半導體設備專題報告：刻蝕主賽道，有望加速導入國產設備

刻蝕是用化學、物理、化學物理結合的方法有選擇的去除（光刻膠）開口下方的材料。被刻蝕的材料包括硅、介質材料、金屬材料、光刻膠。刻蝕是與光刻相聯系的圖形化處 理工藝。刻蝕就是利用光刻膠等材料作為掩蔽層，通過物理、化學方法將下層材料中沒被上層遮蔽層材料遮蔽的地方去掉，從而在下層材料上獲得與掩膜板圖形對應的圖形。
濕法刻蝕：用液體化學劑去除襯底表面的材料。早期普遍使用，在 3um 以后由于線寬控 制、刻蝕方向性的局限，主要用干法刻蝕。目前，濕法刻蝕仍用于特殊材料層的去除和 殘留物的清洗。
干法刻蝕：常用等離子體刻蝕，也稱等離子體刻蝕，即把襯底暴露于氣態中產生的等離 子，與暴露的表面材料發生物理反應、化學反應。
刻蝕主要參數：刻蝕速率、均勻性、選擇比（對不同材料的刻蝕速率比）、刻蝕坡面（各 向異性、各向同性）
應用最廣泛的刻蝕設備是 ICP 與 CCP，技術發展方向是原子層刻蝕（ALE）。
電容性等離子體刻蝕 CCP：能量高、精度低，主要用于介質材料刻蝕（形成上層線路） ——諸如邏輯芯片的柵側墻、硬掩膜刻蝕、中段的接觸孔刻蝕、后端的鑲嵌式和鋁墊刻等，以及 3D 閃存芯片工藝（氮化硅/氧化硅）的深槽、深孔和連線接觸孔的刻蝕等。
電感性等離子體刻蝕 ICP：能量低、精度高，主要用于硅刻蝕和金屬刻蝕（形成底層器 件）——硅淺槽隔離（STI）、鍺（Ge）、多晶硅柵結構、金屬柵結構、應變硅（Strained-Si）、 金屬導線、金屬焊墊（Pad）、鑲嵌式刻蝕金屬硬掩模和多重成像技術中的多道刻蝕工藝。
ALE：技術發展方向，能精確刻蝕到原子層（約 0.4nm），具有超高刻蝕選擇率。應用廣 泛。
光刻技術中許多先進制程涉及多重圖形技術。即使是 EUV，波長為 13.5nm，要實現 7nm 的精度，仍需要依靠多重圖形技術，即多次刻蝕。因此制程升級，精度越高，需要的刻復雜度、步驟數量也在提升。所以刻蝕設備和化學薄膜設備成為更關鍵的設備。
產業發展趨勢：
（1）0.13um 工藝的銅互連技術出現時（300mm 時代），金屬刻蝕比例下降，介質刻蝕 的比例大幅上升。
（2）30nm 之后的，多重圖像技術、軟刻蝕應用的提升，硅刻蝕（ICP）的占比快速提 升。
（3）數十層的金屬互聯層（后道工藝，BEOL），精度一般在 20nm 以上的以 CCP 設備 為主；CMOS 核心器件（前道工藝，FEOL）線寬比較少，往往使用 20nm 以下的 ICP備。
（4）EUV 在 foundry/DRAM 的采用，使得刻蝕步驟減少；3D Nand 采用，使得刻蝕步 驟增多，高深寬比刻蝕需求增多。
二、刻蝕需求不斷增長，海外龍頭占據寡頭壟斷
2020 年全球半導體設備市場規模創 700 億美元新高，大陸首次占比全球第一。根據 SEMI，2020 年半導體設備銷售額 712 億美元，同比增長 19%，全年銷售額創歷史新高。大陸設備市場在 2013 年之前占全球比重為 10%以內，2014~2017 年提升至 10~20%， 2018 年之后保持在 20%以上，份額呈逐年上行趨勢。2020 年，國內晶圓廠投建、半導 體行業加大投入，大陸半導體設備市場規模首次在市場全球排首位，達到 181 億美元， 同比增長 35.1%，占比 26.2%。2021~2022 年，存儲需求復蘇，韓國預計將領跑全球， 但大陸設備市場規模有望保持較高比重。
半導體設備行業產值具有高增長、高波動性。半導體設備行業呈現明顯的周期性，受下 游廠商資本開支節奏變化較為明顯。根據 SEMI 數據，從長周期而言半導體行業復合增 速約 10%，半導體設備行業復合增速約 13%，半導體設備行業增長彈性高于半導體行 業。
刻蝕設備市場超過 130 億美元，是晶圓設備占比最高的市場。2011 年以來，刻蝕在晶 圓設備的占比從 11%逐漸提升到 20%以上，2017 年起成為全球晶圓設備中占比最高的 裝備類別，重要性不斷提升。刻蝕設備市場基本是干法刻蝕設備，2020 年全球干法刻蝕 設備市場約 137 億美元，其中介質刻蝕（Dielectric Etch）60 億美元，導體刻蝕（Conductor Etch）76 億美元。
刻蝕由海外龍頭主導，國內公司保持快速增長。根據 Gartner 數據，全球刻蝕企業前三 大分別是 Lam Research、TEL、AMAT，全球市占率合計 91%。國內刻蝕業務前三大企分別為中微公司、北方華創、屹唐半導體。根據三方數據，2020 年國內的刻蝕龍頭企 業中微公司、北方華創的刻蝕業務都取得較高收入增長，并在規模體量逐步接近全球前 五大廠商。
從導體刻蝕市場結構看，Lam 一家獨大，長期全球市占率超過 50%；其次 AMAT 占據約 30%市場份額。剩下的廠商如日立高新、TEL、KLA、北方華創、SEMES、中微公司等公 司合計，在導體刻蝕合計市占率不超過 20%。近兩年，國內設備龍頭廠商北方華創、中 微公司該產品線放量加速，逐步提高半導體設備刻蝕供應鏈份額。
從介質刻蝕市場結構看，TEL 一家獨大，長期全球市占率超過 50%；其次 Lam 占據接 近 40%的市場份額，兩家廠商主導整個市場，寡占程度較強。全球介質刻蝕設備供應商 還有 SEMES、中微公司、AMAT、Ulvac、屹唐半導體等。中微公司開發了系列介質刻蝕 裝備，并承擔多項重大科研項目，是國內領先的介質刻蝕設備廠商。
根據我們的估算，中國大陸刻蝕市場需求預計在 200 億元以上，國產化率在 20%以內， 仍具有較大的替代空間。
三、國內晶圓設備需求放量，國產刻蝕設備加速導入
國內刻蝕廠商加速導入。跟蹤國內晶圓廠主要招投標數據，刻蝕設備需求工藝類別較多， 絕大多數由海外龍頭廠商供應，國內龍頭公司北方華創、中微公司、屹唐半導體處于加 速導入過程。以長江存儲、華虹無錫、華力集成的招投標數據進行分析，這三家晶圓廠 的刻蝕環節上，國內設備產線的國產化率（以機臺數量計算）平均約為 20~30%。
以 Lam Research 為例，在長江存儲的 Nand Flash 產線上，僅僅刻蝕機一個品類，供應 的設備量多達 40 種不同工藝環節，其中多數工藝環節設備具有獨占性，尤其是刻蝕高 深寬比的深孔、深溝等環節工藝。排除沒有做分類的中標機臺，長江存儲已經公告中標 機臺涉及的刻蝕工藝類別多達 80~90 種。
以長江存儲的中標信息看，北方華創在刻蝕領域布局集中于硅刻蝕，設備品類對標 Lam， 仍具有較大潛力空間。
以長江存儲的中標信息看，中微公司刻蝕設備種類范圍較多，主要布局介質刻蝕領域。
相應的，我們以長江存儲、華虹無錫、華力集成的招投標數據進行分析，這三家晶圓廠 的刻蝕環節上，國內設備產線的國產化率（以機臺數量計算）平均約為 20~30%。
四、全球龍頭 Lam Research，百億美元收入規模
Lam Research 公司歷史：1980 年成立，1981 年推出刻蝕設備 AutoEtch，1984 年達 斯達克上市，1992 年推出業內首款 ICP 設備。Lam Research 在 80 年代是 AMAT CCP 技術的追隨者，90 年代成為 ICP 技術的引領者。2014 年，公司在原有的 Flex 系列 CCP 設備加入混合脈沖技術，局部改進實現 ALE 功能，進一步引領產業技術方向。
全球刻蝕行業龍頭企業 Lam Research，盈利能力較強，研發投入程度高。2020 年， Lam 營業收入 100.4 億美元，毛利額 46.1 億美元，營業利潤額 26.7 億美元，凈利潤 22.52 億美元。此外，公司研發費用 12.5 億元，研發費用占比約 12.5%。2020 年，公司 ROE 為 45.7%。Lam 在 2020Q4 和 2021Q1 營業收入連續創新高，2021Q1 單季度營業收入 38.5 億美元，同比增長 54%；凈利潤 10.7 億美元，同比增長 86%。
全球半導體設備龍頭企業，以刻蝕、CVD 產品線為主。Lam 產品主要是刻蝕+沉積。公 司作為全球刻蝕設備龍頭企業，2020 年全球刻蝕市占率為 54%。我們根據全球市占率公司報表估算，2020 年公司收入中約 65%為刻蝕，25%為 CVD。
下游應用上存儲占比高，中國大陸是其最重要的市場之一。公司營業收入 2021Q1 按下 游應用劃分：31% foundry、48% NVM、14% DRAM。以此來看，公司存儲產業彈性更 高，在存儲資本開支恢復上行周期里，受益程度更深。公司營業收入 2021Q1 按區域劃 分，中國大陸占據 32%，韓國占據 31%，中國臺灣占據 14%，為其前三大市場。
Lam Research 核心設備產品線包括諸如：（1）FLEX（2004）：3D Nand 高深寬比 ALE 刻蝕；（2）Kiyo（2004）：DRAM 淺柵槽刻蝕 ALE；（3）Syndion：CMOS 和 HBM 刻蝕；（4）ALTUS：3D Nand 和 DRAM 的 ALD；（5）Vector：硬掩膜 ALD、3D Nand 多層沉 積。
持續外延并購，補全產品線及技術覆蓋。1997 年收購 On Trak Systems（CMP 清洗設備）；2006 年收購 Bullen Semiconductor（腔室關鍵部件）；2008 年收購 SEZGA（單晶圓清洗 設備、濕法刻蝕）；2012 年收購 Novellus（沉積、CMP）；2017 年收購 Conventor（仿真 與建模軟件）。
五、國內龍頭：北方華創、中微公司刻蝕設備快速放量
北方華創是國內領先的半導體高端裝備及一體化解決方案供應商。公司深耕于芯片制造 刻蝕領域、薄膜沉積領域近 20 年，現已成為國內領先的半導體高端工藝裝備及一站式 解決方案的供應商。公司立足半導體裝備、真空裝備、新能源鋰電裝備及精密元器件構 成公司四大核心事業集群，半導體設備品類國內最為完備，客戶覆蓋中芯國際、華虹、 三安光電、京東方等各產業鏈龍頭，營銷服務輻射歐、美、亞等全球主要國家和地區。
北方華創 ICP 刻蝕機領域國內領先，金屬刻蝕 8 英寸打破國外壟斷，12 英寸突破 28nm 以下制程。北方華創 2005 年第一臺 8 英寸 ICP 刻蝕機在客戶端顯，12 英寸刻蝕機在 客戶端 28nm 實現國產替代，2020 年 12 月，北方華創 ICP 刻蝕機交付突破 1000 腔， 標志著國產刻蝕機得到客戶廣泛認可。
2017 年公司 8 英寸鋁金屬刻蝕機進入國內主流代工廠生產線，獨特的腔室結構和溫度控 制設計，可大幅提升了設備的穩定性、重復性和生產工藝水平，打破了國際廠商長期壟 斷 8 英寸刻蝕機的局面；同時公司推出 12 英寸 TiN 硬掩膜刻蝕機，可應用于 28-14nm 邏輯制程中。2016 年自主研發的國內首臺應用于 14nm 制程的 ICP 刻蝕機 NMC612D 進入上海集成電路研發中心，正式邁入 14nm 刻蝕工藝。
中微公司是國內領先、世界排名前列的半導體高端設備制造商。公司主營業務是刻蝕設 備和 MOCVD。刻蝕機用于半導體制程，客戶涵蓋臺積電、中芯國際、海力士、華力微、 聯華電子、長江存儲等；MOCVD 用于 LED 外延片制程，客戶涵蓋三安、華燦、乾照等。
中微公司刻蝕產品線逐步成熟，從 CCP 向 ICP 快速開拓。中微公司 CCP 刻蝕設備應用 于國際一線客戶從65nm到5nm、64層及128層3D NAND晶圓產線及先進封裝生產線， 中微公司 ICP 刻蝕設備已經趨于成熟，在 10 家客戶生產線進行驗證，并逐步取得客戶 的重復訂單。中微公司 CCP 刻蝕設備包括雙反應臺 Primo AD-RIE 和單反應臺的 HD-RIE， 覆蓋了 65 納米、45 納米、32 納米、28 納米、22 納米、14 納米、7 納米到 5 納 米關鍵尺寸的眾多刻蝕應用；中微公司的 ICP 設備 Nanova 已經累計交付 100 臺反應腔，在領先的邏輯芯片、DRAM 和 Nand 廠商產線實現大規模量產。
屹唐股份擁有干法刻蝕設備 paradigmE 系列，采用專有的法拉第屏蔽電感耦合等離子 (ICP) 源與蝕刻偏臵控制相結合，設備采取雙晶圓反應腔、雙反應腔產品平臺設計，主要可用于 65 納米到 5 納米邏輯芯片、10 納米系列 DRAM 芯片以及 32 層到 128 層 3 閃存芯片制造中若干關鍵步驟的大規模量產。
來源：光刻人的世界