机械行业：刻蚀设备国产崛起可期待工艺进步促需求

1、研究报告评级看好维持什么是半导体刻蚀设备市场格局：巨头垄断，国产可期需求趋势：工艺进步推动需求向上海外借鉴：高研发构筑内生增长CHAN GJIA N SECU R IT I ES刻蚀工艺通常位于光刻工艺之后图1： 刻蚀工艺位于光刻工艺之后资料来源：半导体制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著）, 刻蚀技术湿法刻蚀干法刻蚀刻蚀材料硅刻蚀介质刻蚀金属刻蚀刻蚀是半导体制造核心工艺之一薄膜沉积、光刻和刻蚀是半导体制造的三大核心工艺薄膜沉积工艺在晶圆上沉积一层待处理的薄膜，匀胶工艺把光刻胶涂抹在薄膜上，光刻和显影把光罩上的图形转移到光刻胶，刻

2、蚀把光刻胶上图形转移到薄膜，洗掉光刻胶后，即完成图形从光罩到晶圆的转移一颗芯片有数十层光罩，半导体制造即在薄膜沉积、光刻和刻蚀三大工艺中循环，把所有光罩的图形逐层转移到晶圆上图2：薄膜沉积、光刻和刻蚀是半导体制造三大核心工艺资料来源：半导体制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著）,图3：刻蚀的目的是把图形从光刻胶转移到待刻蚀的薄膜上薄膜沉积-长一层待刻蚀薄膜-沉积设备匀胶-涂抹光刻胶-匀胶机光刻-把图形从光罩复刻到光刻胶-光刻机显影-去掉经曝光的光刻胶-显影设备刻蚀-挖掉缕空的薄膜-刻蚀机去胶-去掉剩余光刻胶-去胶机资料来源： 半导

3、体制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著）,刻蚀设备主要指标表1：刻蚀设备主要指标包括刻蚀速率、剖面、偏差、选择比等指标类型指标表述刻蚀速率刻蚀过程中去除待刻蚀的材料的速度，通常越快越好刻蚀剖面各向异性刻蚀只在垂直方向刻蚀，能保证侧壁上下宽度一致，干法刻蚀通常是各向异性的，为现在主流刻蚀方法 各向同性刻蚀在各个方向上以相同的速率刻蚀，会造成光刻胶下的钻蚀，导致线宽损失，湿法刻蚀通常各向同性刻蚀偏差刻蚀后线宽或关键尺寸间距的变化，即刻蚀得到的图形比光刻胶更凹进去通常由横向钻蚀或刻蚀剖面不合格引起选择比同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料比另一

4、种材料的速率快多少高选择比的刻蚀工艺，在刻蚀一种材料的同时不刻蚀其他材料，可保护光刻胶和其余部件，工艺越先进，对选择比 要求越高其他指标均匀性、残留物、聚合物、等离子体诱导损失、颗粒沾污、宽深比等资料来源： 半导体制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著） ，等离子干法刻蚀是目前主流刻蚀工艺湿法刻蚀各向异性较差，侧壁容易产生横向钻蚀造成刻蚀偏差，通常用于工艺尺寸较大的刻蚀，或用于干法刻蚀后清洗残留物等干法刻蚀是目前主流的刻蚀技术，通常采用等离子干法刻蚀，等离子干法刻蚀机主要有ICP、CCP刻蚀机等等离子干法刻蚀机，在反应腔中将气体激发

5、为高速运动（高能量）的等离子状态，并控制等离子气体的运动方向，使等离子轰击晶圆表面的薄膜（物理刻蚀）或与薄膜发生反应（化学刻蚀）或两者结合（物理化学混合），实现刻蚀决定刻蚀效果的主要指标有：等离子能量和等离子浓度表2：刻蚀机按工艺分为湿法和干法刻蚀，干法刻蚀为主流工艺实现方式优点湿法刻蚀化学试剂（酸、碱等） 腐蚀1、对材料的刻蚀选择比较高2、对器件的损伤较小3、设备成本较低物理方法1、刻蚀剖面各向异性，具有较好的侧壁剖面控制2、较好的线宽偏差控制3、最小的光刻胶脱落或粘附问题4、较好的片内、片间和批次间刻蚀的一致性5、较低的材料消耗和废气处理费用干法刻蚀化学方法物理化学混合方法资料来源：半导体

6、制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著）， 图4：化学和物理干法刻蚀原理资料来源：半导体制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著）， 干法等离子体刻蚀机中最常见的是CCP和ICP刻蚀机干法等离子体刻蚀中最常见的是电容性耦合等离子体刻蚀（CCP）和电感性耦合等离子体刻蚀（ICP），两者激发等离子体的方式不同CCP为电容极板激发等离子体，ICP由电感线圈激发等离子体，两者涵盖了绝大部分刻蚀应用双频电源CCP刻蚀可在一定程度上改善CCP刻蚀不能单独控制等离子体浓度和能量的特点IC

7、P刻蚀设备按结构不同又分为螺旋状线圈ICP和平面盘绕状ICP（又称TCP）螺旋状线圈ICP，在刻蚀反应腔体外缠绕电感线圈平面盘绕状ICP，线圈在一个平面内，放置在反应腔体上部此外还有一种ECP方式也可看做ICP的一种图5：双频电源CCP刻蚀机原理图（电源加在一个/两个极板）资料来源：等离子体刻蚀工艺的物理基础（物理学和高新技术，戴忠玲、毛明、王友年），图6：螺旋状线圈ICP刻蚀机和平面盘绕状ICP刻蚀机原理图资料来源：等离子体刻蚀工艺的物理基础（物理学和高新技术，戴忠玲、毛明、王友年），ICP和CCP刻蚀设备的主要应用场景不同ICP：刻蚀较软和较薄，需精细控制的材料，如栅极硅刻蚀CCP：较硬材

8、料上，刻蚀高深宽比的深孔、深沟等，如介质通孔刻蚀国外各家刻蚀设备公司主要技术路线应用材料（ICP），Lam（TCP），TEL（CCP），Hitachi（ECP）表3：ICP和CCP刻蚀设备的主要应用场景不同设备类型特点应用场景电容耦合 CCP刻蚀设备1、不易单独控制等离子体浓度和能量2、较高的工作气压3、通常较大能量，易过刻蚀损伤晶圆1、高能离子2、在较硬材料上，刻蚀高深宽比的深孔、深沟等3、如介质通孔刻蚀电感耦合 ICP刻蚀设备1、可分别控制等离子体浓度和能量2、较低的工作气压3、通常均匀的离子浓度、低能量，不易损伤晶圆1、低能离子，均匀的离子浓度2、刻蚀较软的和较薄的材料3、如栅极硅刻蚀资

9、料来源：半导体制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著），晶圆制造过程分FEOL和BEOL段，对工艺要求不同图7： 典型晶圆剖面图，制造过程分FEOL段和BEOL段金属层6 层间介质5晶圆制造由低向高逐层堆积，每一层都需经薄膜沉积、光刻和刻蚀，靠前的工序为FEOL，靠后的为BEOL金属层出现前的制造阶段为FEOL（Front end of line）， 是晶圆制造最靠前工序，对工艺、线宽要求较严格，是关金属层5 层间介质4金属层4 层间介质3金属层3BEOL段介质、金属刻蚀大深宽比CCP刻蚀设备键工艺段金属层出现后的制造阶段为BEOL

10、（Back end of line）， 是晶圆制造中靠后的工序，对工艺、线宽要求较FEOL更宽松层间介质2金属通孔金属层2 层间介质1金属层1FEOL段对工艺要求较高，如14nm工艺中，FEOL段需严格做到14nm金属介质硅接触孔金属接触孔硅FEOL段（关键）硅、介质刻蚀BEOL段对工艺要求稍低，如14nm工艺中，BEOL段通常不必做到14nmP+硅P+N+硅N+N阱P阱ICP刻蚀设备资料来源：半导体制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著）,按刻蚀的材料可分为硅刻蚀、介质刻蚀和金属刻蚀FEOL段、BEOL段和后道先进封装中，刻蚀的材

11、料和要求各不相同FEOL段主要是对硅和介质的精细刻蚀，线宽、等离子能量控制、对晶圆的损伤等要求严格BEOL段主要是对介质和金属的刻蚀，主要是刻蚀高深宽比的深孔、深槽等后道先进封装中，硅通孔工艺（TSV）刻蚀微米级通孔，对刻蚀设备的功率要求较大表4：FEOL段、BEOL段和先进封装工艺中刻蚀的材料和对刻蚀的要求不同工艺段主要刻蚀材料刻蚀要求主要刻蚀工艺主要刻蚀设备FEOL段硅 介质材料较薄，对工艺、线宽要求较严格，是关键工艺段栅极硅刻蚀接触孔介质刻蚀浅沟槽硅刻蚀介质侧墙刻蚀等ICP刻蚀设备BEOL段介质金属材料较硬较厚，高深宽比深孔、深槽对工艺、线宽要求较FEOL更宽松通孔介质刻蚀钝化层刻蚀金属

12、刻蚀等CCP刻蚀设备后道先进封装硅微米级深孔刻蚀硅通孔刻蚀等TSV刻蚀设备资料来源：半导体制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著），CHANGJ IANG ECURITI E刻蚀设备19年全球市场空间约116亿美元，2020年约140亿美元半导体设备中晶圆制造设备价值量占比约80%，刻蚀设备占比最大光刻、刻蚀和薄膜设备等核心工艺环节的设备价值量较大刻蚀设备约占晶圆制造设备价值量的24%，近年来超过光刻，占比最大据SEMI预计，2019年全球半导体设备销售额约595.8亿美元，2020年约719.2亿美元2019年全球刻蚀设备市场空间

13、约116亿美元，2020年约140亿美元图8：晶圆制造设备占半导体设备价值量的约80%，刻蚀占约24%份额图9：全球半导体设备销售额其他设备, 4.0%测试设备, 8.7%封装设备, 6.4%晶圆制造设备, 80.8%刻蚀设备, 24%其他沉积设备, 9%光刻机/光刻胶处理, 23%CVD, 18%20092010201120122013201420152016201720182019E2020ECMP/表面处理/清洁,8007006005004003002001000620.9 595.8719.2200%150%100%50%0%-50%-100%检测设备, 13%13%全球半导体设备销售

14、额（亿美元）同比资料来源：SEMI/SEAJ WWSEMS，资料来源：SEMI，刻蚀设备市场由巨头垄断晶圆制造设备公司龙头效应显著前4大设备公司市场份额占比达约60%前4大公司主要业务均为光刻、刻蚀、薄膜沉积等核心工艺环节刻蚀设备市场由Lam、东京电子和应用材料三大巨头垄断Lam占全球刻蚀设备约50%份额，东京电子和应用材料各占约20%份额此外有日立高新技术、SPTS、及部分国产刻蚀设备公司参与刻蚀设备竞争图10： 2017年半导体设备前12大公司市场份额图11：2016年全球刻蚀设备市场份额占比情况其他, 23.57%尼康, 1.1%先域, 1.2%大福, 1.2%日立国际电气, 1.7%应

15、用材料, 19.1%泛林, 15.1%18.1%9.5%52.7%Lam东京电子应用材料日立高新, 1.8%细美事, 1.9%迪恩士, 2.5%科天, 5.0%阿斯麦, 12.9%东电电子, 12.9%19.7%其他资料来源：SEMI，资料来源：Gartner，刻蚀设备行业经不断整合，目前格局较为稳定并购整合是刻蚀设备公司强化自身竞争力的有效途径刻蚀设备行业经数十年发展、竞争和整合，目前主要由Lam、应用材料和东京电子三家垄断应用材料2013年9月曾尝试并购东京电子，Lam于2015年10月曾尝试并购KLA-Tencor，但均因反垄断而失败，目前刻蚀设备巨头竞争格局较为稳定图12：经30多年竞

16、争和整合，刻蚀设备行业集中到主要的3家表5：刻蚀设备龙头公司主要并购情况时间收购公司被收购标的被收购标的主要业务2006LamSilfex与刻蚀相关的零部件和辅助系统2007东京电子Epion与刻蚀相关的零部件和辅助系统2007LamSEZ Group湿法刻蚀2009应用材料Semitool湿法刻蚀2012东京电子FSI湿法刻蚀2017LamCoventor3D 建模和分析资料来源：东京电子、应用材料、Lam等公司官网，资料来源：Lam、东京电子、应用材料、Conventor等相关公司官网，预计2019/20年中国大陆刻蚀设备市场空间分别24.3/33.1亿美元图13： 2019与2020年是

17、中国大陆内资晶圆厂设备投资高峰2019与2020年是中国内资晶圆厂设备投资高峰预计2019年中国大陆半导体设备市场空间约为125.4亿美元预计2020年中国大陆半导体设备市场空间约为170.6亿美元2019年与2020年中国大陆主要半导体设备市场空间巨大预计2019与2020年中国大陆刻蚀设备市场空间分别24.3、33.1亿美元1009080706050403020100中国大陆内资晶圆厂规划设备投资额测算（亿美元）2017H22018H12018H22019H12019H22020H12020H22021H12021H22022H12022H2图14： 2019/20年中国大陆是全球最大半导

18、体设备市场之一（亿美元）资料来源：集成电路应用,2017年上海集成电路产业发展研究报告，图15：2019与2020年中国大陆主要半导体设备市场空间（亿美元）200180160170.6179.5 183.1171.13533.131.723.324.33024.8140120100806040200128.2125.413282.3114.9118.1124.9101.194.78688.9封装设备64.92513.213.218.22017.917.915105刻蚀设备光刻机CVDCMP/表面处理/清洗过程检测设备012.411.09.18.114.810.9测试设备其他设备5.0 6.9中

19、国大陆韩国台湾地区日本北美欧洲东南亚和其他2013201420152016201720182019E2020E资料来源：SEMI，其他沉积设备资料来源：SEMI/SEAJ WWSEMS，国产刻蚀设备已具有一定竞争力截止至2018年12月31日，长江存储采购的刻蚀设备中，Lam占据最大份额，国产刻蚀设备以16%的份额排第二截止至2018年12月31日，福建晋华采购的刻蚀设备中，东京电子占据最大份额，国产刻蚀设备以17%的份额排第四尽管在线宽要求更严格的关键工序ICP硅刻蚀等领域国产刻蚀设备与国外龙头仍有差距，但国产刻蚀设备在CCP介质刻蚀、TSV等领域已具有一定竞争力，目前已占据国内大部分TSV

20、市场，国产介质刻蚀机进入台积电7nm量产线和5nm验证线，并在内资晶圆厂中占据了较大的份额，国产崛起可期待图16：截止至2018年12月31日长江存储的刻蚀设备订单份额1%图17：截止至2018年12月31日福建晋华的刻蚀设备订单份额6%2%13%11%53%Lam国产刻蚀设备东京电子应用材料DNS其他19%17%38%东京电子应用材料Lam国产刻蚀设备SAMCO16%24%资料来源：中国国际招标网，资料来源：中国国际招标网，CHA4GJ IANG BECURITI E晶圆量和工艺进步是刻蚀设备需求影响因素，刻蚀设备占比提升影响刻蚀设备需求的主要因素包括晶圆处理量、工艺进步、半导体产业转移和E

21、UV光刻机效率的提升核心影响因素：晶圆处理量下游景气度，决定了所有半导体设备的需求工艺进步 芯片结构3D化、多重曝光等，促使刻蚀设备在晶圆产线中的价值量占比提升近年来，随着半导体制程进入22nm以下，FinFET工艺、3D NAND工艺、多重曝光工艺等的广泛应用，对刻蚀设备的需求逐渐升高，刻蚀设备在晶圆产线的设备投资中占比逐渐提升图18：影响刻蚀设备需求的两个核心因素是晶圆量和工艺进步图19：近年来刻蚀（Etch）设备在晶圆产线中价值占比不断提升刻蚀设备更新需求新增需求使用寿命很长设备老化更新需求较少晶圆量工艺进步产业转移EUV光刻机效率提升资料来源：应用材料官网，资料来源： SEMI/SEA

22、J WWSEMS ，22nm及以下先进制程，需通过多重曝光工艺实现ArF光源的深紫外DUV光刻机波长为193nm，单次曝光极限精度为65nm将光刻放入水中进行，即浸润式光刻，利用水的折射提高光刻机的分辨率，单次曝光极限精度为28nm22/14/10nm及台积电第一代7nm制程，受限于光刻机的精度，无法通过单次曝光实现，需采用多重曝光工艺，利用刻蚀机的高精度来实现波长名发射源波长（nm）光刻设备最小工艺节点（nm）表6：光刻机按光源不同可分为五代，ArF光源的深紫外光DUV浸润式光刻机借助多重曝光最高能做到7nm制程接触式光刻机800-250接近式光刻机800-250第一代可见光 G线汞灯436

23、接近式光刻机800-250第二代紫外光UV I线汞灯接触式光刻机800-250365第三代深紫外光DUV氟化氪KrF准分子激光248扫描投影式光刻机180-130步进扫描投影式光刻机130-65第四代深紫外光DUV氟化氩ArF准分子激光193浸润式步进扫描投影式光刻机45-7第五代极紫外光EUV二氧化碳CO2激光13.5极紫外光刻机22-5资料来源：半导体制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著），多重曝光增大了刻蚀的步数，提高了刻蚀设备用量22nm及以下工艺采用多重曝光工艺，增加了较多刻蚀步骤，增大了对刻蚀设备的需求工艺越先进，刻蚀

24、步骤数越多，对刻蚀设备的需求也就越多，刻蚀设备在产线中的价值占比也越大EUV光刻机采用13.5nm波长，单次曝光可达到7nm及以下精度，不需要多重曝光，理论上可减少配套的刻蚀机数量，但目前EUV光刻机较昂贵，光源功率较低，晶圆生产效率低，成本较高，未来较长一段时间内，多重曝光工艺的14/10nm制程仍是主流图20：10nm多重曝光工艺原理，涉及多次刻蚀表7：制程越先进，刻蚀的步数越多 1.沉积20nm薄膜外壳 20nm薄膜40nm核 2.刻蚀出20nm边墙3.刻蚀掉40nm的核器件工艺器件类型总共刻蚀步数全工艺步骤数40nmLogic3528nmLogic5022nmLogic55100010

25、nmLogic11013007nmLogic140150020nm边墙 4.沉积10nm薄膜外壳5.刻蚀出10nm边墙6.刻蚀掉20nm的核10nm边墙资料来源： 半导体制造技术（中国工信出版集团、电子工业出版社，Michael Quirk, Julian Serda著），资料来源：SEMI ISS，国内制程工艺有较大进步空间，对刻蚀设备需求潜力巨大中芯国际预计2019年上旬量产14nm工艺，比国际先进水平落后两代以上国内晶圆厂的制程工艺有较大进步空间，每一次制程工艺更新，需建新的产线，即会带来新的设备需求随着国内晶圆厂制程工艺的进步，多重曝光工艺逐步得到应用，对刻蚀机的需求潜力巨大格罗方德、

26、联电等放弃研发12nm以下工艺，转而优化现有的14nm工艺，14nm工艺将保有长期生命力，未来份额或逐步提升，14nm工艺采用了多重曝光工艺，将拉动对刻蚀机的需求图21：主要晶圆厂制程进展，国内晶圆厂还有较大进步空间公司制程2011201220132014201520162017201820192020公司制程2011201220132014201520162017201820192020台积电28nm PolySION2011Q3Intel22nm Planar2011Q428nm HKMG2012Q114nm FinFET2014Q220nm Planar2014Q210nm FinFET

27、2019Q416nm FinFET2015Q47nm FinFETTBD10nm FinFET2017Q1格罗方德28nm PolySION2013Q27nm FinFET2018Q222nm FD-SOI2014Q15nm FinFET2020H120nm Planar2014Q4三星28nm PolySION2012Q414nm FinFET2015Q328nm HKMG2013Q2联电28nm HLP2014Q222nm FD-SOI2015Q214nm FinFET2017Q120nm Planar2014Q2中芯国际28nm PolySION2015Q214nm FinFET2015

28、Q120nm Planar2018Q210nm FinFET2017Q114nm FinFET2019Q17nm LPP2018Q3华力微28nm LP2018Q4资料来源：IC China，台积电、三星、英特尔、格罗方德、联电、中芯国际、华力微电子等公司官网与公告，3D NAND工艺对刻蚀和薄膜沉积工艺要求较高3D NAND工艺中，增加集成度的主要方法不再是缩小单层上线宽，而是增大堆叠的层数（32/64/96/128层），单层上线宽几十nm即可满足工艺要求，因此光刻机不再是3D NAND工艺的瓶颈3D NAND工艺对刻蚀和薄膜沉积工艺的技术要求较高，设备的使用量也较大平面电路对刻蚀机的技术要

29、求是能够刻蚀出足够精细（小）的线宽；3D NAND需要用很小的通孔连接几十至一百余层硅，因此对刻蚀机的技术要求是刻蚀的深宽比能力足够大，能够打穿数十层硅，且保证刻蚀的角度和剖面质量图22：3D NAND工艺中增加集成度的方法是增大堆叠层数图23：3D NAND工艺要求刻蚀机有足够大的深宽比资料来源：国际电子商情，资料来源：Seekingalpha，3D NAND工艺提高了刻蚀设备需求3D NAND工艺中对刻蚀和薄膜工艺要求较高，对刻蚀设备和薄膜沉积设备需求较大3D NAND工艺中刻蚀设备的投资额占晶圆产线设备投资额50%以上，相比2D NAND大幅提升图24：3D NAND工艺中，刻蚀设备投资

30、额占晶圆产线设备投资50%以上资料来源：东京电子，CHANGJ IANG ECURITI E美国Lam公司Lam Research 公司成立于1980年，1984年于纳斯达克上市，业务覆盖刻蚀、薄膜沉积和清洗设备等全球刻蚀设备龙头，约占全球刻蚀设备市场50%份额2018财年营收110.8亿美元，净利润23.8亿美元2018财年研发开支11.9亿美元2018财年全球员工10,900人图25：Lam公司近几年营收增速较快，毛利率稳定在45%左右图26：2018财年Lam公司营收地区格局120100806040200201320142015201620172018营收（亿美元）营收同比毛利率50%4

31、5%40%35%30%25%20%15%10%5%0%7%13%5%7%16%17%35%韩国日本中国大陆中国台湾其他亚太地区北美欧洲资料来源：Bloomberg，会计年结日为6月24日资料来源：Bloomberg，美国应用材料公司应用材料公司成立于1967年，是全球最大半导体设备公司，业务覆盖刻蚀、薄膜沉积、离子注入、CMP等多个领域在刻蚀设备市场约占20%份额2018财年营收172.5亿美元，净利润33.1亿美元2018财年研发费用20.2亿美元2018财年全球员工21000人图27：应用材料公司近年营收增长稳定，毛利率维持在45%左右图28：2018财年应用材料营收地区格局2001801

32、60140120100806040200201320142015201620172018营收（亿美元）营收同比毛利率50%40%30%20%10%0%-10%-20%5%14%6%9%16%21%29%中国大陆韩国中国台湾日本东南亚北 美 欧洲资料来源：Bloomberg，会计年结日为10月28日资料来源：Bloomberg，日本东京电子公司东京电子成立于1963年，是日本最大半导体设备公司，业务覆盖氧化炉管、刻蚀、清洗、匀胶、薄膜沉积等多个领域刻蚀设备市场占有约20%份额，以CCP刻蚀机为主2018财年营收102.1亿美元，净利润18.5亿美元2018财年研发费用8.8亿美元2018财年全球员工11946人图29：东京电子最近两财年营收恢复增长，毛利率40%左右图30：2018财年东京电子营收地区格局120100806040200201320142015201620172018营收（亿美元）营收同比毛利率50%40%30%20%10%0%-10%-20%-30%1