20240403_光大证券_半导体行业跟踪报告：半导体设备刻蚀和薄膜举足轻重关注中微拓荆华创_54页.pdf

证 券 研 究 报 告 半导 体设备：刻蚀和薄膜举 足轻重，关 注中微拓荆 华创 2024年4 月3 日 作者：刘凯 执 业 证 书 编号：S0930517100002 于 文 龙 执 业 证 书编 号：S0930522100002 联 系 人：黄 筱茜 半导体行业跟踪报告之十三 请务必参阅正文之后的重要声明 目录 2 1、刻 蚀和薄膜沉积设备至关重要 2、刻 蚀：3D NAND 和 先 进逻辑制程将大幅提升刻蚀的重要性 3、薄 膜沉积：在先进逻辑和存储领域应用广泛 4、中 微公司：中国刻蚀 和MOCVD设备龙头积极布局薄膜和检测市场 5、拓 荆科技：中国薄膜沉积设备龙头卡位键合设备市场 6、北 方华创：中国半导体设备领军企业在刻蚀和薄膜领域积累深厚 7、投 资建议：重点关注中微公司/拓荆科技/北方华创 8、风 险提示 YWCXuNtOtQrQqOnOsPoRoP6MdN9PtRrRpNrNjMmMnRkPoOpQbRmNoOMYpPtPuOsQnR请务必参阅正文之后的重要声明 3 全球集成电路市场规模保持持续增长趋势。根据Gartner 数据，2023 年全球 集成电路市场规模 为5,330亿美元，预计2024 年将会复苏 至6,300亿美元。晶 圆厂 的产能 扩建将 引领 半导体 设备需 求的 持续增 长。根据SEMI 预测，在2022年至2026 年 期间，下游 芯片 制造厂 商将持 续扩 充产能，以满 足需 求增长。2022 年 全 球 半 导 体 制 造 厂 商300mm 晶 圆 厂 产 能 每 月 约 为700 万片，预计2026 年 将 增 加 至 每 月960 万 片 的 历 史 新 高。中 国 大 陆 也 将 持 续 推 动300mm 前端晶圆厂产能增长，将全 球份额 从2022 年的22%增加到2026年的25%，达到 每月240 万片晶 圆。2023 年 全 球 集 成 电 路 前 道 设 备 市 场 约 为950 亿 美 元，同 比 增 长0.9%。中国大陆、中 国 台 湾 地 区 和 韩 国 是 最 大 的 区 域 市 场，其 中 中 国 大 陆 市 场 规 模约为330 亿美元，占 比超过1/3；中国 台湾地 区市场 规模为179 亿美元，占比 约为19%。图 1：全球 集成 电 路市 场 规模 变 化（单 位：亿 美元）资料来源：Gartner，中微 公司2023年年 报 1.1、2023 年中国大陆持续成为全球最大的集成电路设备市场 图 2：2023 年集 成 电路 前 段设 备 全球市场 规模 分布 资料来源：SEMI，中微公 司2023年年报 请务必参阅正文之后的重要声明 4 1.1、2011-2021 年前道各种设备刻蚀和薄膜设备增长最快 图 3：2011 年到2021 年半 导体芯 片前道 设备市 场规模 年均增速 资料来源：Gartner，中微 公司2023 年半 年报 由 于 光刻机 的波长 限制，加上存 储器从2D 到3D 的转变，等离子 体刻蚀 设备和 化学薄 膜设备 的市场 增长速 度超过 光刻机 和其他 设备。微观器 件的不断缩小推动了器件结构和 加工制 成的革 命性变 化，存 储器件 从 2D 到 3D 的转换，使等离子体 刻蚀和 薄膜制 程成为 最关键 的步骤，对这 两类设 备的需求量大大增加。光刻机 由于波 长的限 制，更 小的微 观结构 要靠等 离子体 刻蚀和 薄膜的 组合拳“二重 模板”和“四 重模板”工艺 技术来 加工，刻蚀机和薄膜设备的重要性不 断提高，近年 来市场 的年平 均增长 速度远 高于其 他的设 备。根据Gartner，干 法刻蚀 和化学 薄膜设 备在2011 到2021 年间 市场规 模年均 增速为16.39%和13.41%。dL2RSSiXRyZcOcP4cnY3RsiCYydMK33bsDsO0TSEcfaVPhQawpUC3kD+0DFYM5NP 请务必参阅正文之后的重要声明 5 1.2、A 股半导体设备重点公司销售额市场占比较低 表 1：18 家A 股 半导体 设备重 点公司 在我国 半导体 设备市 场的份 额测算 资料来源：Wind，SEMI，光大 证券研 究所 注：1）全球及中国半导体设 备销售 额2018-2022年数据来 源为Wind,2023 年数据来源为SEMI；2）按人 民币：美元2018-2023 年平均 汇率为7:1 进行销售额的折算；3）我们 选择 中 微公司、北方 华创、精测电 子、至 纯科技、芯源 微、盛 美上海、拓荆 科技、华海清 科、中 科飞测、微导 纳米、万业企 业、富 创精密、美埃 科技、光力科 技、长川科技、华峰测控、深 科达、金海通 共18 家A 股上 市公司 作为我 国半导 体设备 重点公 司的样 本；4）截至2024年4 月2 日，重 点公司 中仅中 微公司、盛美 上海发 布2023年年 报。2018 2019 2020 2021 2022 2023 半 导 体 设备业务营收口径 全 球 半导体 设备销 售额（单位：亿美元）645 598 712 1,026 1,076 1,056 中 国 半导体 设备销 售额（单位：亿美元）131 135 187 296 282 363 全 球 半导 体 设备 销 售额（单位：亿元）4,517 4,183 4,983 7,185 7,535 7,392 中 国 半导体 设备销 售额（单位：亿元）917 942 1,311 2,074 1,976 2,538 半 导 体设备 业务营 收（单 位：亿 元）中微公司 13.98 15.87 17.99 25.07 38.47 51.66*专用设备 北方华创 25.21 31.91 48.69 79.49 120.84*电子工艺设备 精测电子 0.05 0.65 1.36 1.83*半导体 至纯科技 0.82 2.18 7.01 7.94*19-21年半导体设备；22 年设备业务 芯源微 2.07 3.18 8.13 13.60*半导体类设备 盛美上海 5.39 7.44 9.75 15.47 27.56 37.15*18-20为总营收减去其他业务；21-22 年为半导体设备 拓荆科技 0.67 2.47 4.29 7.45 16.86*半导体设备减去其他业务 华海清科 0.32 1.95 3.53 6.94 14.31*CMP 设备 中科飞测-U 0.29 0.55 2.38 3.59 5.03*检测设备+量测设备 微导纳米 0.42 2.16 3.12 4.28 6.84*设备制造 万业企业 0.58 0.84 0.22 1.23 2.06*专用设备制造 富创精密 2.18 2.49 4.73 8.29 12.94*18-21年为总营收减去其他业务；22 年为半导体行业 美埃科技 6.17 7.75 8.44 10.31 9.81*18-21年为过滤器+风机过滤系统+空气净化设备；22 年为过 滤器 光力科技 0.45 0.46 0.38 2.35 3.21*半导体精密加工类产品 长川科技 2.04 3.63 7.38 14.25 23.71*分选机+测试机 华峰测控 1.98 2.35 3.69 8.21 10.15*测试系统 深科达 0.22 0.4 1.21 2.77 1.94*半导体自动化设备 金海通 0.71 1.82 4.2 4.26*半导体设备 合计 83.92 123.63 210.40 321.36 市 场 占比 9%9%10%16%请务必参阅正文之后的重要声明 6 1.2、A 股 半 导 体设备重点公司存货持续增加 表 2：A 股 半导体 设备重点 公司2022-2023 年 各季度 末存货 情况（单位：亿元）资料来源：Wind，光大证券 研究所 注：截至2024年4 月2 日，重点公司中 仅中微 公司、盛美上 海发布2023 年年报 2022Q1 2022Q2 2022Q3 2022Q4 2023Q1 2023Q2 2023Q3 2023Q4 688012.SH 中微公司 20.95 24.87 32.40 34.02 37.05 38.05 40.91 42.60 002371.SZ 北方华创 97.12 107.10 115.74 130.41 150.12 167.28 173.29 300567.SZ 精测电子 10.00 12.03 13.60 13.54 14.08 14.69 15.64 603690.SH 至纯科技 12.72 14.00 16.08 17.05 20.68 23.77 28.73 688037.SH 芯源微 10.82 11.66 12.87 12.13 14.40 15.73 16.80 688082.SH 盛美上海 17.28 19.37 23.08 26.90 31.56 33.15 36.05 39.25 688072.SH 拓荆科技 12.94 15.63 20.90 22.97 27.17 32.88 38.70 688120.SH 华海清科 16.75 19.54 22.54 23.61 23.05 21.91 22.80 688361.SH 中科飞测-U 8.29 0.00 8.61 9.19 9.97 10.68 688147.SH 微导纳米 5.73 7.62 9.75 14.48 20.90 28.32 600641.SH 万业企业 8.02 8.47 9.29 9.00 10.73 11.92 11.76 688409.SH 富创精密 3.98 5.08 5.33 7.00 8.16 8.96 请务必参阅正文之后的重要声明 7 1.2、A 股 半 导 体设备重点公司合同负债整体呈现增长态势 资料来源：Wind，光大证券 研究所 注：截至2024年4 月2 日，重点公司中 仅中微 公司、盛美上 海发布2023 年年报 表 3：A 股 半导体 设备重点 公司2022-2023 年 各季度 末合同 负债情 况（单 位：亿 元）2022Q1 2022Q2 2022Q3 2022Q4 2023Q1 2023Q2 2023Q3 2023Q4 688012.SH 中微公司 15.00 15.94 19.69 21.95 23.20 18.05 13.65 7.72 002371.SZ 北方华创 50.90 56.78 65.12 71.98 78.22 85.86 93.80 300567.SZ 精测电子 0.78 1.71 2.26 1.99 2.17 3.44 3.58 603690.SH 至纯科技 2.47 4.47 2.83 2.70 3.03 4.38 4.92 688037.SH 芯源微 4.34 6.28 6.04 5.85 5.20 4.66 3.59 688082.SH 盛美上海 4.43 3.98 6.62 8.22 9.44 10.16 7.45 8.76 688072.SH 拓荆科技 7.80 10.87 9.22 13.97 16.33 15.06 14.97 688120.SH 华海清科 8.36 10.03 10.64 13.04 13.34 12.65 12.73 688361.SH 中科飞测-U 3.01 0.00 4.85 5.45 5.59 5.27 688147.SH 微导纳米 2.91 4.40 6.25 9.48 15.54 19.67 600641.SH 万业企业 9.15 9.07 9.75 1.89 2.07 4.24 1.52 688409.SH 富创精密 0.33 0.13 0.12 0.37 0.08 0.08 请务必参阅正文之后的重要声明 目录 8 1、刻 蚀和薄膜沉积设备至关重要 2、刻 蚀：3D NAND 和 先 进逻辑制程将大幅提升刻蚀的重要性 3、薄 膜沉积：在先进逻辑和存储领域应用广泛 4、中 微公司：中国刻蚀 和MOCVD设备龙头积极布局薄膜和检测市场 5、拓 荆科技：中国薄膜沉积设备龙头卡位键合设备市场 6、北 方华创：中国半导体设备领军企业在刻蚀和薄膜领域积累深厚 7、投 资建议：重点关注中微公司/拓荆科技/北方华创 8、风 险提示 请务必参阅正文之后的重要声明 9 2.1、存储器件向3D 结 构 的 转变使得等离子体刻蚀成最关键的加工步骤 图 4：存储 器件从 2D 到 3D 结 构 的转 变使等 离子体 刻蚀成 为最关 键的加 工步骤 资料来源：中微公司2023年年报 存 储 器件从 2D 到 3D 结 构 的转 变使等 离子体 刻蚀成 为最关 键的加 工步骤。随着 集成电 路芯片 制造工 艺的进 步，线 宽关键 尺寸不 断缩小、芯片 结构3D 化，晶圆制造向5 纳米 以及更 先进的 工艺发 展。由 于目前 先进工 艺芯片 加工使 用的光 刻机受 到波长 限制，14 纳 米及以 下的逻 辑器件 微观结 构的加工多通过等离子体刻蚀和 薄膜沉 积的工 艺组合 多 重模板 工艺来 实现，使得刻 蚀等相 关设备 的加工 步骤增 多。由 于存储 器技术 由二维 转向三 维架构，随着堆叠层数的增加，刻蚀 设备和 薄膜沉 积设备 越来越 成为关 键核心 的设备。请务必参阅正文之后的重要声明 10 2.2、电 感 式 等离子刻蚀ICP 和 电容式等离子刻蚀CCP 图 5：电容 性等离 子体刻 蚀反应 腔 资料来源：中微公司2023年年报 图 6：电感 性等离 子体刻 蚀反应 腔 资料来源：中微公司2023年年报 等 离 子体干 法刻蚀 是目前 主流的 刻蚀技 术。刻 蚀可以 分为湿 法刻蚀 和干法 刻蚀。湿法刻 蚀各向 异性较 差，侧 壁容易 产生横 向刻蚀 造成刻 蚀偏差，通常用于工艺尺寸较大的应 用，或 用于干 法刻蚀 后清洗 残留物 等。等离子体刻蚀设备是一种 大型真 空的全 自动的 加工设 备，一 般由多 个真空 等离子 体反应 腔和主 机传递 系统构 成。等 离子体 刻蚀设 备的分 类与刻 蚀工艺密切相关，其原理是利 用等离 子体放 电产生 的带化 学活性 的粒子，在离 子的轰 击下，与表面 的材料 发生化 学反应，产生 可挥发 的气体，从而 在表面的材料上加工出微观结 构。根据产生等离子体方法的 不同，干法刻 蚀主要 分为电 容性等 离子体 刻蚀和 电感性 等离子 体刻蚀；根据 被刻蚀 材料类 型的不 同，干 法刻蚀 主要是 刻蚀介质材料、硅材 料 和金属材 料。（1）电容性等 离子体 刻 蚀主要是 以高能 离 子在较硬 的介质 材 料上，刻 蚀高深 宽 比的深孔、沟槽 等 微观结构；（2）电感性等离子体刻蚀主要 是以较 低的离 子能量 和极均 匀的离 子浓度 刻蚀较 软的或 较薄的 材料。请务必参阅正文之后的重要声明 11 2.2、先 进 逻 辑芯片制程将使刻蚀技术重要性进一步提升 图 7：10 纳米 多重 模板 工艺 原 理，涉 及更 多 次刻 蚀 资料来源：中微公司2023年年报 随着国际上先进芯片制程 从7-5 纳 米阶段 向更先 进工艺 的方向 发展，当前光 刻机受 光波长 的限制，需要 结合刻 蚀和薄 膜设备，采用 多重模 板工艺，利 用 刻蚀工 艺实现 更小的 尺寸，使得刻 蚀技术 及相关 设备的 重要性 进一步 提升。请务必参阅正文之后的重要声明 12 2.2、刻 蚀 技 术水平发展状况及未来发展趋势 图 8：2D NAND 及3D NAND 示意 图 资料来源：中微公司2023年年报 芯片线宽的缩小及 多重模板工艺等新 制造工艺的采用，对刻蚀技术的精确 度和重复性要求更 高。刻蚀技术需要 在刻蚀速率、各向 异性、刻蚀偏 差、选择比、深宽比、均匀性、残留 物、等 离子体 引起的 敏感器 件损伤、颗粒 沾污等 指标上 满足更 高的要 求，刻 蚀设备 随之更 新进步。3D NAND 层 数 的 增 加 要 求 刻 蚀 技 术 实 现 更 高 的 深 宽 比，并 且 对 刻 蚀 设 备 的 需 求 比 例 进 一 步 加 大。集成电路2D 存 储 器 件 的 线 宽 已 接 近 物 理 极 限，NAND 闪存已进入3D 时代。目前128 层3D NAND 闪存已进 入大生产，200 层 以 上闪存已 处于批 量 生产阶段，更高 层 数正在开 发。3D NAND 制造工艺中，增 加 集 成 度 的 主 要 方 法 不 再 是 缩 小 单 层 上 线 宽 而 是 增 加 堆 叠 的 层 数。刻蚀要在氧化硅和 氮化硅的叠层结构 上，加工40：1 到60：1 甚 至 更 高的极深孔或极深的沟槽。请务必参阅正文之后的重要声明 目录 13 1、刻 蚀和薄膜沉积设备至关重要 2、刻 蚀：3D NAND 和 先 进逻辑制程将大幅提升刻蚀的重要性 3、薄 膜沉积：在先进逻辑和存储领域应用广泛 4、中 微公司：中国刻蚀 和MOCVD设备龙头积极布局薄膜和检测市场 5、拓 荆科技：中国薄膜沉积设备龙头卡位键合设备市场 6、北 方华创：中国半导体设备领军企业在刻蚀和薄膜领域积累深厚 7、投 资建议：重点关注中微公司/拓荆科技/北方华创 8、风 险提示 请务必参阅正文之后的重要声明 14 3.1、薄膜沉积设备市场空间广阔 图 9：半导 体设备 及晶圆 制造设 备市场 占比 资料来源：SEMI，拓荆科 技2023年半年 报 在半导体设备中，应用于 集成电 路领域 的设备 通常可 分为前 道工艺 设备（晶圆制 造）和 后道工 艺设备（封装 测试）两大类。其中，晶圆 制造设 备的市场规模约占半导体设备 市场规 模的88%。在 晶圆制 造设备 中，薄 膜沉积 设备、光刻设 备、刻 蚀设备 共同构 成芯片 制造三 大核心 设备，决定了 芯片制造工艺的先进程度。而 薄膜沉 积设备 所沉积 的薄膜 是芯片 结构内 的功能 材料层，在芯 片制造 过程中 应用广 泛，因 此，产 生了巨 大的薄 膜沉积 设备市场。根据Gartner 历年统 计，全球 刻蚀设 备、薄膜沉 积设备 分 别占晶圆 制造设 备 价值量约22%和22%。2022 年全 球薄 膜沉积设 备市场 规 模达229 亿 美元，结合中国 大陆半 导 体制造设 备销售 额 占全球半 导体制 造 设备的销 售额约 为26%的 比例测 算，2022 年 中国大 陆薄膜 沉积设备 市场规 模 约为60 亿美 元，具 有 广阔的 市场空 间。请务必参阅正文之后的重要声明 15 3.2、薄膜沉积主要分为CVD、PVD 和ALD 图 10：PVD、CVD 及ALD 成 膜 效果简示 资料来源：拓荆科技招股 说明书，Characterization of Atomic Layer Deposited Thin Films:Conformality in High Aspect Ratio Pores and the Electrical Properties 薄 膜 沉积是 指在硅 片衬底 上沉积 一层待 处理的 薄膜材 料。所 沉积薄 膜材料 可以是 二氧化 硅、氮 化硅、多晶硅 等非金 属以及 铜等金 属。薄 膜沉积 设备主要负责 各个步 骤 中的介质 层与金 属 层的沉积，包括CVD（化学气相 沉积）设备、PVD（物理 气相沉积）设备/电 镀设备和ALD（原子层沉积）设备。化 学 气相沉 积：CVD 是通过化 学反应 的方式，利用 加热、等离子 或光辐 射等各 种能源，在反 应器内 使气态 或蒸汽 状态的 化学物 质在气 相或气 固界面上经化学反应形成固态沉 积物的 技术，是一种 通过气 体混合 的化学 反应在 硅片表 面沉积 薄膜的 工艺，可应用 于绝缘 薄膜、硬掩模 层以及 金属膜 层的沉积。CVD 设备由气相反应室（进气 方向与 样品表 面成水 平或垂 直）、能量系 统（加 热或射 频）、反应气 体控制 系统、真空系 统及废 气处理 装置等组成。硅片的表面及邻 近区域 被加热 来向反 应系统 提供附 加的能 量。等 离 子体增 强化学 气相沉 积设备（PECVD）：PECVD 在从亚微 米发展 到90nm 的IC 制造技术过程中，扮演了重 要的角 色。由 于等离 子体的 作用，化学反应温度明显降低，薄膜纯 度得到 提高，致密度 得以加 强，不 伤害芯 片已完 成的电 路。次 常 压化 学 气相 沉 积（SACVD）：SACVD 主要 应用 于 沟槽 填 充工 艺。集 成 电路 结 构中，沟槽 孔 洞的 深 宽比 越 来越 大，SACVD 反应腔环境具有特有的高温（400-550）、高 压（30-600Torr）环境，具有快 速填空（Gap fill）能力。请务必参阅正文之后的重要声明 16 3.2、薄膜沉积设备在逻辑、存储等芯片制造过程中应用广泛 图 11：在 逻辑芯 片中的 应用图 示 资料来源：拓荆科技2023年半年 报 图 12：在3D NAND 存储 芯片中 的应用 图示 图 13：在DRAM 存储 芯片中 的应用 图示 资料来源：拓荆科技2023年半年 报 资料来源：拓荆科技2023年半年 报 常用CVD 设 备 包括PECVD、SACVD、APCVD、LPCVD 等，适用于不 同工艺 节点对 膜质量、厚度 以及孔 隙沟槽 填充能 力等的 不同要 求。虽然PECVD（等离子体增强化学气相 沉积）、ALD（原子层 沉积）、SACVD（次常 压化学 气相沉 积）及HDPCVD（高密度 等离子 体化学 气相沉 积）等 薄膜设 备均属于CVD 细分领域产 品，但 不同的 设备技 术原理 不同，所沉积 的薄膜 种类和 性能不 同，适 用于芯 片内不 同的应 用工序，在逻 辑、存 储等芯 片制造过程中应用较为广泛。请务必参阅正文之后的重要声明 17 3.2、薄膜沉积设备发展趋势 图 14：不 同工艺 节点薄 膜沉积 工序对 比 资料来源：拓荆科技2023 年半年 报 芯 片 制造工 艺进步 及结构 复杂化 提高薄 膜设备 需求。（1）在90nm CMOS 芯片工艺中，大约需 要40 道薄膜 沉积工 序。在FinFET 工艺 产线，大约需要超过100 道薄膜沉 积工序，涉及 的薄膜 材料由6 种增 加到近20种，对于 薄膜颗 粒的要 求也由 微米级 提高到 纳米级，进而 拉动晶 圆厂对 薄膜沉 积设备需求量的增加。（1）在FLASH 存储 芯片领 域，随 着主流 制造工 艺已由2D NAND 发展为3D NAND 结构，结构的复杂化导致对于 薄膜沉 积设备 的需求量逐步增加。而随着3D NAND FLASH 芯片的堆叠层数不断增高，从32/64 层逐步 向更多 层及更 先进工 艺发展，对于 薄膜沉 积设备 的需求 提升的 趋势亦将延续。（3）在芯片工艺技术持 续进步 的趋势 下，当 难以通 过光刻 直接形 成先进 工艺的 情况下，可以 结合薄 膜沉积 设备（主要为ALD 设备）与刻蚀设备相配合，采用 自对准 多重成 像技术，实现 更小尺 寸的工 艺，这 将进一 步促进ALD 设备及相关 设备的 重要性 及需求 量的提 升。先 进 制程对 薄膜沉 积设备 提出更 高要求。在晶 圆制造 过程中，薄膜 起到产 生导电 层或绝 缘层、阻挡污 染物和 杂质渗 透、提 高吸光 率、临 时阻挡 刻蚀等重要作用。随着芯片制 造工艺 不断走 向精密 化，对 薄膜工 艺性能 提出了 更高的 技术要 求，包 括薄膜 厚度、均匀性、光学 系数、机械应 力及颗 粒度等性能指标，市场对于高 性能薄 膜设备 的依赖 逐渐增 加，这 也将拉 动半导 体高端 薄膜设 备的需 求。请务必参阅正文之后的重要声明 18 3.3、PECVD 是薄膜设备中占比最高的设备类型 图 15：薄 膜沉积 设备占 比情况 资料来源：SEMI，拓荆科 技2023年半年 报 根据SEMI，在2021年 全球各 类薄膜 沉积设 备市场 份额中，PECVD 是薄膜设 备中占 比最 高 的设备 类型，占整体 薄膜沉 积设备 市场的33%，ALD 设备 占比约 为 11%，SACVD和HDPCVD 占比 约小于6%。薄膜沉积设备作为集成电 路晶圆 制造的 核心设 备，其 技术的 发展支 撑了集 成电路 制造工艺的发展。在薄膜沉积 设备研 制过程 中，其 反应腔 设计、腔体内 关键件 设计、气路设计、温度控制及射频控 制需要 在理论 知识深 刻理解 的基础 上，结 合整机 设计和 薄膜工艺的配合与集成，专业 综合性 强，技 术密集 且壁垒 较高。由于薄膜是芯片结构的功能材料层，在芯片完成制 造、封 测等工 序后一 般会留 存在芯 片中，薄膜的 技术参 数直接影响芯片性能，因此，对薄膜 材料性 能的要 求极其 严格。生产中 不仅需 要在成 膜后检测薄膜厚度、均匀性、光学系 数、机 械应力 及颗粒 度等性 能指标，还需 要在完 成晶圆生产流程及芯片封装后，对最 终芯片 产品进 行可靠 性和生 命周期 测试，以衡量 薄膜沉积设备是否最终满足技 术标准。因此，薄膜 沉积设 备所需 要的验 证时间 较长。由此可见，薄膜设备从研制到 产业化 应用过 程均具 有极高 的技术 难度。此外，集成电路制造不同技术路线及不同工 序所需 要的薄 膜材料 种类不 同，薄 膜沉积 设备需 要针对 不同材料本身的物理、化学性 质，进 行工艺 开发，以实现 不同材 料的沉 积功能。随着 芯片内部立体结构日趋复杂，所需要 的薄膜 层数越 来越多，对绝 缘介质 薄膜、导电金 属薄膜的材料种类和性能参数 不断提 出新的 要求。请务必参阅正文之后的重要声明 19 3.3、ALD：适用于深槽结构和28nm 以下FinFET 工艺 图 16：PVD、CVD 及ALD 成 膜 效果简示 资料来源：拓荆科技招股 说明书，集成电路制造工艺与工 程应用 原子层沉积是将物质以单原子膜形式一层一层地镀在基底表面的方法。从原理上说，ALD 是通过化学反应得到 生 成物，但在沉 积反 应原理、沉 积反应 条件的要求 和沉积 层 的质量上 都与传 统 的CVD 不同。相 对 于传统的 沉积工 艺 而言，ALD 工艺具有自限制生长的特 点，可精确控制 薄膜 的厚度，制 备的薄 膜具有均匀的厚度和优异的一致性，台阶覆盖率高，特别适合深槽结构中的薄膜生长。ALD 设备沉积的薄膜具有 非 常精确的膜厚 控制 和非常优越 的台阶 覆盖率，在28nm 以下 关 键尺 寸缩 小的双 曝 光工 艺方 面取得 了 越来 越广 泛的应用。目前，28nm 以下先进 制程的FinFET 制造 工艺中，难点在于 形成Fin 的形状，Fin 的 有 源 区 并 不 是 通 过 光 刻 直 接 形 成 的，而 是 通 过 自 对 准 双 重 成 像技术（SADP，Self-Aligned Double Patterning）工艺形成。ALD 所沉 积的Spacer 材料的宽 度即决 定了Fin 的宽度，是 制约逻辑 芯片制 程先进程度 的核心 因 素之一。除 此之 外，ALD 设备在高k 材料、金 属栅、STI、BSI 等工艺中均 存 在大量应 用，广 泛 应用于CMOS 器件、存储芯 片、TSV 封装等半导体制造领域。请务必参阅正文之后的重要声明 20 3.3、LPCVD 设 备可用于中前端金属化工艺 图 17：LPCVD 设 备的中 前端金 属化工 艺 资料来源：中微公司2023 年年报 主 流 的半导 体工艺 节点采 用钨作 为接触 孔材料，以减 少纯铝 连接对 前端器 件的损 伤。伴 随着技 术节点 的推进，器件 外阻逐 渐超过 内阻，成为影 响器件速率的关键因素，同时 器件密 度的提 高使得 原本的 单层接 触孔结 构向多 层接触 孔演变。在先 进的节 点，钨 接触孔 是目前 最有竞 争力的 解决方 案。CVD 钨制程需要 良好的 附着和 阻挡层，一般 用附着 性、稳 定性以 及阻挡 性优异 的氮化 钛材料。在传 统工艺 中，关 键尺寸 比较大，填充 难度不 高，业界都是用物理气相沉积的 方法来 沉积氮 化钛。如今主 流的逻 辑和存 储芯片 接触孔 或者连 线的关 键尺寸 很小，深宽比 很高，传统的 物理气 相沉积 氮化钛由于较 低的阶 梯 覆盖率，不能够 满 足高端器 件的需 求。原子层 沉积的 氮 化钛具有 优秀的 阶 梯覆盖率，逐渐 成 为接触孔 阻挡层 和 粘结层的 主要选 择。国际国内先进逻辑器件工 艺节点 向5 纳 米及更 先进工 艺方向 发展，器件互 联电阻 逐渐增 大成为 影响器 件速度 的关键 因素。在90 纳米 到28 纳米的 传统工艺节点中，降低接触孔 电阻的 关键是 降低钨 膜的电 阻率。但是在14纳 米及更 先进工 艺节点，金属 阻挡层、金属 形核层 对接触 孔阻值 的影响 越来越明显，如何减少或者消 除阻挡 层和形 核层的 电阻是 降低接 触孔电 阻的关 键。钴、钼、钌等金 属的应 用以及 无阻挡 层的工 艺也在 更先进 工艺节 点上开发和应用。先进逻辑器 件还需 要均匀 性和稳 定性更 好的金 属栅的 填充技 术，以 提高器 件的性 能和稳 定性。随着3D NAND 堆叠层数增加，阶梯接触孔的深宽比会达到40：1 到60：1 以 上，这 对氮化 钛阻挡 层的生 长和极 高深宽 比的钨 填充都 提出了 更高的 要求，堆叠层 数的提 高还需 要更具 挑战性的WL 线路填充，包括更 高的深 宽比和 更长的 横向填 充。这 些新工 艺都要 通过先 进的金 属CVD 或ALD 来实现。请务必参阅正文之后的重要声明 目录 21 1、刻 蚀和薄膜沉积设备至关重要 2、刻 蚀：3D NAND 和 先 进逻辑制程将大幅提升刻蚀的重要性 3、薄 膜沉积：在先进逻辑和存储领域应用广泛 4、中 微公司：中国刻蚀 和MOCVD设备龙头积极布局薄膜和检测市场 5、拓 荆科技：中国薄膜沉积设备龙头卡位键合设备市场 6、北 方华创：中国半导体设备领军企业在刻蚀和薄膜领域积累深厚 7、投 资建议：重点关注中微公司/拓荆科技/北方华创 8、风 险提示 请务必参阅正文之后的重要声明 22 4.1、中微公司：中国刻蚀和MOCVD 设备龙头积极布局薄膜和检测市场 表 4：中微 公司 主 要产 品 资料来源：中微公司2023年年报，光大 证券研 究所整 理 类型 产品类别 图示 应用领域 类型 产品类别 图示 应用领域 刻蚀设备 电容性等离子体刻蚀设备 集成电路制造中氧化硅、氮化硅及低介电系数膜层等电介质材料的刻蚀 MOCVD 设备 MOCVD 设备 蓝绿光及紫外LED 外延片和功率器件的生产 电感性等离子体刻蚀设备、深硅刻蚀设备 集成电路制造中单晶硅、多晶硅以及多种介质等材料的刻蚀 薄 膜 沉 积设备 LPCVD 设备 先进逻辑器件、DRAM 和3D NAND 中接触孔以及金属钨线的填充 CMOS 图像传感器、MEMS芯片、2.5D 芯片、3D 芯片等通孔及沟槽的刻蚀 ALD 设备 存储器件关键应用填充 其他设备 VOC 设备 平板显示生产线等工业用的空气净化 中 微 公司成 立于2004 年，主要从 事高端 半导体 设备及 泛半导 体设备 的研发、生产 和销售，为集 成电路、LED 外延片、功率器 件、MEMS 等 半导体 产品 的 制造企 业提供 刻蚀设 备、MOCVD 设备、薄膜 沉积设 备及其 他设备。公司 的等离 子体刻 蚀设备 已应用 在国际 一线客 户从65 纳 米到14 纳米、7 纳米和5 纳米及其他先进的 集成电 路加工 制造生 产线及 先进封 装生产 线。公 司MOCVD 设备 在行业 领先客 户的生 产线上 大规模 投入量 产，公 司已成 为世界排名前列的氮化镓基LED 设备 制 造商。请务必参阅正文之后的重要声明 23 4.1、刻蚀设备、薄膜沉积、光刻、检测设备总价值量最高的半导体设备 图 18：2022 年-2027 年 半导体 主要设 备营收（单位：百万 美元）资料来源：Gartner 统计及 预测，中微公 司2023年年报 芯 片 的加工 通常需 要十大 类设备，其中 刻蚀设 备、薄 膜沉积、光刻、检测 设备是 产线中 总价值 量最高 的四类 半导体 设备。等离子 体刻蚀 设备是 除光刻机以外最关键的微观加 工设备，是制 程步骤 最多、工艺过 程开发 难度最 高的设 备。由 于光刻 机的波 长限制 和2 维 芯片到3 维芯 片的发 展，等 离子体刻蚀设备越来越成为关 键制约 设备，也成为 十大类 关键设 备市场 最大的 一类。请务必参阅正文之后的重要声明 24 4.1、经营业绩亮眼，在手订单充足 图 20：中 微公司2023 年 刻蚀和MOCVD 设备营 收 资料来源：中微公司2023年年报 图 19：中 微公 司2023 年 经营 业 绩亮 眼 公司2023年营业收 入约62.64 亿元，较2022 年增加 约15.24 亿 元，同 比增长 约32.15%。其 中，2023 年刻 蚀设备 销售约47.03 亿 元，同 比增长 约49.43%；MOCVD 设备销售 约4.62 亿元，同比 下降约33.95%。公司 从2012 年到2023 年超 过十年 的平均 年营业 收入增 长率超 过35%。2023年归属于母公司所有者的净利润 约17.86 亿 元，较 上年同 期增加52.67%。公司2023 年 新增 订 单金 额 约83.6 亿元，较2022 年新 增订 单 的63.2 亿元 增加 约20.4 亿元，同比 增 长约32.3%。其 中刻 蚀 设备 新 增订 单 约69.5 亿元，同比增长约60.1%；由 于中微 的MOCVD 设备 已经在 蓝绿光LED 生产线上占 据绝对 领先的 市占率，受终 端市场 波动影 响，2023 年MOCVD 设备订单 同比下降约72.2%。请务必参阅正文之后的重要声明 25 4.1、注重研发投入，技术实力强劲 图 22：中 微公 司 注重 研 发投 入 资料来源：中微公司2023年年报 图 21：中 微公司 的业务 布局方 向 图 23：中 微公司 专利数 量多 公司继续保持较高的研发 投入，与国内 外一流 客户保 持紧密 合作，相关设 备产品 研发进 展顺利、客户 端验证 情况良 好。2023 年公 司研发 投入为12.62 亿 元，同 比增长35.89%，占收 入比例 为20.15%。公司在 持续改 善量产 机台的 运行时 间和生 产效率 的同时，研发 团队和 客户紧 密合作，进行更多的关键制程的工艺开 发和验 证，有 望进一 步提高 产品的 技术先 进性和 市场竞 争力，不断拓 宽机台 的生产 能力并 赢得更 多的制 程量产 机会。请务必参阅正文之后的重要声明 26 4.1、产能持续建设，业务布局完善 图 24：公 司的 子 公司 和 办公 室 在全 球 的分 布 资料来源：中微公司2023年年报 公司在南昌的约14万平 方米的 生产和 研发基 地已于2023 年7 月 投入使 用；公 司在上 海临港 的约18 万平 方米的 生产和 研发基 地部分 生产厂 房及成 品仓库已经于2023 年10 月投 入使用；上海 临港滴 水湖畔 约10 万平 方米的 研发中 心暨总 部大楼 也将封 顶。请务必参阅正文之后的重要声明 27 4.1、中微开发的五类设备均达到国际先进水平 资料来源：中微公司2023年年报 图 25：中 微开发 的五类 设备均 达到国 际先进 水平 2023年公司CCP 和ICP 刻蚀设 备均在 国内主 要客户 芯片生 产线上 市占率 大幅提 升；公 司的TSV 硅 通孔刻 蚀设备 也越来 越多地 应用在 先进封 装和MEMS 器件生产。公司布 局的薄 膜设备（主要 是化学 薄膜和 外延设 备）是 除光刻 机和刻 蚀机外 第三大 设备市 场。公 司近两 年新开 发的LPCVD 设备 和ALD 设备，目前已有四款设备产品 进入市 场，其 中三款 设备已 获得客 户认证，并开 始得到 重复性 订单，公司计 划在2024 年推 出超过10 款新型 薄膜沉积设备，在薄膜沉积领 域快速 扩大产 品覆盖 度；公 司新开 发的硅 和锗硅 外延EP