積技術(shù)，過程不涉及化學反應，適合沉積金屬材料。PVD 設備能夠?qū)崿F(xiàn)快速的沉積速率和精確的厚度控制， 所制備的薄膜具有良好的致密性、強粘結(jié)力和高純度，因此是目前半導體工業(yè)所大量采用的薄膜制作方式。北方華創(chuàng)在國內(nèi) PVD 領域處于領先地位。

CVD設備

CVD（化學氣相沉積）：是通過化學反應的方式，在氣相或氣固界面上將氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學物質(zhì)轉(zhuǎn)化為固態(tài)沉積物的技術(shù)。常見的 CVD 設備包括 PECVD、 SACVD、APCVD 和 LPCVD，其中 PECVD 因其低溫和快速沉積的優(yōu)點，在薄膜沉積設備中占據(jù)主要地位，2023 年占比 33%。國內(nèi)主要的薄膜沉積設備制造商包括拓荊科技，專注于 PECVD 和 SACVD；北方華創(chuàng)，專注于 LPCVD 和 EPI；中微公司，專注于 LPCVD；以及盛美上海，正在研發(fā) PECVD，預計即將送入客戶端。

ALD設備

ALD（原子層沉積）：是一種逐層沉積技術(shù)，能夠在復雜基底上實現(xiàn)全覆蓋，與 CVD 相似。ALD 設備制備的薄膜具備高深寬比和極窄溝槽開口的優(yōu)異臺階覆蓋率，因此在結(jié)構(gòu)復雜、薄膜厚度要求精準的先進邏輯芯片、DRAM 和 3D NAND 中具有重要意義。競爭格局方面，ALD 作為新興工藝，參與者較多，2023 年 TEL、ASML 合計占據(jù)約 60%的市場份額。國內(nèi)市場集成電路方面，拓荊科技較為領先，盛美上海、北方華創(chuàng)和中微公司也均有布局。

圖|PVD、CVD、ALD 薄膜沉積效果示意圖

來源：微導納米招股書

2.3、發(fā)展趨勢

近年來，隨著半導體制程技術(shù)的不斷演進，存儲芯片多層結(jié)構(gòu)設計的廣泛應用，半導體設備需求顯著增長，尤其是在刻蝕和薄膜沉積設備領域，呈現(xiàn)出前所未有的市場機遇。

（1）線寬關鍵尺寸微縮，多重模板工藝帶動刻蝕步驟增加。

隨著集成電路芯片制造工藝的不斷演進，先進制程下光刻機受到波長限制，14 nm 及以下的邏輯芯片需要采用多重圖案化技術(shù)，通過多次薄膜沉積及刻蝕工序?qū)崿F(xiàn)更小線寬，使得刻蝕等相關設備的加工步驟增多。

圖|10 納米多重模板工藝原理，涉及更多次刻蝕

來源：中微公司公告

相同產(chǎn)能下，半導體設備投資額隨制程節(jié)點先進程度提升而大幅增長。據(jù)半導體行業(yè)觀察數(shù)據(jù)顯示，14nm 制程所需要使用的刻蝕步驟達到 64 次，較 28nm 提升 60%；7nm 制成所需刻蝕步驟更是高達 140 次，較 14nm 提升 119%。 需要指出的是，由于各大 Fab 廠商對制程尺寸的定義和設計存在差異，因此在相同制程工藝下，不同產(chǎn)品所使用的刻蝕次數(shù)并不具備完全的可比性。

（2）芯片結(jié)構(gòu) 3D 化，薄膜沉積及高縱橫比蝕刻成為關鍵步驟。

隨著 2D 晶體 管尺寸微縮觸及物理極限，存儲器技術(shù)由二維轉(zhuǎn)向三維架構(gòu)。據(jù)中研網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示， 截至 2022 年，3D NAND 閃存滲透率已超過 70%，預計到 2025 年有望達 97.5%。

圖|存儲器3D 技術(shù)

來源：中微公司公告

技術(shù)層面分析，3D NAND 通過多層垂直堆疊，成功解決了容量增加導致的性能下降問題，但也要求刻蝕技術(shù)實現(xiàn)更高的深寬比、每層堆疊均需要經(jīng)歷薄膜沉積工藝。在由 64 層至 196 層的 3D NAND 產(chǎn)線升級過程中，刻蝕設備投資占比從 22%增加至 25%。目前以美光、SK 海力士為代表的主流 3D NAND 廠商堆疊層數(shù)不斷提升， 已跨越 232 層，并向 300 層以上邁進。

三、產(chǎn)品介紹

北方華創(chuàng)電子工藝裝備主要包括半導體裝備、真空裝備和新能源鋰電設備，電子元器件主要包括電阻、電容、晶體器件、模塊電源、微波組件等。

圖|北方華創(chuàng)產(chǎn)品及占比

來源：公司公告

2.1、設備

北方華創(chuàng)的設備可供在集成電路、先進封裝、功率半導體、化合物半導體、LED、光伏六大下游的客戶使用：

2.1.1、集成電路領域

針對 Logic、DRAM、3D NAND、3D IC 等不同的芯片技術(shù)，北方華創(chuàng)可提供等離子刻蝕機、PVD、CVD、ALD、爐管和清洗等設備，并均已進入主流芯片工廠。幫助客戶提升工藝性能、擴大產(chǎn)能、降低成本，為集成電路領域提供核心工藝裝備解決方案。

圖|集成電路領域產(chǎn)品

來源：與非研究院整理

2.1.2、先進封裝領域

在先進封裝領域，北方華創(chuàng)提供關鍵設備及工藝解決方案，設備主要包括干法刻蝕設備、物理氣相沉積設備、去膠機、 聚酰亞胺（Polyimide，簡寫為 PI）固化爐以及濕法清洗設備，應用于覆晶封裝（Flip-Chip）、硅通孔封裝（TSV）、 扇出型封裝（Fan-Out）、焊料凸起型封裝（Solder Bump）、銅凸塊封裝（Copper Pillar）、金凸塊封裝（Gold Bump）、2.5D/3D 體封裝、芯粒（Chiplet）等先進封裝方式。

圖|先進封裝領域產(chǎn)品

來源：與非研究院整理

2.1.3、功率半導體領域

在功率半導體領域，公司自主研發(fā)的刻蝕機、物理氣相沉積設備、立式爐設備、清洗機、單/ 多片式硅外延設備以及臥式氧化/ 擴散爐已獲得多家功率器件客戶的認可和批量采購。 在化合物半導體領域（GaN、SiC、GaAs、InP 等），公司可提供長晶爐、干法刻蝕設備、薄膜設備、爐管設備、清洗設備，為客戶提供全面的工藝解決方案。

圖化合物半導體領域產(chǎn)品

來源：與非研究院整理

2.1.4、半導體照明領域

在半導體照明領域，北方華創(chuàng)的 ICP 刻蝕機、PECVD、Sputter 等均為行業(yè)標桿產(chǎn)品，可應用于新一代 Mini-LED 和 Micro-LED 制程。北方華創(chuàng)在 LED 領域持續(xù)研發(fā)，憑借優(yōu)越的產(chǎn)品性能以及創(chuàng)新的技術(shù)理念，致力于成為客戶信賴的設備解決 方案提供商。

2.1.5、光伏電池制造領域

在光伏電池制造領域，北方華創(chuàng)可提供三大類共 20 余款設備，包括臥式氧化/ 擴散爐、PECVD、LPCVD 等設備。設備技術(shù)指標及工藝性能均表現(xiàn)突出，具有高產(chǎn)出、高效能、高穩(wěn)定性的特點，并可靈活應用于典型量產(chǎn)工藝及 IBC、HJT/HIT 等多種新興高效電池生產(chǎn)工藝中。

圖|新能源光伏領域產(chǎn)品

來源：與非研究院整理

2.1.6、真空熱處理領域產(chǎn)品

熱處理作為裝備制造業(yè)的重要組成部分，在關鍵基礎工藝中發(fā)揮著愈加重要的作用。北方華創(chuàng)深耕高壓、高溫、高真空技術(shù)， 研發(fā)的真空熱處理設備、氣氛保護熱處理設備、連續(xù)式熱處理設備、鍍膜設備等高端熱處理工藝裝備，廣泛應用于先進熱 處理、真空電子、新能源光伏、半導體材料、磁電材料等領域，提供高效、節(jié)能、環(huán)保的真空熱處理裝備及工藝解決方案。

圖|真空熱處理領域產(chǎn)品

來源：與非研究院整理

2.2、電子元器件

推動元器件向小型化、集成化、高精密方向發(fā)展，研發(fā)的石英晶體器件、石英微機電傳感器、精密電阻器、新型電容器、 微波組件、模擬芯片、模塊電源等產(chǎn)品，應用于電力電子、鐵路交通、智能電網(wǎng)、精密儀器、自動控制等領域，為客戶打造高端精密電子元器件技術(shù)、產(chǎn)品、服務一體化的專業(yè)解決方案。

2.2.1、模擬鏈路產(chǎn)品

模擬鏈路產(chǎn)品采用國內(nèi)先進半導體工藝制程，結(jié)合先進塑封技術(shù)和高可靠金屬陶瓷封裝技術(shù)，設計并制造了一系列具有代表性的模擬芯片。產(chǎn)品種類多樣，具有適用溫度范圍寬和高可靠等優(yōu)勢，主要應用于通信、汽車、鐵路及電力等領域。

2.2.2、高可靠封裝外殼

高可靠封裝外殼采用先進的多層高溫共燒陶瓷或金屬玻璃高溫封接技術(shù)，具有體積小、重量輕、封裝密度高、集成度高、導熱性能好、電性能參數(shù)優(yōu)異、高頻性能佳等優(yōu)勢。目前已廣泛應用于單片集成電路、光電探測和光通信、微波通信模塊、射頻微系統(tǒng)、光電微系統(tǒng)、汽車電子等領域。

2.2.3、硅電容器

硅電容器采用半導體工藝和微機電系統(tǒng)（MEMS）工藝相結(jié)合的技術(shù)，在微納米尺度進行 3D 結(jié)構(gòu)電容制備，增加電容表面積獲得高容量密度并且具有極低的失效率。目前已應用于光通信、射頻微波、 2.5D/3D 先進封裝、汽車電子、高速通信等領域，硅電容器憑借穩(wěn)定性高和優(yōu)良的性能正逐步取代陶瓷電容。

2.3、產(chǎn)能情況

在“缺芯潮”、“擴產(chǎn)潮”的背景下，北方華創(chuàng)于2019 年定向增發(fā) 20 億元，2021 年再次定向增發(fā) 85 億元。主要用于：1）滿足國內(nèi)半導體設備自主化迫切需求，緩解產(chǎn)能瓶頸；2）布局 5/7nm 先進制程，把握發(fā)展契機。

四、財務分析

4.1、營收和利潤分析

圖|營收變化及同比%

來源：與非研究院整理

2004-2015年，公司重組前，業(yè)務增長緩慢，截至 2015 年營業(yè)收入為 8.54 億元。2016 年重組后，憑借中國半導體設備國產(chǎn)替代背景，公司加速平臺化發(fā)展，業(yè)績表現(xiàn)飛速增長。2016-2023 年，公司營收由16.22億元提升至 220.8 億元，營收的CAGR約為 81.59%。

2024 年 1-9 月營收為 203.53億元，比上年同期增加 39.51%。

圖|扣非凈利潤變化及同比%

來源：與非研究院整理

2016-2023 年，公司歸母凈利潤從0.93億元提升至 39 億元，歸母凈利潤的CAGR約為 64.37%；扣非凈利潤從 -2.61億元提升至 35.8 億元。

2016-2023年持續(xù)增長，主要因為：1）半導體行業(yè)快速發(fā)展及國產(chǎn)替代需求的爆發(fā)；2）下游航空航天等高精尖應用領域的拉動，公司收入、業(yè)績實現(xiàn)高速增長。

2024 年 1-9 月，扣非凈利潤為 42.66億元，比上年同期增加 61.58%。主要原因是：公司電子工藝裝備收入增長較快，成本費用率下降。

4.2、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及毛利率

圖|2007-2015分產(chǎn)品占比%

來源：與非研究院整理

2007-2015年重組之前，公司營收分為電子元件、電子裝備、其他業(yè)務和其他主營等，電子裝備又分為集成電路制造設備、混合集成電路設備。

電子元件比例先降低后上升，2007-2011年由32.06%至20.93%；2012-2015年由27.68%提升至46.84%。集成電流制造設備比例先上升后下降，2007-2011年由42.18%提升至70.35%；2012-2015年，由62.38%下降至36.14%。

圖|2007-2015分產(chǎn)品毛利率%

來源：與非研究院整理

毛利率方面：電子元件毛利率持續(xù)攀升，由2007年34.93%提升至2015年的58.75%；集成電流制造設備先升后降低，由2007年29.19%提升至2013年的33.54%，2014年下降至20.59%，2015年恢復至25.90%；混合集成電路設備由2007年的24.93%降低至2008年的20.20%，2009年后持續(xù)攀升至2015年44.91%。

圖|2016-2024H1分產(chǎn)品占比%

來源：與非研究院整理

2016年重組以后，業(yè)務分為電子裝備和電子元件，2016-2017電子裝備年后分為半導體設備、真空設備、鋰電設備。2016-2017年電子元器件比例為37.47%、34.32%，半導體設備比例分別為50.11%、51.01%，真空設備比例分別為5.44%、9.04%，鋰電設備占比分別為5.89%、4.52%，其他業(yè)務收入比例分別為1.08%、1.12%。

2018-2024H1，公司業(yè)務主要分為電子裝備、電子元器件和其他業(yè)務。電子裝備行業(yè)比例由75.85%提升至92.39%，電子元器件比例由23.69%降低至7.48%，其他業(yè)務占比不足0.5%。

圖|2016-2024H1分產(chǎn)品毛利率%

來源：與非研究院整理

重組后的毛利率方面：電子元件毛利率持續(xù)攀升，由2016年44.56%提升至2022年的72.53%；2023-2024H1出現(xiàn)下降，分別為65.65%、55.90%。

2018年-2020年電子裝備毛利率出現(xiàn)下降，由34.72%降低至29.44%；2021年后由33%提升至2024H1的44.63%。

4.3、研發(fā)投入情況

圖|2014-2024H1研發(fā)投入及占比

來源：與非研究院整理

公司研發(fā)投入持續(xù)增長，2014、2015年比較緩慢，分別為2.31億元、2.48億元；2016年重組后研發(fā)投入大幅增長，2016-2023年分別為7.58億元、7.36億元、8.73億元、11.37億元、16.08億元、28.92億元、35.66億元、44.10億元。2024 年上半年，北方華創(chuàng)研發(fā)投入 22.42億元，同比增長 47.97%。

2016-2024H1研發(fā)投入占營收的比例分別為46.72%、33.13%、26.28%、28.03%、26.56%、29.87%、24.28%、19.97%、20.53%。海外設備龍頭應用材料、泛林半導體近年來研發(fā)費率均在 10%左右，公司研發(fā)費用率是海外龍頭2倍以上水平。

圖|2016-2024H1研發(fā)人員數(shù)量及占比

來源：與非研究院整理

2016-2018年，研發(fā)人員數(shù)量緩慢增長分別為1079人、1102人、1170人，2019年小幅降低至1121人，2020-2023年研發(fā)人員數(shù)量大規(guī)模增長，分別為1415人、2044人、2929人、3656人。研發(fā)人員數(shù)量占比先降低后增長，由2016年30.77%降低至2020年最低23.67%，2021-2023年恢復增長，由25.07%提升至30.44%。

截至 2024 年上半年，公司累計 申請專利已超過 8,300 件，獲得授權(quán)專利超過 4,900 件，多項核心技術(shù)獲得行業(yè)認可。

研發(fā)進展

近年來，公司發(fā)布了多款新品，包括 12 英寸去膠機 ACE i300，12 英寸電容耦合等離子體介質(zhì)刻蝕機 Accura LX， 等離子體增強氮化硅原子層沉積立式爐等。其中，12 英寸電容耦合等離子體介質(zhì)刻 蝕機Accura LX主要覆蓋邏輯領域多個技術(shù)節(jié)點中以AIO （雙大馬士革刻蝕工藝）、 Contact （接觸孔）為代表的關鍵介質(zhì)刻蝕制程，并可擴展到存儲領域的 CMOS 相 關制程，適用于 Low-K（低介電常數(shù)）介質(zhì)及常規(guī)介質(zhì)材料的刻蝕工藝。

圖|公司研發(fā)進展

來源：與非研究院整理

五、總結(jié)

北方華創(chuàng)作為國內(nèi)泛半導體設備領域龍頭企業(yè)，公司在半導體設備品類布局全面，業(yè)務涵蓋集成電路、面板、光伏、鋰電等多個領域，研發(fā)投入占比超越國際大廠，有望受益半導體行業(yè)景氣反轉(zhuǎn)和半導體設備國產(chǎn)替代大趨勢。

目前，核心集成電路設備的國產(chǎn)化率不足 10%，其中，刻蝕機的國產(chǎn)化率達到 20%。從競爭格局來看，國內(nèi)刻蝕設備起步時間相對較晚，市場集中度較高，主要由海外龍頭壟斷。2021 年國際刻蝕龍頭泛林半導體、東京電子、應用材料市占率合計達 91%，北方華創(chuàng)和中微作為國產(chǎn)半導體刻蝕設備龍頭公司，市占率仍小于 5%，替代空間廣闊。