半导体设备产业深度分析之刻蚀设备篇：刻蚀设备：半导体设备国产化的前沿阵地.pdf

谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 1 证券研究报告 行业 研究 /深度研究 2018 年 09 月 17 日 机械设备 增持（维持） 章诚 执业证书编号： S0570515020001 研究员 021-28972071 zhangchenghtsc 肖群稀 执业证书编号： S0570512070051 研究员 0755-82492802 xiaoqunxihtsc 关东奇来 021-28972081 联系人 guandongqilaihtsc 黄波 0755-82493570 联系人 huangbohtsc 时彧 联系人 shiyu013577htsc 1机械设备 : 订单饱满，半导体设备产业调研更新 2018.09 2机械设备 : 行业周报（第三十七周）2018.09 3先导智能 (300450,买入 ): CATL 订单落地，银隆问题现曙光 2018.09 资料来源： Wind 刻蚀设备 ：半导体 设备 国产化 的 前沿阵地 半导体设备产业深度分析之刻蚀设备篇 刻蚀设 备或是半导体设备国产化前沿阵地，关注技术领先的本土设备龙头 我们认为， 受益于半导体产能投资扩张和国家战略支持 ， 本土设备产业迎来 “最好的时代” ， 刻蚀设备有望成为国产化 前沿阵地 。虽然海外巨头 垄断全球市场 ，中外刻蚀设备仍存差距 ， 但 上海中微半导体（未上市）、北方华创等 本土企业 刻蚀设备 的 技术积累和国产化布局正稳步推进， 有格局、重研发、有耐心的 优秀企业有望率先脱颖而出获得国内外晶圆制造企业认可 。 刻蚀 是复制掩膜图案 关键步骤 ， CCP、 ICP、 ECR 等类刻蚀 设备 应用广泛 刻蚀是使用化学或者物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程 ，是完成光刻工艺后 复制掩膜图案 的 关键步骤 。 刻蚀工艺 分为 干法 、 湿法刻蚀 ，具有良好 各向异性和工艺可控性 的 干法刻蚀是芯片制造 中实现 介质 刻蚀 、硅 刻蚀、 金属 刻蚀的 主要技术路径 。具体而言，高密度等离子体刻蚀是 目前用于先进 制程工艺中刻蚀关键层的重要方法， CCP（ 电容耦合 ）、ICP（电感耦合）、 ECR（ 电子回旋加速振荡 ）等类刻蚀机应用广泛，原子层刻蚀（ ALE）设备或是未来发展方向。 中国大陆半导体设备需求高涨，刻蚀设备 1820 年年均市场或达 331 亿元 受益于本土半导体产能投资扩张 ， 中国大陆半导体设备市场需求高涨 ，SEMI 预计 19 年中国大陆将超越韩国位居全球第一大设备市场 （ 173 亿美元 ）。据我们梳理， 1820 年中国大陆 12、 8 寸晶圆厂建设投资将达 7087 亿元（内资 5303 亿元），年均 2362 亿元（内资 1768 亿元），我们预计1820 年刻蚀设备合计市场空间或达 992亿元，年均 331亿元； 其中 1820 年内资晶圆厂的刻蚀设备空间有望达 742 亿元，年均 247 亿元。 拉姆研究、东京电子、应用材料垄断全球市场 ， 刻蚀巨头聚焦自主研发 全球 刻蚀设备行业 高度集中 ， 17 年 三大龙头 占据 全球 市场 94%。随着半导体技术进步中器件互连层数增多，介质刻蚀设备使用量不断增大，拉姆研究利用其较低的设备成本和相对简单的设计在 65、 45nm 设备市场超过对手，占据全球市场半壁江山，份额从 12 年的约 45%提升至 17 年的约55%。由 拉姆研究、东京电子、应用材料 三大全球刻蚀设备龙头的发展史可见，刻蚀设备技术壁垒较高且迭代较 快，只有始终聚焦核心技术自主研发，紧密绑定下游晶圆厂技术进步的制造商才能在长期竞争中胜出。 国产刻蚀设备制造商奋起直追，进口替代历史机遇渐行渐近 我们认为国内刻蚀设备、测试设备、硅片制造设备等领域细分龙头有望较快实现国产化突破并率先兑现业绩高增长。目前上海中微半导体 7nm 等离子刻蚀机已在国际 一流 集成电路产线上量产使用，达到国际先进水平；北方华创硅刻蚀机也已突破 14nm 技术，进入主流芯片代工厂。我们认为虽然中外刻蚀设备仍存在较大差距，但有格局、重研发、有耐心的团队将有望获得国内外晶圆制造企业认可。 风险提示 ： 宏观经济下行及半导体行业周期性波动 ，国内芯片制造技术突破慢于预期、产业投资不及预期，国内半导体设备技术突破慢于预期。 (31)(20)(8)41517/09 17/11 18/01 18/03 18/05 18/07(%)机械设备 沪深 300一年内行业 走势图 相关研究 行业 评级： 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 17 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 2 正文目录 刻蚀技术解析：半导体工艺的“点睛之笔” . 5 刻蚀环节是复制掩膜图案的关键步骤，干法刻蚀是芯片制造主要技术路径 . 6 干法刻蚀设备：高密度等离子体刻蚀是先进制程 工艺技术主流 . 8 半导体设备国产化前沿阵地，本土刻蚀设备空间广阔 . 12 全球刻蚀设备市场高度集中，海外龙头自主研发实力强劲 . 12 国产刻蚀设备制造商奋起直追，进口替代历史机遇渐行渐近 . 14 中国大陆半导体设备需求高涨，刻蚀设备 1820 年年均市 场或达 331 亿元 . 16 全球刻蚀设备龙头：紧跟先进制程技术发展，聚焦自主研发 . 20 拉姆研究：占据全球刻蚀设备市场半壁江山的业界龙头 . 20 应用材料：纵横半导体核心设备的全球旗舰 . 22 东京电子： 半导体 +平板显示器刻蚀双轮驱动的设备提供商 . 24 关注技术领先并进入主流晶圆厂供应体系的国产设备企业 . 26 中微半导体：潜力深远的国产刻蚀设备领先制造商 . 26 北方华创：产品体系丰富的国产刻蚀设备企业 . 28 风险提示 . 32 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 17 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 3 图表目录 图表 1： 半导体加工的六大区域 . 5 图表 2： 晶圆制造流程所需核心设备及中外代表企业 . 5 图表 3： 干法刻蚀流程示意图 . 6 图表 4： 主要刻蚀参数 . 6 图表 5： 刻蚀分类示意图 . 7 图表 6： 干法刻蚀的物理和化学反应机理 . 7 图表 7： 干法刻蚀的应用 . 8 图表 8： 传统反应离子刻蚀机示意图 . 9 图表 9： 电子回旋加速振荡刻蚀机（ ECR）示意图 . 10 图表 10： 电容、电感耦合等离子体刻蚀机（ CCP、 ICP）示意图 . 10 图表 11： 双等离子体源刻蚀机示意图 . 11 图表 12： 原子层刻蚀（ ALE）工艺示意图 . 11 图表 13： 2017 年全球前十大半导体设备供应商排名（按半导体业务营收排名） . 12 图表 14： 19992017 年全球半导体设备前 5 大公司市场占有率 . 12 图表 15： 2017 年全球半导体设备厂 商市场份额 . 12 图表 16： 全球半导体设备企业主要产品分布图（营业收入为 2017 财年数据） . 13 图表 17： 2017 年全球刻蚀设备市场份额分布情况 . 13 图表 18： 2009-2017 财年应用材料、拉姆研究、东京电子研发费用及营收占比情况 . 14 图表 19： 刻蚀设备龙头公司收购相关标的情况 . 14 图表 20： 2017 年中国大陆进口半导体设备占比 . 15 图表 21： 中国半导体设备代表企业产品分布图 . 15 图表 22： 实现销售的 12 英寸国产晶圆生产关键设备（截至 2017 年） . 16 图表 23： 20052019 年全球半导体设备销售规模及增速 . 16 图表 24： 20052019 年全球半导体设备 销售额的地区分布 . 17 图表 25： 20052019 年中国半导体设备销售额的全球占比 . 17 图表 26： 20112019 年中国大陆半导体设备销售规模及增速 . 17 图表 27： 20062017 年全球半导体设备销售额的产品构成 . 18 图表 28： 2017 年全球半导体设备销售额的产品构成 . 18 图表 29： 半导体设备市场构成 . 18 图表 30： 晶圆厂建设投资构成 . 19 图表 31： 中国大陆晶圆加工设备市场空间测算 . 19 图表 32： 19872017 财年拉姆研究净利润和净利润增长率 . 20 图表 33： 19872017 财年拉姆研究 营业总收入与年增长率 . 20 图表 34： 20122017 财年拉姆研究三大业务出货量占比 . 21 图表 35： 2004-2017 财年拉姆研究营收按地区占比情况 . 21 图表 36： 拉姆研究历史上主要刻蚀设备生产发布情况 . 21 图表 37： 拉姆研究采用 ALE 技术的 FLEX 系列介质刻蚀产品 . 21 图表 38： 拉姆研究采用 ALE 技术的 KIYO 系列介质刻蚀产品 . 21 图表 39： 19872017 财年应用材料净利润和净利润增长率（亿美元） . 22 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 17 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 4 图表 40： 19872017 财年应用材料营业总收入与年增长率（亿美元） . 22 图表 41： 20082017 财年四大业务营收占比 . 22 图表 42： 应用材料 2010-2017 财年营收分地区占 比情况 . 22 图表 43： 应用材料 1999-2010 年期间刻蚀设备重要技术突破情况 . 23 图表 44： Applied Producer 综合一体化平台 . 23 图表 45： Applied Centris Sym3 刻蚀系统 . 23 图表 46： 2001-2018 财年东京电子营业收入及同比情况 . 24 图表 47： 2001-2018 财年东京电子净利润及同比情况 . 24 图表 48： 东京电子 2007-2018 财年营收占比情况 . 24 图表 49： 东京电子 2014-2018 财年分地区营收占比情况 . 24 图表 50： 东京电子 Tactras Vigus 半导体刻蚀系统 . 25 图表 51： 东京电子 PICP 平板显示器刻蚀系统 . 25 图表 52： 中微半导体发展历程示意图 . 26 图表 53： 中微半导体主要产品情况一览 . 27 图表 54： 中微半导体主要客户情况 . 27 图表 55： 北方华创由北方七星和北方微电子战略重组而成 . 28 图表 56： 公司十大股东及主要控股公司一览（截至 2018 年中报） . 28 图表 57： 公司涉及领域主要产品一览 . 29 图表 58： 20102017 年北方华创分业务收入 . 29 图表 59： 20102017 年北方华创分业务收入百分比堆积图 . 29 图表 60： 北方华创集成电路领域刻蚀机产品情况 . 30 图 表 61： 北方华创其他领域等离子刻蚀机产品情况 . 31 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 17 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 5 刻蚀 技术解析 ： 半导体 工艺的 “点睛之笔” 半导体晶圆厂可以分为 6 块 相对 独立的生产区域：扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜 沉积 和抛光，分别对应 6 个主要的制作工艺。 图表 1： 半导体加工的六大区域 资料来源：半导体制造技术，华泰证券研究所 图表 2： 晶圆制造流程所需 核心设备 及中外代表企业 资料来源： CNKI， 半导体制造技术 ， 华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 17 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 6 刻 蚀环节是 复制掩膜图案 的关键步骤 ， 干法刻蚀 是芯片 制造 主要技术路径 刻蚀 是 使用化学或者物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程 ，常用的设备 为刻蚀 机等 。 通常的晶圆加工流程中，刻蚀工艺位于光刻工艺之后，有图形的光刻胶层在刻蚀中不会受到腐蚀源的显著侵蚀，从而完成图形转移 的 工艺步骤。 图表 3： 干法刻蚀 流程 示意图 资料来源： 半导体制造技术 ，华泰证券研究所 为 在 硅片表面材料上 复制掩膜图案 ， 刻蚀需要满足一定的参数 ， 主要 有 ： 刻蚀速率 、 刻蚀剖面 、 刻蚀偏差和选择比等 。 刻蚀速率指刻蚀过程中去除硅片表面材料的速度；刻蚀剖面指的是刻蚀图形的侧壁形状，通常分为各向同性和各向异性剖面；刻蚀偏差指的是线宽或关键尺寸间距的变化，通常由横向钻蚀引起；选择比指的是同一刻蚀条件下两种材料刻蚀速率比，高选择比意味着不需要的材料会被刻除。 图表 4： 主要刻蚀参数 资料来源： 半导体制造技术 ，华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 17 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 7 刻蚀工艺 主要 分为两种：干法刻蚀和湿法刻蚀。 干法刻蚀是通过等离子气与硅片发生物理或化学反应（或 结合 物理、化学 两种反应）的方式将表面材料去除，主要用于亚微米尺寸下刻蚀 ， 由于具有良好的各向异性和工艺可控性已被广泛应用于 芯片 制造领域 ；湿法刻蚀通过化学试剂去除硅片表面材料，一般用于尺寸较大情况，目前仍用于干法刻蚀后残留物的 去除。 图表 5： 刻蚀分类示意图 资料来源：半导体制造技术，华泰证券研究所 干法 刻蚀 是 芯片制造领域 最主要的表面材料去除方法，拥有更好的剖面控制 。干刻蚀法按作用机理分为：物理刻蚀、化学刻蚀和物理化学综合作用刻蚀。物理和化学综合作用机理中，离子轰击的物理过程可以通过溅射去除表面材料，具有很强的方向性。离子轰击可以改善化学刻蚀作用，使反应元素与硅表面物质反应效率更高。综合型干刻蚀法综合离子溅射与表面反应的优点，使刻蚀具有较好的选择比和线宽控制。 图表 6： 干法刻蚀的物理和化学反应机理 资料来源： 半导体制造技术 ，华泰证券研究所 在集成电路制造过程中需要多种类型的干法刻蚀工艺 ， 应用涉及 硅片上 各种材料 。 被刻蚀材料主要包括介质 、 硅和金属 等，通过与光刻、沉积等工艺多次配合可以形成完整的底层电路、栅极、绝缘层以及金属通路等。 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 17 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 8 图表 7： 干法刻蚀的应用 资料来源 ：半导体制造技术， 华泰证券研究所 介质的干法刻蚀主要包括氧化物刻蚀和氮化硅的刻蚀 ， 是最复杂的刻蚀过程 。 刻蚀氧化物通常是为了制作接触孔和通孔 。要求在氧化物中刻蚀出具有高深宽比的窗口，通常采用氟碳化合物化学气体。对氮化硅的刻蚀常用的气体是 4， 并与 2和 2混合使用 。 硅的等离子体干法刻蚀是硅片制造中的一项关键工艺技术 ， 主要作用 为 制作 MOS 栅结构 、器件隔离 和 DRAM 电容结构中的单晶硅槽。 多晶硅栅的结构对刻蚀要求很高 ， 必须对下层栅氧化层有高的选择比并具有非常好的均匀性和可重复性 。多晶栅刻蚀通常采用氟基气体。单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽，要求每个沟槽都要保持一致的光洁度、接近的垂直侧壁、正确的深度和圆滑的沟槽顶角和底角。对浅槽的刻蚀使用氟气，对光刻胶有高选择比。对深槽刻蚀常采用氯基或溴基气体，刻蚀速率高并对氧化硅有高的选择比。 金属刻蚀主要应用于 金属互连线 、通孔、接触金属等环节 。 金属互连线通常采用铝合金，对铝的刻蚀采用氯基气体和部分聚合物。钨在多层金属结构中常用作通孔的填充物，通常采用氟基或氯基气体。 干法 刻蚀 设备 ： 高密度 等离子 体 刻蚀 是 先进制程工艺技术主流 等离子刻蚀是干法刻蚀中最常见的一种形式。 一种或多种气体原子或分子混合于反应腔室中，在外部能量作用下（如射频、微波等）形成等离子体 。 其原理是暴露在电子区域的气体形成等离子体，由此产生的电离气体和释放高能电子组成的气体，从而形成了等离子或离子，电离气体原子通过电场加速时，会释放足够的力量与表面驱逐力紧紧粘合材料或蚀刻表面。 一 个等离子体干法刻蚀系统基本部件包括 ： 发生刻蚀反应的反应腔 、 产生等离子体气的射频电源 、 气体流量控制系统 、 去除生成物的真空系统 。 刻蚀中会用到大量的化学气体 ， 通常用氟刻蚀二氧化硅 ， 氯和氟刻蚀铝 ， 氯 、 氟和溴刻蚀硅 ， 氧去除光刻胶 。 反应离子刻蚀 （ RIE） 是 当前 常用 技术 路径 ， 属于物理和化学混合刻蚀 。在传统的反应离子刻蚀机中，进入反应室的气体会被分解电离为等离子体，等离子体由反应正离子、自由基、反应原子等组成。反应正离子会轰击硅片表面形成物理刻蚀，同时被轰击的硅片表面化学活性被提高，之后硅片会与自由基和反应原子形成化学刻蚀。这个过程中由于离子轰击带有方向性， RIE 技术 具有较好的各向异性。 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 17 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 9 图表 8： 传统反应离子刻蚀机示意图 资料来源： 半导体制造技术 ，华泰证券研究所 目前先进集成电路制造技术中用于刻蚀关键层的刻蚀方法是高密度等离子体 刻蚀 技术 。 传统的 RIE 系统难以使刻蚀物质进入高深宽比图形中并将残余生成物从中排出 ，因此 不能满足 0.25m 以下尺寸的加工要求 ，解决 办法是增加等离子体的密度 。高密度等离子体 刻蚀技术主要分为电子回旋加速振荡（ ECR）、电容或电感耦合等离子体 （ CCP/ICP） 、双等离子体源等。 电子回旋加速振荡刻蚀机 （ ECR） 是最早商用化的高密度等离子体反应器之一 ，目前仍然可以用于 0.25m 及以下尺寸图形的刻蚀 。 ECR 的关键点是自由电子在磁场中作螺旋运动时会获得能量，从而电子碰撞增加产生高密度的等离子体。 ECR 仍属于物理和化学总和作用机理 ， 可以产生高各向异性刻蚀图案 ， 缺点是设备较 为 复杂 。 行业 研究 /深度研究 | 2018 年 09 月 17 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 10 图表 9： 电子回旋加速振荡刻蚀机 （ ECR） 示意图 资料来源： 半导体制造技术 ，华泰证券研究所 耦合等离子体刻蚀机包括电容耦合 （ CCP） 与电感耦合 （ ICP） ， 相比 ECR 结构简单且成本低 。 电容耦合等离子体刻蚀机 （ CCP）通过电容产生等离子体，而电感耦合等离子体刻蚀机（ ICP）通过螺旋线圈产生等离子体。硅片基底为加装有低功率射频偏置发生器的电源电极，用来控制轰击硅片表面离子的能量，从而使得整个装置能够分离控制离子的能量与浓度。 图表 10： 电容、电感耦合 等离子体刻蚀机 （ CCP、 ICP） 示意图 资料来源： 半导体制造技术 ，华泰证券研究所 双等离子体源刻蚀机加装有两个射频（ RF）功率源，能够更精确地控制离子密度与离子能量 。位于上部的射频功率源通过电感线圈将能量传递给等离子体从而增加离子密度，但是离子浓度增加的同时离子能量也随之增加。下部加装的偏置射频电源通过电容结构能够降低轰击在硅表面离子的能量而不影响离子浓度，从而能够更好地控制刻蚀速率与选择比。