半导体设备专题报告：刻蚀主赛道，有望加速导入国产设备

半导体工艺与设备 2021-11-18 11:05

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一、刻蚀：集成电路图形转移方式

刻蚀是用化学、物理、化学物理结合的方法有选择的去除（光刻胶）开口下方的材料。被刻蚀的材料包括硅、介质材料、金属材料、光刻胶。刻蚀是与光刻相联系的图形化处理工艺。刻蚀就是利用光刻胶等材料作为掩蔽层，通过物理、化学方法将下层材料中没被上层遮蔽层材料遮蔽的地方去掉，从而在下层材料上获得与掩膜板图形对应的图形。

湿法刻蚀：用液体化学剂去除衬底表面的材料。早期普遍使用，在 3um 以后由于线宽控制、刻蚀方向性的局限，主要用干法刻蚀。目前，湿法刻蚀仍用于特殊材料层的去除和残留物的清洗。

干法刻蚀：常用等离子体刻蚀，也称等离子体刻蚀，即把衬底暴露于气态中产生的等离子，与暴露的表面材料发生物理反应、化学反应。

刻蚀主要参数：刻蚀速率、均匀性、选择比（对不同材料的刻蚀速率比）、刻蚀坡面（各向异性、各向同性）

应用最广泛的刻蚀设备是 ICP 与 CCP，技术发展方向是原子层刻蚀（ALE）。

电容性等离子体刻蚀 CCP：能量高、精度低，主要用于介质材料刻蚀（形成上层线路） ——诸如逻辑芯片的栅侧墙、硬掩膜刻蚀、中段的接触孔刻蚀、后端的镶嵌式和铝垫刻等，以及 3D 闪存芯片工艺（氮化硅/氧化硅）的深槽、深孔和连线接触孔的刻蚀等。

电感性等离子体刻蚀 ICP：能量低、精度高，主要用于硅刻蚀和金属刻蚀（形成底层器件）——硅浅槽隔离（STI）、锗（Ge）、多晶硅栅结构、金属栅结构、应变硅（Strained-Si）、金属导线、金属焊垫（Pad）、镶嵌式刻蚀金属硬掩模和多重成像技术中的多道刻蚀工艺。

ALE：技术发展方向，能精确刻蚀到原子层（约 0.4nm），具有超高刻蚀选择率。应用广泛。

光刻技术中许多先进制程涉及多重图形技术。即使是 EUV，波长为 13.5nm，要实现 7nm 的精度，仍需要依靠多重图形技术，即多次刻蚀。因此制程升级，精度越高，需要的刻复杂度、步骤数量也在提升。所以刻蚀设备和化学薄膜设备成为更关键的设备。

产业发展趋势：

（1）0.13um 工艺的铜互连技术出现时（300mm 时代），金属刻蚀比例下降，介质刻蚀的比例大幅上升。

（2）30nm 之后的，多重图像技术、软刻蚀应用的提升，硅刻蚀（ICP）的占比快速提升。

（3）数十层的金属互联层（后道工艺，BEOL），精度一般在 20nm 以上的以 CCP 设备为主；CMOS 核心器件（前道工艺，FEOL）线宽比较少，往往使用 20nm 以下的 ICP备。

（4）EUV 在 foundry/DRAM 的采用，使得刻蚀步骤减少；3D Nand 采用，使得刻蚀步骤增多，高深宽比刻蚀需求增多。

二、刻蚀需求不断增长，海外龙头占据寡头垄断

2020 年全球半导体设备市场规模创 700 亿美元新高，大陆首次占比全球第一。根据 SEMI，2020 年半导体设备销售额 712 亿美元，同比增长 19%，全年销售额创历史新高。大陆设备市场在 2013 年之前占全球比重为 10%以内，2014~2017 年提升至 10~20%， 2018 年之后保持在 20%以上，份额呈逐年上行趋势。2020 年，国内晶圆厂投建、半导体行业加大投入，大陆半导体设备市场规模首次在市场全球排首位，达到 181 亿美元，同比增长 35.1%，占比 26.2%。2021~2022 年，存储需求复苏，韩国预计将领跑全球，但大陆设备市场规模有望保持较高比重。

半导体设备行业产值具有高增长、高波动性。半导体设备行业呈现明显的周期性，受下游厂商资本开支节奏变化较为明显。根据 SEMI 数据，从长周期而言半导体行业复合增速约 10%，半导体设备行业复合增速约 13%，半导体设备行业增长弹性高于半导体行业。

刻蚀设备市场超过 130 亿美元，是晶圆设备占比最高的市场。2011 年以来，刻蚀在晶圆设备的占比从 11%逐渐提升到 20%以上，2017 年起成为全球晶圆设备中占比最高的装备类别，重要性不断提升。刻蚀设备市场基本是干法刻蚀设备，2020 年全球干法刻蚀设备市场约 137 亿美元，其中介质刻蚀（Dielectric Etch）60 亿美元，导体刻蚀（Conductor Etch）76 亿美元。

刻蚀由海外龙头主导，国内公司保持快速增长。根据 Gartner 数据，全球刻蚀企业前三大分别是 Lam Research、TEL、AMAT，全球市占率合计 91%。国内刻蚀业务前三大企分别为中微公司、北方华创、屹唐半导体。根据三方数据，2020 年国内的刻蚀龙头企业中微公司、北方华创的刻蚀业务都取得较高收入增长，并在规模体量逐步接近全球前五大厂商。

从导体刻蚀市场结构看，Lam 一家独大，长期全球市占率超过 50%；其次 AMAT 占据约 30%市场份额。剩下的厂商如日立高新、TEL、KLA、北方华创、SEMES、中微公司等公司合计，在导体刻蚀合计市占率不超过 20%。近两年，国内设备龙头厂商北方华创、中微公司该产品线放量加速，逐步提高半导体设备刻蚀供应链份额。

从介质刻蚀市场结构看，TEL 一家独大，长期全球市占率超过 50%；其次 Lam 占据接近 40%的市场份额，两家厂商主导整个市场，寡占程度较强。全球介质刻蚀设备供应商还有 SEMES、中微公司、AMAT、Ulvac、屹唐半导体等。中微公司开发了系列介质刻蚀装备，并承担多项重大科研项目，是国内领先的介质刻蚀设备厂商。

根据我们的估算，中国大陆刻蚀市场需求预计在 200 亿元以上，国产化率在 20%以内，仍具有较大的替代空间。

三、国内晶圆设备需求放量，国产刻蚀设备加速导入

国内刻蚀厂商加速导入。跟踪国内晶圆厂主要招投标数据，刻蚀设备需求工艺类别较多，绝大多数由海外龙头厂商供应，国内龙头公司北方华创、中微公司、屹唐半导体处于加速导入过程。以长江存储、华虹无锡、华力集成的招投标数据进行分析，这三家晶圆厂的刻蚀环节上，国内设备产线的国产化率（以机台数量计算）平均约为 20~30%。

以 Lam Research 为例，在长江存储的 Nand Flash 产线上，仅仅刻蚀机一个品类，供应的设备量多达 40 种不同工艺环节，其中多数工艺环节设备具有独占性，尤其是刻蚀高深宽比的深孔、深沟等环节工艺。排除没有做分类的中标机台，长江存储已经公告中标机台涉及的刻蚀工艺类别多达 80~90 种。

以长江存储的中标信息看，北方华创在刻蚀领域布局集中于硅刻蚀，设备品类对标 Lam，仍具有较大潜力空间。

以长江存储的中标信息看，中微公司刻蚀设备种类范围较多，主要布局介质刻蚀领域。

相应的，我们以长江存储、华虹无锡、华力集成的招投标数据进行分析，这三家晶圆厂的刻蚀环节上，国内设备产线的国产化率（以机台数量计算）平均约为 20~30%。

四、全球龙头 Lam Research，百亿美元收入规模

Lam Research 公司历史：1980 年成立，1981 年推出刻蚀设备 AutoEtch，1984 年达斯达克上市，1992 年推出业内首款 ICP 设备。Lam Research 在 80 年代是 AMAT CCP 技术的追随者，90 年代成为 ICP 技术的引领者。2014 年，公司在原有的 Flex 系列 CCP 设备加入混合脉冲技术，局部改进实现 ALE 功能，进一步引领产业技术方向。

全球刻蚀行业龙头企业 Lam Research，盈利能力较强，研发投入程度高。2020 年， Lam 营业收入 100.4 亿美元，毛利额 46.1 亿美元，营业利润额 26.7 亿美元，净利润 22.52 亿美元。此外，公司研发费用 12.5 亿元，研发费用占比约 12.5%。2020 年，公司 ROE 为 45.7%。Lam 在 2020Q4 和 2021Q1 营业收入连续创新高，2021Q1 单季度营业收入 38.5 亿美元，同比增长 54%；净利润 10.7 亿美元，同比增长 86%。

全球半导体设备龙头企业，以刻蚀、CVD 产品线为主。Lam 产品主要是刻蚀+沉积。公司作为全球刻蚀设备龙头企业，2020 年全球刻蚀市占率为 54%。我们根据全球市占率公司报表估算，2020 年公司收入中约 65%为刻蚀，25%为 CVD。

下游应用上存储占比高，中国大陆是其最重要的市场之一。公司营业收入 2021Q1 按下游应用划分：31% foundry、48% NVM、14% DRAM。以此来看，公司存储产业弹性更高，在存储资本开支恢复上行周期里，受益程度更深。公司营业收入 2021Q1 按区域划分，中国大陆占据 32%，韩国占据 31%，中国台湾占据 14%，为其前三大市场。

Lam Research 核心设备产品线包括诸如：（1）FLEX（2004）：3D Nand 高深宽比 ALE 刻蚀；（2）Kiyo（2004）：DRAM 浅栅槽刻蚀 ALE；（3）Syndion：CMOS 和 HBM 刻蚀；（4）ALTUS：3D Nand 和 DRAM 的 ALD；（5）Vector：硬掩膜 ALD、3D Nand 多层沉积。

持续外延并购，补全产品线及技术覆盖。1997 年收购 On Trak Systems（CMP 清洗设备）；2006 年收购 Bullen Semiconductor（腔室关键部件）；2008 年收购 SEZGA（单晶圆清洗设备、湿法刻蚀）；2012 年收购 Novellus（沉积、CMP）；2017 年收购 Conventor（仿真与建模软件）。

五、国内龙头：北方华创、中微公司刻蚀设备快速放量

北方华创是国内领先的半导体高端装备及一体化解决方案供应商。公司深耕于芯片制造刻蚀领域、薄膜沉积领域近 20 年，现已成为国内领先的半导体高端工艺装备及一站式解决方案的供应商。公司立足半导体装备、真空装备、新能源锂电装备及精密元器件构成公司四大核心事业集群，半导体设备品类国内最为完备，客户覆盖中芯国际、华虹、三安光电、京东方等各产业链龙头，营销服务辐射欧、美、亚等全球主要国家和地区。

北方华创 ICP 刻蚀机领域国内领先，金属刻蚀 8 英寸打破国外垄断，12 英寸突破 28nm 以下制程。北方华创 2005 年第一台 8 英寸 ICP 刻蚀机在客户端显，12 英寸刻蚀机在客户端 28nm 实现国产替代，2020 年 12 月，北方华创 ICP 刻蚀机交付突破 1000 腔，标志着国产刻蚀机得到客户广泛认可。

2017 年公司 8 英寸铝金属刻蚀机进入国内主流代工厂生产线，独特的腔室结构和温度控制设计，可大幅提升了设备的稳定性、重复性和生产工艺水平，打破了国际厂商长期垄断 8 英寸刻蚀机的局面；同时公司推出 12 英寸 TiN 硬掩膜刻蚀机，可应用于 28-14nm 逻辑制程中。2016 年自主研发的国内首台应用于 14nm 制程的 ICP 刻蚀机 NMC612D 进入上海集成电路研发中心，正式迈入 14nm 刻蚀工艺。

中微公司是国内领先、世界排名前列的半导体高端设备制造商。公司主营业务是刻蚀设备和 MOCVD。刻蚀机用于半导体制程，客户涵盖台积电、中芯国际、海力士、华力微、联华电子、长江存储等；MOCVD 用于 LED 外延片制程，客户涵盖三安、华灿、乾照等。

中微公司刻蚀产品线逐步成熟，从 CCP 向 ICP 快速开拓。中微公司 CCP 刻蚀设备应用于国际一线客户从65nm到5nm、64层及128层3D NAND晶圆产线及先进封装生产线，中微公司 ICP 刻蚀设备已经趋于成熟，在 10 家客户生产线进行验证，并逐步取得客户的重复订单。中微公司 CCP 刻蚀设备包括双反应台 Primo AD-RIE 和单反应台的 HD-RIE，覆盖了 65 纳米、45 纳米、32 纳米、28 纳米、22 纳米、14 纳米、7 纳米到 5 纳米关键尺寸的众多刻蚀应用；中微公司的 ICP 设备 Nanova 已经累计交付 100 台反应腔，在领先的逻辑芯片、DRAM 和 Nand 厂商产线实现大规模量产。

屹唐股份拥有干法刻蚀设备 paradigmE 系列，采用专有的法拉第屏蔽电感耦合等离子 (ICP) 源与蚀刻偏臵控制相结合，设备采取双晶圆反应腔、双反应腔产品平台设计，主要可用于 65 纳米到 5 纳米逻辑芯片、10 纳米系列 DRAM 芯片以及 32 层到 128 层 3 闪存芯片制造中若干关键步骤的大规模量产。

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