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苦练七十二变，笑对八十一难——芯片行业投资逻辑解析之刻蚀机

作者：Michelle_Swift
2021-12-12 11:24:21
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集成电路制造工艺繁多复杂，其中光刻、刻蚀和薄膜沉积是半导体制造三大核心工艺。集成电路制造主要是通过薄膜沉积、光刻和刻蚀三大工艺循环，把所有光罩的图形逐层转移到晶圆上。

刻蚀是半导体制造工艺的关键步骤，指用化学或物理方法有选择地在硅片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩膜图形，经过物理或者化学刻蚀之后，衬底上留下的图形电路就与掩膜版的形状一模一样了。

按照刻蚀工艺划分，其主要分为干法刻蚀以及湿法刻蚀。湿法刻蚀主要将刻蚀材料浸泡在腐蚀液如盐酸中进行腐蚀的技术。由于其具有各向同性，所以无论是氧化层还是金属层的刻蚀，横向刻蚀的宽度都接近于垂直刻蚀的深度，对图形就会出现一定的偏差，因此主要用于晶圆清洗、封装等环节，而在图形化过程中主要使用干法刻蚀，其中又以等离子体刻蚀为主。

干法刻蚀是指利用等离子体激活的化学反应（化学刻蚀）或者是利用高能离子束轰击（物理刻蚀）来实现刻蚀，因为在刻蚀中并不使用溶液，所以称之为干法刻蚀。目前干法刻蚀工艺占比为90%以上。根据被刻蚀材料类型的不同，干法刻蚀又分为介质材料刻蚀（氧化硅、氮化硅、二氧化铪、光刻胶等）、硅材料刻蚀（单晶硅、多晶硅、和硅化物等）和金属材料刻蚀（铝、钨等）。

根据产生等离子体方法的不同，干法刻蚀又分为电容性等离子体刻蚀（CCP）和电感性等离子体刻蚀（ICP）；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、深沟等微观结构，一般用于布线工序，刻蚀上层线路；而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和较薄的材料，用于基板工序，刻蚀底层器件。

刻蚀机是半导体制造的核心设备，和薄膜沉积设备、光刻机并称半导体设备三大件，三者占半导体设备的市场份额超过60%。2020年全球集成电路制造干法刻蚀设备市场规模回升至137亿美元，同比增长25.36%，在全球集成电路制造设备市场的规模占比达21.10%，已经成为晶圆制造设备中占比最大的项目。在设备出货方面，CCP设备略低于ICP。据统计2020年全球CCP市场规模为60.5亿美元，ICP市场规模为76.4亿美元。

ICP刻蚀研发难度更高，但ICP刻蚀并不是 CCP刻蚀的替代技术，两者各有所长，侧重于不同工艺步骤。ICP技术应用于底层器件刻蚀， CCP技术刻蚀应用于上层线路，ICP在发明之初就与CCP技术共存。集成电路的底层器件只有一层，光刻技术在20nm以上可以在底层器件上做到绝对精确，所以只需要用一次ICP工艺，集成电路的上层线路有几十层，需要用到几十次CCP刻蚀，所以20nm以前的刻蚀设备以CCP为主，擅长CCP刻蚀的应用材料一家独大。随着微观器件越做越小，薄膜厚度越来越薄，线宽控制越来越严，ICP刻蚀机取代CCP刻蚀设备成为市场规模占主导地位的设备。2019年前，ASML还未开发出EUV光刻机，Arf光刻的精度达到了极限，多重刻蚀成为摩尔定律续命的技术手段，ICP可控性明显强于CCP，满足了集成电路对精细加工需求，ICP迎来巨大的需求市场，擅长ICP刻蚀的泛林半导体超越了应用材料，成为刻蚀领域的龙头。

从65nm制程开始，每一次制程的精进都需要大幅增加刻蚀的步骤。根据 SEMI 数据，5nm制程芯片所需使用的刻蚀次数高达160次，是14nm刻蚀次数的提升1.5倍。刻蚀步骤增加也使晶圆厂产线中刻蚀设备的价值不断提升，因此，近些年来刻蚀设备是半导体设备中增长最快的领域。

良率对先进制程至关重要。集成电路器件加工动辄要上千个加工步骤，单个步骤的良率达到99%，1000个步骤后的良率就趋近于零，只有每个步骤的良率均达到99.99%，才能实现总体良率90%以上。

值得注意的是，随着刻蚀步骤的不断增加，不仅增加了芯片制造成本，产品良品率也因步骤增出现下降。2019年ASML研发出EUV光刻机，大幅缩减7nm和5nm制程的工艺步骤，但也只有少数晶圆厂如台积电、三星半导体引入了EUV光刻设备。在先进制程生产线上，同为核心设备的光刻机和刻蚀机存在部分替代关系，从两者在晶圆厂设备市占率变化上可以反映出来这种规律。

另一方面，芯片设计的变化带来刻蚀设备需求的提升。存储器占集成电路市场份额的26%，当前2D 存储器件的线宽已接近物理极限，NAND闪存已进入3D时代。3D NAND采用将存储单元堆叠的布局，需要更多的通孔和导线等的刻蚀，相比于2D NAND的制造，3D NAND中刻蚀设备的支持占比由约15%提升到约50%。

以泛林半导体的财报披露数据来看，来自存储器厂商的营收贡献量从2012年的40%左右提升至2019年的70%左右，3D NAND的量产再次提升了刻蚀设备的需求。目前国内的存储制造商已能实现128层，业界预测在未来10年更有可能跃升至500层，刻蚀设备的占比仍将逐步提升。

半导体工艺的变化使得等离子体刻蚀设备成为更关键的设备，其市场增速超过光刻机和其他前道设备。据统计，2015年至2017年，等离子刻蚀机市场规模复合增速为17%，超过其他前道设备市场增速，成为在半导体设备价值占比最高，增速最快的设备。

由于刻蚀工艺复杂、技术壁垒高，早期进入市场的国际巨头如泛林半导体、东京电子、应用材料等拥有领先的技术工艺及客户资源，预计短期内较难被其他竞争对手超越。2020年，泛林半导体、东京电子及应用材料合计占有全球干法刻蚀设备领域90%的市场份额，市场格局高度集中，寡头垄断现状较难打破，其中泛林半导体以46.7%的市场份额成为刻蚀设备绝对龙头。

从介质刻蚀市场结构看，东京电子一家独大，长期全球市占率超过50%；其次泛林半导体占据接近40%的市场份额，两家厂商主导整个市场，寡占程度较强。根据中微公司20年年报数据测算，目前公司在CCP领域全球市占率约 3%，是国内领先的介质刻蚀设备厂商。

随着全球贸易摩擦带来半导体供应链不确定性增强，国内晶圆厂对国产设备的认证、购买意愿大大增强，国产刻蚀设备领域涌现出中微公司、北方华创、屹唐半导体等优质供应商。 Gartner数据显示，中微公司、北方华创、屹唐半导体均进入全球干法刻蚀前十供应商，全球市场分别分别达1.37%、0.89%、0.10%。未来随着全球半导体制造重心转移及国产替代加速因素双重催化，国内厂商市占率有望持续提升。内资晶圆厂生产线中，国产设备占比已达20%

存储器国产化也为我国刻蚀机厂商带来机遇。存储器和逻辑芯片不同，不需要EUV光刻机，刻蚀机是存储器产线的主设备，价值量占比达到50%。存储国产替代日渐清晰，以长江存储、紫光集团、合肥长鑫、福建晋华等为代表的国内存储产业取得了较大的突破。其中 3D NAND已经突破128层技术工艺，并在多家控制器厂商的终端产品上验证通过，而DRAM也已经自主生产DDR4，实现了自主可控。我国存储厂商在实现技术突破后，近年来均加大对相关产线的投资。长江存储总投资将达到1600亿元人民币，合肥长鑫投资超过1500亿元人民币，为国内刻蚀机厂商提供可观的增量市场。从长江存储公布的招标息看，中微公司的刻蚀机中标数量占比 14%，仅次于泛林半导体排名第二，存储产线成为拉动我国刻蚀设备发展的关键因素。

参照半导体设备巨头泛林的发展经验，国产设备厂商在单一领域具备竞争优势后，能增加在晶圆厂的影响力。刻蚀设备作为三大主设备之一，进入客户产线后可拥有一定的话语权，甚至影响客户对其他设备的采购。国内刻蚀设备厂商有希望通过刻蚀机突破国际巨头的市场垄断，再通过并购重组或投入新产品研发生产，扩展业务，打开企业市场空间。

中微公司
中微公司是国内刻蚀设备龙头，公司主要产品有刻蚀机和应用在Mini led生产领域的MOCVD设备。中微公司是国内CCP刻蚀机龙头，设备性能和先进制程能力上已经达到世界领先水平，甚至让美国商业部取消了对中国出口刻蚀机的限制。公司刻蚀机客户涵盖台积电、英特尔、联华电子、GF、SK 海力士等全球主流晶圆厂。公司用于5nm制程设备已获得台积电批量采购。

近年刻蚀设备占营业收入加速提升，2021年半年报中显示公司64%的营业收入来自刻蚀机业务。2020年刻蚀设备收入为12.89亿元，同比增长约58.49%，得益于产品持续升级和国产替代，近几年保持持续增长态势，3年复合增速达65%；

CCP领域，公司于2007年起推出Primo D-RIE、Primo AD-RIE、Primo HD-RIE设备，在逻辑领域已实现由65nm成熟制程到5nm先进制程全覆盖，存储领域实现2D到3D结构， 64层-128层全覆盖，并且拥有双反应台多反应腔，极大地提升了刻蚀效率，且由于洁净室造价昂贵，双台机极大地减少了同等处理量上占用的洁净室面积，变相为客户节省了成本，应用优势显著。截止2020年底，中微公司的CCP已累计出货1700余台， CCP介质刻蚀机在国内领先的3D NAND厂商64层生产线中市占率已高达34%，在其128层生产线中市占率已高达35%；逻辑厂中中微在国内领先公司28nm生产线中占比已达39%，已逐步在本土市场进行国产替代，在国内介质刻蚀设备领域市占率仅次于东京电子和泛林半导体。

ICP领域，公司2018年推出Primo nanova产品，截止去年年末已在10家客户的生产线上进行验证，并有超过50个工艺在客户的生产线上达到指标要求，且持续扩大应用验证范围，逐步取得客户的重复订单，2021年6月9日完成第100腔地交付；2021年推出的双反应台 ICP刻蚀设备Primo Twin-Star 也已经在客户端完成认证，未来将迅速放量。

公司于2021年7月完成定增，募集资金82亿元，用于临港、南昌产业化基地建设及临港总部与研发中心建设。产业基地项目将于2022年底建成，达产后预计将实现等离子体刻蚀设备、MOCVD设备、热化学CVD设备共计1150腔/年的产能。而研发中心预计将于2023年建成，将进行新一代ICP、CCP、ALE、HPCVD等设备研发。国家大基金二期参与认购，获配2444.03万股，占本次发行30.46%，获配金额25亿元，持股比例增至3.97%。

基于在 MOCVD 设备领域的技术积累，公司正组建团队将业务衍生至化学薄膜设备领域。公司已开始开发 EPI 外延设备和低压热化学沉积设备，将和沈阳拓荆科技配合覆盖相关CVD领域，有望复制泛林半导体的成长路径，以刻蚀机为突破口向其他设备外延。

北方华创
北方华创是一家专业生产半导体设备的国有企业，2020年公司半导体业务收入超过40亿元，占营业收入70%。公司的半导体设备产品主要由刻蚀机、薄膜沉积设备、清洗设备、热处理设备等，产品涵盖了一半的半导体设备，是国内销售规金额最大、产品体系最全的高端半导体工艺设备供应商，目前已顺利跻身中芯国际、长江存储等供应链，未来将继续充分受益于设备国产替代进程。

北方华创的刻蚀设备主要为硅刻蚀和金属刻蚀设备。2016 年自主研发的国内首台应用于14nm 制程的ICP刻蚀机NMC612D进入上海集成电路研发中心，正式迈入14nm刻蚀工艺。2020年12月，公司ICP等离子刻蚀机第1000腔交付客户。

北方华创在IC领域已推出6大ICP刻蚀产品系列，根据国内主流晶圆厂今年1-7月的招标息不完全统计，共招标132台刻蚀设备，其中北方华创中标17台，公司ICP刻蚀设备在长江存储所占份额达12%。

根据2020年刻蚀设备各企业市占率，大致可以算出北方华创的ICP刻蚀机销售金额约8亿元，占公司营业总收入比约为13%。作为国内唯二刻蚀设备生产企业，中微公司的经营策略更像泛林半导体，专精于刻蚀机领域；北方华创是中国版本的应用材料，企业要打造成国内半导体设备供应平台。北方华创在ICP刻蚀领域具有先发优势，但公司的技术、客户资源、国际化程度等方面和中微公司相比还是有差距。目前，中微的CCP刻蚀机技术已经达到世界领先水平，ICP刻蚀机领域也已经开始量产。虽然ICP刻蚀机国产替代空间很大，但对应需求的晶圆厂也就几个，两家企业在刻蚀机领域很难避免竞争。

神工股份
公司主营产品为集成电路刻蚀设备用单晶硅材料，属于刻蚀机上游原材料领域。公司生产的单晶硅材料可以加工成硅电极，是用于芯片制造的刻蚀环节，是刻蚀工艺的核心耗材。公司将产品出口到包括三菱材料、SK化学等日韩企业，再由三菱材料等企业加工成泛林半导体等刻蚀机上的硅电极。

刻蚀设备用单晶硅材料尺寸要比硅片尺寸更大，12 英寸硅片对应产品直径通常大于14英寸，目前最大可达19英寸。尺寸越大电场均匀性越好，多用于先进工艺的高端刻蚀设备。但大直径产品所需部件和设备成本更高，良品率更难控制。刻蚀设备用单晶硅材料市场规模相对较小，仅约3-4亿美金左右，下游三菱材料等硅电极厂商，对硅材料基本是自产自用，占据了较多份额。神工股份在大直径长晶方面工艺领先且成本优势明显，可满足客户对于供给或成本等的要求，也占有13%的市场份额。当前，神工股份产品量产尺寸最大可达19英寸，代表行业最高水平，主要应用于12英寸先进制程IC制造，且 22英寸产品处于开发中，为应用于18英寸IC储备中。

刻蚀设备用单晶硅材料市场呈现周期性，和半导体行业景气度关联很高。而由于下游客户采购计划调整相比景气度变化有一定滞后性，刻蚀用硅材料行业周期也有所滞后，通常滞后于IC制造行业大约2-3个季度。

刻蚀过程中硅电极会被逐渐腐蚀并变薄，变薄到一定程度后需要及时进行更换，因此硅电极是晶圆制造刻蚀工艺的核心耗材。刻蚀用硅电极产品市场约为10亿美元左右，是硅刻蚀材料的3倍，市场主要参与者包括三菱材料、CoorsTek、SK化学、Hana、Silfex 和WDX等十数家厂商，相对来说不存在一两家独大的垄断性格局。国内刻蚀环节80%-90%采用的都是国外的硅电极产品，进口替代的空间很大。公司延伸向下游刻蚀用硅电极产品，公司具有原材料成本优势，在6英寸、8英寸和12英寸的成熟制程非原配品硅电极都有替代空间，有望在国内刻蚀机厂商及晶圆厂客户放量。未来随着中微公司和北方华创在刻蚀机领域的国产替代推进，公司的硅电极成品有望逐渐替代海外产品。2020年，公司已通过部分下游客户验证，并实现销售收入 70 万元。随着产能扩张和良率爬坡，我们预计2021-2023年公司在硅电极领域将实现快速增长。

刻蚀用单晶硅材料的微缺陷参数要求相对较低，而晶圆用单晶硅材料的参数要求严格，需要确保缺陷率几乎为零。公司IPO募投8.6亿元用于“8英寸半导体级硅单晶抛光片生产建设项目”，向晶圆硅片业务衍生，项目建成达产后将具备年产180万片8英寸抛光片及36万片8英寸陪片的产能规模。硅片生产项目为百亿美金大市场，国产替代空间广阔，全球8寸硅片需求量约在为500 万片/月，国内8寸硅片需求量约为90万片/月。2020年全球8英寸市场规模为23亿美金，国内8英寸市场规模为4.4亿美元。

公司硅片主要走轻掺技术路线，轻掺硅片的技术壁垒较高，但需求量更大，8英寸硅片轻掺市场占比70-80%，12英寸硅片轻掺市场占比接近100%。国内厂商主要以重掺技术路线为主，轻掺仅沪硅产业、超硅半导体、立昂微和中环股份等少数玩家参与，8英寸硅片仍面临着极大的替代缺口。目前，公司已完成每月5万片产能的设备安装和调试，计划以每月8000片的规模进行生产，并持续优化工艺窗口，积极推动客户认证流程。由于半导体行业存在3-5年的认证周期，我们认为，公司有希望在2023年开始形成小批量硅片供应。