半导体刻蚀设备行业研究:多频共振驱动市场,国产替代未来可期
作者 | 未来智库2022-02-16

1 刻蚀设备在半导体产业链中地位突出

1.1 半导体设备投资占比巨大,刻蚀设备是其中重要一环

半导体设备在硅片制造、前道及后道工艺中举足轻重。半导体设备即主要应用于半导体制造和封 测流程的设备。半导体设备行业是半导体制造的基石,是半导体行业的基础和核心。从产业链来看,半导体设备的上游主要是单晶硅片制造以及 IC 设计,下游则主要为 IC 封测。根据半导体设 备在 IC 制造中应用的场景不同,一般可以分为氧化炉、涂胶显影设备、光刻机、刻蚀机、离子注 入机、清洗设备、质量/电学检测设备、CMP 设备、CVD 设备和 PVD 设备等。

先进制程驱动产线建设成本上行,半导体设备资本支出占比提升。通常,一条 90nm 制程芯片的 晶圆生产线建设成本为 20 亿美元,当制程微缩至 20nm 时成本达到 67 亿美元,翻了三倍之多。 而半导体设备作为半导体产线投资的主要投入项,不仅种类繁多,而且具有非常高的技术要求, 也导致设备的价格非常昂贵,设备在生产线的资本支出占比也逐渐提高。根据高新智库研究表明, 在 90nm制程中设备支出占比为 70%,到了 20nm 制程占比达到 85%,从 14 亿美元提高到 57 亿 美元,提高了约 4 倍。

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IC 制造设备占半导体设备比例达 80%,光刻、刻蚀和沉积设备为主要组成部分。从产品细分结构 来看,目前供应的半导体设备主要为 IC制造设备,其占市面上半导体设备的比重约为 80%;在这 些 IC 制造设备中,以光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备为主,根据 SEMI 测算数据,当前这三类半导体设备分别约占市面上半导体设备的 24%、20%和 20%。

光刻:光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤,其利用曝光和显影在光阻 层上刻画几何图形结构,然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上,具有耗时 长、成本高的特点。光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。光刻机是芯片制 造中光刻环节的核心设备, 技术含量、价值含量极高。

刻蚀:刻蚀工艺是半导体制造工艺中的关键步骤,对于器件的电学性能十分重要。其利用化 学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程,目标是在涂胶的硅片上正确地 复制掩模图形。如果刻蚀过程中出现失误,将造成难以恢复的硅片报废,因此必须进行严格 的工艺流程控制。

薄膜沉积:薄膜沉积是集成电路制造过程中必不可少的环节。薄膜沉积是指任何在硅片衬底 上沉积一层膜的工艺,这层膜可以是导体、绝缘物质或者半导体材料。 薄膜沉积有化学和 物理工艺之分,具体而言可分为化学气相沉积、物理气相沉积和其他沉积三大类。

中国大陆占据全球半导体设备市场约四分之一,技术仍处于追赶状态。中国大陆的半导体设备需 求量大,2019 年中国的半导体设备市场规模占到了全球的一半,其中中国大陆的半导体设备市场 规模占全球的 22.4%,略低于中国台湾。中国大陆在市场需求占据很大份额的同时,半导体设备 自给率很低,技术仍处于追赶状态,先进半导体设备技术仍由美欧日等国主导。其中美国的等离子刻蚀设备、离子注入机、薄膜沉积设备、检测设备、测试设备、表面处理设备等设备的制造技 术位于世界前列;荷兰则是凭借 ASML 的高端光刻机在全球处于领先地位;在刻蚀设备、晶圆清 洗设备、检测设备、测试设备、氧化设备等方面,日本极具竞争优势。

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刻蚀设备有望率先完成国产替代。从国内市场来看,刻蚀机尤其是介质刻蚀机,是我国最具优势 的半导体设备领域,也是国产替代占比最高的重要半导体设备之一。目前我国主流设备中,去胶设备、刻蚀设备、热处理设备、清洗设备等的国产化率均已经达到 20%以上。而这之中市场规模 最大的则要数刻蚀设备。我国目前在刻蚀设备商代表公司为中微公司、北方华创以及屹唐股份。

1.2 先进工艺不断演进,干法刻蚀大势所趋

刻蚀是用化学或物理方法对衬底表面或表面覆盖薄膜进行选择性腐蚀或剥离的过程,进而形成光刻定义的电路图形。刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确的复制掩模图形,有图形的光刻胶层 在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀,这层掩蔽膜用来在刻蚀中保护硅片上的特殊区域而选择性地 刻蚀掉未被光刻胶保护的区域。在通常的 CMOS 工艺流程中,刻蚀都是在光刻工艺之后进行的。 从这一点来看,刻蚀可以看成在硅片上复制所想要图形的最后主要图形转移工艺步骤。

按照刻蚀工艺划分,刻蚀主要分为干法刻蚀以及湿法刻蚀。干法刻蚀主要利用反应气体与等离子 体进行刻蚀,利用等离子体与表面薄膜反应,形成挥发性物质,或者直接轰击薄膜表面使之被腐 蚀的工艺。干法刻蚀可以在某一特定方向上进行切割,使得实现理想中纳米(nm)级的超精细图 案轮廓。湿法刻蚀工艺主要是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀,该刻蚀方法会导致材料的 横向纵向同时腐蚀,会导致一定的线宽损失。目前来看,干法刻蚀在半导体刻蚀中占据绝对主流 地位,市场占比约 90%。

按照刻蚀材料划分,刻蚀工艺包括介质刻蚀和导体刻蚀,导体刻蚀又分为硅刻蚀和金属刻蚀。金 属刻蚀主要是在金属层上去除铝、钨或铜层,以在逐级叠加的芯片结构中生成互联导线图形;硅 刻蚀(包括多晶硅)应用于需要去除硅的场合,如刻蚀多晶硅晶体管栅、硅槽电容;介质刻蚀是 用于介质材料的刻蚀,如二氧化硅。对于 8 英寸晶圆,介质、多晶硅以及金属刻蚀是刻蚀设备的 常用类别。进入 12 英寸世代以后,随着铜互连的发展,金属刻蚀逐渐萎缩,介质刻蚀份额逐渐加 大。20 年介质刻蚀设备的份额已超过 40%,而且随着器件互连层数增多,介质刻蚀技术和设备有 望持续发展。

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干法刻蚀有化学反应、物理去除以及化学物理混合去除三种方式,性能各有优劣。其中,物理性 刻蚀,又称离子束溅射刻蚀,原理是使带能粒子在强电场下加速,这些带能粒子通过溅射刻蚀作 用去除未被保护的硅片表面材料;化学性刻蚀,又称等离子体刻蚀,纯化学刻蚀作用中,通过等 离子体产生的自由基和反应原子与硅片表面的物质发生化学反应达到刻蚀的效果,可以得到较好 的刻蚀选择性和较高的刻蚀速率;物理化学性刻蚀,即反应离子刻蚀,利用离子能量来使被刻蚀 层的表面形成容易刻蚀的损伤层和促进化学反应,具有各向异性强的优势,是超大规模集成电路 工艺中很有发展前景的一种刻蚀方法。

ICP 与 CCP 是应用最为广泛的刻蚀设备。目前等离子刻蚀是晶圆制造中使用的主要刻蚀方法,电 容性等离子刻蚀(CCP)和电感性等离子刻蚀(ICP)是两种常用的等离子刻蚀方法。CCP 的原 理是将施加在极板上的射频或直流电源通过电容耦合的方式在反应腔内形成等离子体,主要用于 刻蚀氧化物、氮化物等硬度高、需要高能量离子反应刻蚀的介质材料。ICP 刻蚀的原理是将射频 电源的能量经由电感线圈,以磁场耦合的形式进入反应腔内部,从而产生等离子体并用于刻蚀, 主要用于刻蚀单晶硅、多晶硅等材料。

原子层刻蚀(ALE)能够精确控制刻蚀深度,成为未来技术升级趋势。随着当前集成电路技术的 不断发展,构成芯片的核心器件尺寸持续缩小,芯片的加工制造变得越来越精细。原子层刻蚀 (ALE)是指通过一系列的自限制反应去除单个原子层,不会触及和破坏底层以及周围材料的先 进半导体生产工艺。ALE 是一种先进的刻蚀技术,可以针对较浅的微结构进行出色的深度控制。 原子层刻蚀(ALE)技术适合间距或者空间上非常紧密的可能发生孔洞“堵塞”的刻蚀,和具有 超高选择性和均匀性的应用。

原子层刻蚀(ALE)可以分为等离子体ALE和高温ALE,适用于不同类型的刻蚀。等离子体ALE 使用高能离子或中性物质从表面上剔除物质的方法来进行蚀刻;而高温 ALE 应用于特定的高温气 相反应。目前,等离子体 ALE已经进入生产使用阶段,而高温 ALE 仍处于早期阶段,距离商业化 使用仍有较远距离。

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介质刻蚀和硅刻蚀领衔,等离子体刻蚀成绝对主流。从下游半导体行业刻蚀机的需求来看,介质 刻蚀机与硅刻蚀机需求场景较多,因此占比较高,其中介质刻蚀与硅刻蚀机分别占据干法刻蚀工 艺半壁江山。在集成电路生产线来看,等离子体刻蚀设备因其提供高速率、高选择比以及低损伤 的刻蚀而被广泛应用,根据《问芯 Voice》,目前等离子体刻蚀设备的市场规模也超过了 120 亿 美元,约占全球刻蚀市场规模的 85%左右,成为刻蚀设备的绝对主流。未来随着中微等公司对设 备研发的不断投入,刻蚀设备国产化率进一步提升未来可期。

2 市场+技术双轮驱动,刻蚀设备迎来市场机遇

2.1 市场端:终端应用需求上行,刻蚀设备市场快速发展

半导体设备市场规模上行,预计 2022 年将超过 1100 亿美元。作为半导体产业链的基石,半导体 设备支撑着全球上万亿的电子软硬件大生态,具有举足轻重的地位。根据 SEMI 的年终半导体设 备总量预测,预计 2021 年原始设备制造商总销售额将达到 1030 亿美元,比 2020 年的市场规模猛增 44.7%。在存储器需求回升、先进制程投资及中国大陆积极推动半导体投资的背景下,SEMI 预计全球半导体设备市场将持续保持增长,到 2022 年全球半导体设备市场将扩大到 1140 亿美元。

全球半导体刻蚀设备市场快速发展,2025 年有望达到 155 亿美元。2013 年,全球刻蚀设备市场 规模约为 40 亿美元,随着闪存技术突破,存储市场拉动刻蚀设备需求明显增大,至 2019 年市场 规模突破百亿美元,达到 115 亿美元。SEMI 预测 2025 年全球刻蚀设备市场空间达到 155 亿美 元,年复合增速约为 12%,市场空间增量主要来自于存储制造对刻蚀设备的需求激增。

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我们认为,随着 5G、大数据、物联网、人工智能等新兴产业的发展,半导体器件的需求将持续 攀升。半导体设备作为推升半导体器件制造的基石,有望迎来新一轮发展机遇;而作为半导体设 备的重要组成部分,刻蚀设备的需求也将水涨船高。

国内 5G 建设速度全球领先,5G 机型出货量呈持续上升趋势。据工信部数据显示,2020 年新建 5G 基站数达到 58 万,5G 终端连接数已经超过 2 亿,已实现所有城市的 5G 覆盖,在全球居于绝 对领先地位。据前瞻产业研究院测算,2021-2023 年期间三大运营商逐年建设量约为 80 万个、110 万个、85 万个。与 5G 基建速度相对应,5G 手机出货量也迅速攀升,中国信通院数据显示, 中国信通院数据显示,2021 年 1-11 月,国内市场手机总体出货量累计 3.17 亿部,同比增长 12.8%,其中,5G 手机出货量 2.39 亿部,同比增长 65.3%,占同期手机出货量的 73.3%。目前 国内手机市场主要以 5G 智能手机为主,随着未来 5G 基础设施的进一步发展,5G 智能手机占比 还有望持续攀升。

5G 的高速数据传输、低延时和大网络容量等特性正促使 5G 芯片需求上升。华为麒麟 9000、骁 龙 888 和苹果的 A14 芯片都率先采取了 5nm 工艺制程,相比 7nm 工艺节点,5nm 工艺可以使产 品性能提高 15%,晶体管密度最多提高 1.8 倍,性能提升的同时工艺复杂度也大幅增加。5nm 工 艺手机基带芯片已经在小米、华为、iPhone 等系列手机中得到应用,未来随着技术成熟和新应用 的出现,5nm 甚至更先进的工艺芯片有望在手机终端实现普及,先进制程的需求将继续维持高景 气度。

存储芯片在国内集成电路产业份额最大,大数据等新兴领域成为其市场增量。存储芯片一直都是 国内集成电路市场中份额最大的产品类别,特别是在 2018 年存储芯片价格上涨的影响下,存储 芯片市场占比进一步提升,2018 年国内市场销售额达 5,775 亿元,同比增长 34%, 2016 年至 2018 年国内存储芯片市场销售额的年均复合增长率达 40%。2019 年因前期存储芯片厂商扩产导致存储芯片供给增加,同时下游需求增长有所放缓,导致市场规模有所收缩。未来随着物联网、 大数据等新兴领域的快速发展,以及相关国家战略的陆续实施,存储芯片仍具有巨大的市场需求 和发展空间。

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DRAM 和 NAND Flash 占据半导体存储器的九成份额,闪存市场有望迎来更多需求增量。2020 年全球 DRAM 全球市场规模约 695 亿美元,NAND Flash 全球市场规模约 421 亿美元,NOR Flash、EEPROM 及其他半导体存储器市场规模约 76 亿美元。IC Insights 预测 2021 年存储芯片 市场中,DRAM 在营收中占比 56%,闪存芯片占比 43%,ROM 芯片仅占 1%。NAND Flash 方 面,全球的需求开始回升,市场整体呈现供不应求的局面;DRAM 方面,随着物联网的普及、5G 基站建设、汽车智能化的不断推进,DRAM 产品将有望迎来更多增量需求。DRAM 和 NAND 存储 器占据 90%存储器份额,采用存储单元堆叠式布局,需要更多通孔和导线等的刻蚀。

新兴终端应用驱动人工智能芯片市场规模持续增长。随着人工智能技术的日臻成熟,数字化基础 设施不断完善,消费机器人、智能驾驶、智能家居等终端应用加速落地,推动人工智能芯片市场 规模不断攀升。根据 WSTS 数据显示,2019 年全球 AI 芯片市场规模为 110 亿美元,预计 2025年全球人工智能芯片市场规模将达 726 亿美元。国内人工智能芯片行业处在起步阶段,自主创新 能力和市场规模逐步提高。根据前瞻产业研究院预测,2023 年预计国内人工智能芯片市场规模达 到 1339 亿元,2019-2023 年 CAGR 为 84%,发展十分迅速。

2.2 技术端:先进制程拉动刻蚀用量,复杂结构打开设备市场

逻辑芯片不断突破,先进工艺刻蚀次数也不断提升。晶圆代工行业呈现越来越高的资金和技术壁 垒,如今晶圆厂一条 28nm 的 4 万/月的生产线需要 40-50 亿美元资本开支,研发新一代制程节点 可能需要数十亿美元,如此庞大的投入构筑起了高资金和技术壁垒。而随着“摩尔定律”放缓, 从7纳米到5纳米乃至3纳米,每一个制程节点都举步维艰,拥有高端制程能力的公司屈指可数, 而对于不同节点的产品研发也需要海量的资金投入。而随着先进制程工艺不断演进,所需要的刻 蚀次数也逐渐增多,从 65nm 制程的 20 次增加至 5nm 制程的 160 次,复杂度提升了 8 倍,显著 提升了半导体刻蚀设备的数量和质量。

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逻辑电路制程不断微缩,FinFET 成为当前主流工艺。逻辑电路工艺不断的向着微型化发展,基 于传统平面 MOSFET结构的晶胞单元不断的缩小,漏、源的间距也不断的减小,栅极的控制力就 不断的减弱,导致器件的性能恶化,同时增加了静态的功耗。当半导体工艺向更高技术节点挺进时,平面结构制程工艺逐渐达到极限难以突破,3D 结构的 FinFET 工艺逐渐成为主流。与平面晶 体管相比,FinFET 器件改进了对沟道的控制,从而减小了短沟道效应,同时能够更好地对沟道进 行静电控制。然而,当工艺制程来到 3nm 之后,鳍片(Fin)宽度达到 5nm(等于 3nm 节点)时, FinFET 将接近实际极限,再向下就会遇到瓶颈。此时全环栅晶体管 GAA 有望延续半导体技术经 典“摩尔定律”的新兴技术路线,进一步增强栅极控制能力,克服当前技术的物理缩放比例和性 能限制。

先进工艺结构增加刻蚀难度与刻蚀步骤,对刻蚀设备提出了更高的要求。半导体逻辑电路的不断 微缩,包括技术本身进化的需求,刻蚀工艺在不断迭代,像 Multiple Patterning 技术、基于金属 硬掩模的双大马士革工艺等等,都提高了刻蚀的难度,相应刻蚀机制造的难度也随之增加。同时 先进制程增加了刻蚀的步骤,多次刻蚀要求每一个步骤的精确度足够高,才能保证整体生产的良 率。

存储工艺革新带动刻蚀需求提升。NAND Flash 技术不断成熟和进步,现已经迈入 3D NAND 时 代,3D NAND 采用将存储单元立体堆叠的方式,使得储存能力提升明显,而其技术复杂程度较 2D 有显著提升。3D NAND 需要先经过干法和湿法刻蚀形成柱形通孔和 3D NAND 单元,由内层 依次形成沉积氧化层-氮化层-氧化层结构后形成浮栅层,然后刻蚀多余的 FG 使之能够实现完全隔离,最后通过多步沉积形成 3D NAND Flash。3D NAND 形成过程中需要用到多步刻蚀,并且要 保证刻蚀的各向异性和尽量小的偏差,对于刻蚀设备和相应技术都有着极高的要求。

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高深宽比通道刻蚀与选择性刻蚀等步骤使 3D NAND 刻蚀难度全面升级。在 96 层 3D NAND 中纵 横比高达 70:1,每块晶圆中有一万亿个微小孔通道,孔道随着叠加层数而增多,故保证孔道的均 匀性和平整性才能保证器件的性能。其中,克服不完全刻蚀、弓形刻蚀、扭曲以及堆叠顶部和底 部之间的 CD 差异成为刻蚀 3D NAND 工艺中面临的巨大挑战。此外,选择性刻蚀是 3D NAND 刻 蚀工艺中的关键步骤,刻蚀的均一性直接影响后续栅极电介质的沉积质量,但随着堆叠层数增加, 畸形氧化沉积层变厚,严重时会直接导致氧化层塌陷,影响芯片性能。因此,3D NAND 更高堆叠 层数的突破将带来刻蚀难度的极大提升,器件性能的突破也往往伴随着刻蚀工艺的长足进步。

DRAM 微缩工艺拉动刻蚀设备需求。DRAM 制程工艺进入 20nm 以后,由于制造难度越来越高, 内存芯片制造厂商对工艺的定义已经不是具体的线宽,而是分成了 1x、1y、1z,大体来讲,1xnm 制程相当于 16~19nm、1y-nm 相当于 14~16nm,而 1z-nm 则相当于 12~14nm。如今传统的 DRAM 面临越来越严峻的微缩挑战,随着半导体制造技术持续朝更小的技术节点迈进,DRAM 电 路图形密度增大,多重图案化重复次数增加,极大地增加了刻蚀工艺的设备需求。

3 日美厂商头部集中,国产替代前景广阔

3.1 海外龙头居于垄断地位,研发并购筑起行业壁垒

半导体刻蚀设备市场主要由美日厂商主导。半导体刻蚀设备领域长期由海外龙头垄断,根据中商 情报网统计,全球刻蚀企业前三大分别是泛林半导体(Lam Research)、东京电子(TEL)、应 用材料(AMAT),全球市占率合计 91%,其中泛林半导体以 45%的市场份额遥遥领先,东京电 子和应用材料则分别占据 28%和 18%的市场份额。

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3.1.1:泛林集团(Lam Research):全球第一大刻蚀设备提供商

泛林集团成立于 1980 年,总部位于美国加利福尼亚州,是全球领先的综合性半导体设备龙头企 业。公司立足刻蚀设备领域,通过并购不断提升竞争能力,构建技术壁垒和扩充产品线。公司核 心产品包括刻蚀机、薄膜沉积设备和去光阻和清洗设备,其中刻蚀设备多年来的全球市场份额一 直超过 50%,并与台积电、中芯国际、镁光科技、三星电子等建立了深厚的业务合作关系。公司 在 2020 财年的营业收入达到 146.26 亿美元,同比增长 46%;净利润达到 39.08 亿美元,同比增 长 74%。

3.1.2 应用材料(AMAT):半导体核心设备巨头

应用材料成立于1967年,总部位于加利福尼亚州圣克拉拉。经过五十余年的发展并购,公司已经 成为全球半导体设备领域规模最大的供应商。公司产品品类非常完备,能够完成晶圆前道加工与 后道封测的绝大部分工艺环节,其中物理气相沉积、化学气相沉积、离子注入等多项设备在全球 市场中市占率排第一。公司与英特尔、三星电子、台积电、镁光科技等构建了深度的长期合作关 系,其中三星电子和台积电常年为公司的前两大客户。公司在 2019 财年的营业收入达到 172 亿 美元,同比增长 18%;净利润达到 36 亿美元,同比增长 34%。

3.2 刻蚀设备国产化率低,国产替代空间广

国产刻蚀设备自给率不足两成,国内厂商有望迅速崛起。在 2020 年,核心集成电路设备的国内 市场国产化率不足 10%,而刻蚀设备的国产化率约 20%,是目前国产替代占比最高的重要半导体 设备之一,也有望率先完成国产替代。

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从需求端看,随着全球贸易摩擦给半导体供应链带来的不确定性,国内晶圆厂更倾向于购买国产 设备。从政策环境上来看,我国政府对于半导体设备行业更加重视,推出有针对性的行业优惠扶 持政策和以专项的形式组织一批国内半导体设备公司进行一系列重点工艺和技术的攻关。从资本 角度来看,政府成立一批国家产业投资基金,大力度投资半导体设备、半导体材料等基础环节。 国内刻蚀设备细分龙头如北方华创、中微公司等在等离子体刻蚀设备领域产品优势显著,已达到 世界领先水平。因此,刻蚀领域国产化替代前景广阔,在需求、政策、资本、技术等多因素推动 下,有望加速实现国产化。

对比国际刻蚀龙头,国内刻蚀企业在规模、研发、技术等差距显著。国内刻蚀领域虽然已经涌现 出多家实力雄厚的公司,如北方华创和中微公司,但国内刻蚀设备生产厂商在全球刻蚀设备市场 的市占率较低,与世界头部企业在多方面存在较大差距。从营业收入和归母净利润角度看,北方华创和中微公司虽然在近年均呈现高速增长态势,但是总规模与国际巨头差距悬殊。从研发投入 角度看,虽然北方华创和中微公司研发投入占营业收入比重超过国外企业,但是研发投入总规模 仍然远远小于国际龙头企业。在国家集成电路产业基金和行业政策的大力扶持下, 二者的研发投 入有望迎来大幅提升。在技术水平上,国内头部企业尚未攻克一些顶尖刻蚀技术,与国际巨头存 在较大差距。北方华创和中微公司均未涉足目前行业最尖端的 ALE 技术,而泛林集团的 ALE 已经 实现量产。在先进制程节点上,泛林集团的 5nm 刻蚀应用已经进入量产阶段,3nm 刻蚀应用正在 验证阶段,而国内企业尚处在 5nm 刻蚀应用的验证阶段和 3nm 刻蚀应用的研发阶段。

国内刻蚀龙头企业的部分技术已达到国际一流水平。在目前广泛使用的高密度等离子刻蚀设备上, 中微公司的 ICP 和 CCP 刻蚀设备与泛林集团 DRIE 刻蚀设备的刻蚀效果相当。同时,中微公司的 介质刻蚀已经进入台积电 7nm/5nm 产线,是唯一一家进入台积电产线的国产刻蚀设备生产商。北 方华创在ICP刻蚀领域优势显著,已量产28nm制程以上的刻蚀设备,同时已经突破14nm技术, 并进入中芯国际 14nm 产线验证阶段。随着国内刻蚀龙头紧跟先进制程发展,加大研发投入,积 极并购与整合,整体国产刻蚀设备水平有望快速迭代升级并完成刻蚀领域的国产替代。

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3.3 国内产线建设持续加码,积极导入国产设备推动放量

中国大陆成为全球最大半导体设备市场,承接半导体制造产能重心转移。根据 SEMI 统计数据, 2020 年全球半导体设备市场规模达到 712 亿美元,增速为 24%。在 2020 年,中国大陆半导体设 备市场占全球市场的 26.3%,首次超越中国台湾和韩国成为全球最大的半导体设备市场。作为半 导体设备中的核心设备,国产刻蚀设备有望随着国内半导体设备市场规模的快速增长而迎来黄金 发展期。

中芯国际等国内晶圆厂积极扩产,拉动国产半导体设备需求。在半导体需求高涨以及芯片自制政 策推动下,中芯国际、华虹集团等国内晶圆代工厂未来数年扩产计划仍相当积极。根据芯思想研 究院统计,截至 2021 年 6 月我国晶圆制造扩产的 Fab 厂有 16 家,规划产能超过 90 万片,产能将在 2021-2023 年逐步释放。随着多家晶圆厂研发产线在中国大陆的投产,国内晶圆厂建设密集 期到来,各个晶圆厂也会加速新一轮半导体设备的采购,将为半导体刻蚀设备的提供更加广阔的 舞台。

新增产能建设积极导入国产设备,国产刻蚀设备中标量进一步提升。根据国内晶圆厂主要招投标 数据显示,海外龙头供应厂商占据最大份额,国内龙头公司北方华创、中微公司、屹唐股份处于 加速导入过程。以长江存储设备招中标情况,截至 2020 年 12 月,长江存储共累计招标 348 台刻 蚀设备,其中美国厂商 Lam Research 占据超过一半的采购量,达 187 台;而国内厂商中微公司、 北方华创、屹唐股份分别中标 50 台、18 台、13 台,国产化率高达 23.85%。以华虹六厂设备招 中标情况为例,截至 2020 年 12 月,华虹六厂共累计招标 81 台刻蚀设备,其中 Lam Research 依 旧占据超过一半的采购量,达 45 台;国内厂商中微半导体、北方华创分别中标 15 台、1 台,国 产化率约为 19.75%。根据亚化咨询研究数据显示,2018、2019 年长江存储采购的国产刻蚀机占 比迅速提升,预计 2023 年将突破 40%,刻蚀设备国产替代未来可期。

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国家政策陆续出台,驱动国产刻蚀设备行业持续发力。近年来国家加大对于半导体产业政策的扶 持力度,多项重磅文件相继出台,主要表现在对于整个 IC 产业链企业的政策优待以及对于半导体 设备行业的相关规划与推动。其中《国家集成电路产业发展推进纲要》和《科技部重点支持集成 电路重点专项》等一系列政策推动了一批国内半导体设备公司进行了一系列重点工艺和技术的攻 关,使得我国半导体设备行业涌现出了一批拥有国际竞争力的龙头企业,有效促进了我国半导体 设备行业的发展。

国家集成电路产业基金一期投资方向集中于存储器和先进工艺生产线,而对半导体设备的投资力 度较小。大基金一期规模 1387 亿元,已于 2018 年基本投资完毕,撬动 5145 亿元的地方基金以 及私募股权投资基金,总计约6500亿元资金投入集成电路行业。从资金流向来看,芯片制造获得 投资 515.42 亿元,占比 47%;芯片设计获得投资 215.69 亿元,占比 20%;而半导体设备仅获得 投资 24.68 亿元,占比 2%,主要获投企业有中微公司、北方华创、沈阳拓荆等。

大基金二期实力雄厚,着重布局投资半导体设备等薄弱环节。大基金二期将重点支持国产半导体 设备等产业发展:(1)二期基金将对在刻蚀机、薄膜设备、测试设备和清洗设备等领域已布局 的企业保持高强度的持续支持,培育中国大陆“应用材料”的企业苗子;(2)加快开展光刻机、 化学机械研磨设备等核心设备以及关键零部件的投资布局,填补国产工艺设备空白;(3)督促 制造企业提高国产装备验证及采购比例。半导体刻蚀设备作为半导体设备产业的重要环节,中微 公司、北方华创等优秀刻蚀企业已获大基金青睐,随着大基金二期全面进入了投资阶段,其中更 多有潜力的企业有望持续受益。

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4 重点公司分析

4.1 中微公司:集成电路装备领先企业

中微公司(688012)深耕芯片制造刻蚀领域,研制出了国内第一台电介质刻蚀机。公司主 要产品为用于 IC集成电路领域的等离子体刻蚀设备(CCP、ICP)、深硅刻蚀设备(TSV)、LED领域 的 MOCVD 设备等。公司等离子体刻蚀设备已被广泛应用于国际一线客户从 65 纳米到 14 纳米、 7 纳米和 5 纳米的集成电路加工制造及先进封装。

公司 2020 年营收稳步增长,净利润保持高增。从历年营收规模来看,公司依托在刻蚀设备等主 要产品的先进技术优势和广泛的客户群体实现了高速增长,业务规模不断扩大。2020 年实现营业 收入 22.73 亿元,比上年增长 17%;实现净利润 4.92 亿元,同比增长 160%。

公司持续致力于半导体核心设备的研发升级,高端设备产品和技术处于世界先进水平。公司 2017-2020 年的研发投入持续增长,2020 年研发投入 5.9 亿元,同比增加 39%,研发费用率为 14.6%,主要用于研发存储器的 CCP 和 ICP 刻蚀设备等。在逻辑集成电路制造环节,公司开发的 12 英寸高端刻蚀设备已运用在国际知名客户最先进的生产线上并用于 5 纳米、5 纳米以下器件中 若干关键步骤的加工;同时,公司根据先进集成电路厂商的需求持续进行设备开发和工艺优化。 在 3D NAND 芯片制造环节,公司的电容性等离子体刻蚀设备技术已应用于 64 层和 128 层的量 产,电感性等离子体刻蚀设备技术已应用于 64 层的量产,同时公司根据存储器件客户的需求正在 开发极高深宽比的刻蚀设备和工艺。

4.2 北方华创:国产半导体设备龙头

北方华创(002371)是由北京七星华创电子股份有限公司和北京北方微电子基地设备工艺 研究中心有限责任公司战略重组而成。北方华创主营半导体装备、真空装备、新能源锂电装备及 精密元器件业务,为半导体、新能源、新材料等领域提供解决方案。公司现有四大产业制造基地, 营销服务体系覆盖欧、美、亚等全球主要国家和地区。

半导体刻蚀设备行业研究:多频共振驱动市场,国产替代未来可期

北方华创业绩持续高增长,龙头地位进一步稳固。2020 年全年公司实现营收 60.6 亿元,同比增 长 49.2%,归母净利润 5.4 亿元,同比增长 73.8%,扣非后净利润达 2.0 亿元,同比增长 180.8%。 公司 2016年以来营业收入和净利润呈现出显著增长态势,2016-2020 年公司营收和净利润复合增 速分别达 39%和 55%。

分业务来看,近年来电子工艺装备,尤其半导体装备营收占比逐渐提升,成为公司主要收入来源。 2020 年公司电子工艺装备业务实现营收 48.7 亿元,占总营收比重达 80.4%,同比增长 52.6%, 其中主营业务为半导体设备的子公司北方华创微电子装备有限公司 2020 年营收为 41.6 亿元,占 总营收比重达 68.6%,同比增长 60.2%,净利润 1.8 亿元,同比大增 1.3 倍;主营业务为真空设 备的子公司北方华创真空技术有限公司 2020 年营收 7.1 亿元,同比增长 17.1%,净利润 6839.1 万元,同比增长 35.9%,主要受益于下游新能源光伏产业成长,真空、热工设备持续增长。

研发投入稳健增长,下游产品持续渗透。公司近年来研发支出持续上升,2020 年研发支出整体超 过 16 亿元,同比增长 41.4%。公司在半导体设备等应用领域研发取得多项成果,知识产权数量逐 年增长,截至2020年底累计获得授权专利2,894件。2020年公司研发投入占营收的比例为26.6%, 研发人员数量占比为 23.7%,研发实力愈加雄厚。公司核心产品在中国市场占据重要市场份额, 目前多款 14nm 设备在生产线评估验证,多款 10nm 设备处于研发中,5/7nm 先进 IC 装备的研发 也正在推进。目前来看,公司下游产品开始逐步进入大型晶圆制造厂商,相关产品也在持续渗透。


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2022-02-16