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类型电子行业半导体系列深度报告:刻蚀设备最优质半导体设备赛道技术政策需求多栖驱动-20200723[25页].pdf

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    25页 电子 行业 半导体 系列 深度 报告 刻蚀 设备 优质 半导体设备 赛道 技术 政策 需求 驱动 20200723 25
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    1、 请阅读最后一页的免责声明 1 2020年07月23日 证券研究报告行业深度报告 电子行业 刻蚀设备:最优质半导体设备赛道,技术政策需求多栖驱动 半导体系列深度报告 看好 投资要点 刻蚀系半导体制造关键步骤,不同技术各有优势。刻蚀已经成 为半导体晶圆制造中的关键步骤,在半导体制造中重要性凸 显。按照刻蚀工艺划分,其主要分为干法刻蚀以及湿法刻蚀。 干法刻蚀占主导地位。干法刻蚀的最大优势在于能够实现各向 异性刻蚀,即刻蚀时可控制仅垂直方向的材料被刻蚀,而不影 响横向材料,从而保证细小图形转移后的保真性。干法刻蚀的 刻蚀机的等离子体生成方式包括CCP(电容耦合)以及ICP(电 感耦合)。而由于不同方

    2、式技术特点的不同,他们在下游擅长 的应用领域上也有区分。 工艺升级带动刻蚀机用量增长,技术壁垒极高。从近年来各主 要半导体设备资本开支量占比来看,刻蚀机份额占比有显著提 升,目前其占比已经提升至 22%甚至更高。刻蚀设备由于晶圆 代工以及存储产线工艺优化,带来刻蚀工艺需求的持续提升, 而不同于其他设备,刻蚀设备技术并未出现明显分化,不同技 术各有侧重。但是在这样多种技术存在的情况下,行业集中度 依然较高,并且不同企业擅长技术也有所区别。这体现了该行 业极高的壁垒。 刻蚀设备有望率先完成国产替代。目前来看,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

    3、体设备之一。中微公司产品在业内较为领 先,工艺节点已经达到 5nm,并且已经得到台积电的验证,公 司整体介质刻蚀及出货量已经超过 50 台,北方华创在硅刻蚀 机中处在国产替代加速阶段,目前能够生产28nm的硅刻蚀机, 14nm 目前也在研发和小范围试产过程中,带动刻蚀机持续替 代,另外国内存储产线兴建以及大基金的持续投入,预计刻蚀 设备有望率先完成国产替代。 投资建议:整体看,刻蚀设备是半导体设备领域中最优质的赛 道:第一,刻蚀设备在晶圆制造中的使用广泛,市场空间大; 市场数据(2020-07-22) 行业指数涨幅 近一周 -7.09% 近一月 20.25% 近三月 35.23% 重点公司 公

    4、司名称 公司代码 投资评级 中微公司 688012 推荐 北方华创 002371 推荐 行业指数走势图 数据来源:Wind,国融证券研究与战略发展 部 大 研究员 贾俊超 执业证书编号:S0070517080001 电话:010-83991736 邮箱: 联系人 李彤格 电话:010-83991871 邮箱: 相关报告 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 2 第二,代工厂以及存储厂生产工艺的革新带动刻蚀设备的使用 大大增加,刻蚀设备资本开支占比显著提升;第三,我国在刻 蚀设备领域的技术成熟度相较其他主要设备(光刻机、薄膜沉 积等) 更优。另外,随着半导体下游应用领域越来越广,半

    5、导 体相关资本开支持续加码,叠加国内政策以及大基金的大力扶 持,预计刻蚀设备将是率先实现国产替代的重要半导体设备。 建议关注国内介质刻蚀龙头企业中微公司,以及在硅刻蚀及其 他半导体设备中持续发力的北方华创。 风险因素:政策不及预期,下游需求不及预期,技术突破不及 预期,上游核心元件进口限制。 oPsNoOsNsNmOvNoRmQqPsRbR8QaQtRnNmOmMeRpPoRiNmOpQ7NmMzQNZmPvMNZqMwO 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 3 目 录 1.半导体刻蚀:占比较高的关键晶圆制造步骤 . 6 1.1刻蚀是半导体制造三大步骤之一 .6 1.2干法刻蚀

    6、优势显著,已成为主流刻蚀技术 .6 1.3刻蚀机主要分类:电容电感两种方式,优势互补 .7 1.4刻蚀机近年来增速较快 .8 2. 工艺升级带动刻蚀机用量增长,技术壁垒极高 . 9 2.1制程升级带动刻蚀机使用提升 .9 2.1.1晶圆代工制程升级带动刻蚀加工需求显著增长 .10 2.1.2存储工艺革新带动刻蚀需求提升 . 11 2.2刻蚀设备并未出现技术路线明显分化 .13 2.3半导体刻蚀行业壁垒极高,技术未显著分化但格局高度集中 .13 3.刻蚀设备有望率先完成国产替代 . 15 3.1国内设备最成熟领域,国产替代率较高 .15 3.2存储国产化带动刻蚀机替代率继续提升 .18 3.3大

    7、基金助力半导体刻蚀设备企业持续发力 .19 4. 刻蚀设备领域代表企业 . 20 4.1中微公司:国产替代先锋,先进制程快速突破 .20 4.2 北方华创:产品线广泛的半导体设备龙头 .22 5.投资建议. 24 6.风险提示. 24 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 4 插图目录 图 1:晶圆加工主要步骤 . 6 图 2:各向同性导致一定程度线宽损失 . 7 图 3:各向异性使得刻蚀方向确定 . 7 图 4:2018年三种刻蚀设备的占比 . 8 图 5:三种不同刻蚀主要去除的材质 . 8 图 6:2018年半导体资本开支中各设备占比 . 9 图 7:全球刻蚀设备近年来增速较

    8、快 . 9 图 8:近年来刻蚀机资本开支占比显著提升 . 9 图 9:中微公司披露先进制程刻蚀方法 . 11 图 10:先进制程刻蚀次数明显增多 . 11 图 11:Lam的存储客户贡献收入占比三分之二以上 . 12 图 12:3D NAND技术工艺更为复杂 . 12 图 13:2D NAND中刻蚀设备占比 . 12 图 14:3D NAND中刻蚀设备占比(占比明显提升) . 12 图 15:CCP与ICP刻蚀的主要工作原理 . 13 图 16:复杂芯片生产既采用介质刻蚀又采用硅刻蚀 . 13 图 17:2017全球刻蚀机市场份额 . 14 图 18:2017全球介质刻蚀机市场份额 . 14

    9、图 19:2017我国刻蚀机市场份额 . 14 图 20:2017我国介质刻蚀机市场份额 . 14 图 21:2017-2018中微客户(存储企业B)刻蚀机台数占比 . 17 图 22:2016.11-2019.3中微客户(逻辑电路企业C)刻蚀机台数占比 . 17 图 23:2017年北方华创硅刻蚀机国内份额 . 17 图 24:2018-2019年长江存储刻蚀设备招标台数份额 . 17 图 25:大基金一期与二期融资规模(亿元) . 19 图 26:大基金一期主要投资方向(亿元) . 19 图 27:中微公司发展历程 . 20 图 28:中微公司业务收入占比 . 20 图 29:中微公司营收

    10、体量(亿元) . 21 图 30:中微公司扣非归母净利润(亿元) . 21 图 31:中微公司刻蚀设备销售数量 . 22 图 32:中微公司研发支出 . 22 图 33:北方华创四大核心业务 . 22 图 34:北方华创主要的半导体设备产品 . 22 图 35:北方华创营收快速增长 . 23 图 36:北方华创扣非归母净利润2018年翻正 . 23 图 37:北方华创研发投入 . 23 图 38:北方华创主要产品招标份额 . 23 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 5 表格目录 表 1:干法刻蚀与湿法刻蚀的主要原理及占比 . 7 表 2:主流晶圆代工厂商的量产制程发展历程 .

    11、 10 表 3:国内主要半导体设备国产化率及代表企业 . 15 表 4:主流设备出货情况,刻蚀机出货量较大 . 16 表 5:国内重要存储产线投资 . 18 表 6:长江存储各设备采购情况,介质刻蚀机采购比较高 . 18 表 7:三大刻蚀设备企业大基金投资规模 . 20 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 6 1.半导体刻蚀:占比较高的关键晶圆制造步骤 1.1刻蚀是半导体制造三大步骤之一 刻蚀已经成为半导体晶圆制造中的关键步骤,在半导体制造中重要性凸显。 半导体制造主要步骤包括光刻、刻蚀、以及薄膜沉积三大步骤,并且不断循环 进行,以构造出复杂精细的电路结构。而这三个环节工艺的先

    12、进程度也直接决 定了晶圆厂生产高制程产品的能力,以及芯片的应用性能。 刻蚀是利用化学或者物理的方法将晶圆表面附着的不必要的材质进行去 除的过程。刻蚀工艺顺序位于镀膜和光刻之后,即在晶圆上先将用于刻画电路 的材料进行薄膜沉积,其上沉积光刻胶。然后根据掩膜版的电路设计,通过光 照对晶圆进行光刻,受光刺激的光刻胶留存,其他地方则将需要刻蚀的材料暴 露在外,该步骤称作显影。随后即利用刻蚀步骤,对暴露在外的材质进行去除, 留下晶圆所需要的材质和附着在其上的光刻胶,然后再将光刻胶通过刻蚀去除。 此后多次重复上述步骤,得到构造复杂的集成电路。 刻蚀的材质包括硅及硅化物、氧化硅、氮化硅、金属及合金、光刻胶等。

    13、 通过有针对性的对特定材质进行刻蚀,才能使得晶圆制造不同的步骤所制造的 电路之间相互影响降至最低,使芯片产品具有良好的性能。 图 1:晶圆加工主要步骤 数据来源:半导体行业观察,国融证券研究与战略发展部 1.2干法刻蚀优势显著,已成为主流刻蚀技术 按照刻蚀工艺划分,其主要分为干法刻蚀以及湿法刻蚀。干法刻蚀占主导 地位。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 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 7 薄膜反应,形成挥发性物质,或者直接轰击薄膜表面市值被腐蚀的工艺。干法 刻蚀的最大优势在于能够实现各向异性刻蚀,即刻蚀时可控制仅垂直方向的材 料被刻蚀,而不影响横

    14、向材料,从而保证细小图形转移后的保真性。因此在小 尺寸的先进工艺中,已经基本采用干法刻蚀工艺。湿法刻蚀工艺主要是将刻蚀 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。 因此,湿法刻蚀由于可是方向的不可控性,导致其在高制程很容易降低线 宽宽度,甚至破坏线路本身设计,导致生产芯片品质变差。目前来看,干法刻 蚀在半导体刻蚀中占据绝对主流低位,市场占比达到90%。 表 1:干法刻蚀与湿法刻蚀的主要原理及占比 刻蚀方法 原理 占比 分类 干法刻蚀 用等离子体进行薄膜刻蚀技术 90% CCP(介质刻蚀) ICP(硅刻蚀) 湿法刻蚀 将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行

    15、腐蚀,目前逐步被干法替代 10% 数据来源:半导体行业观察,国融证券研究与战略发展部 图 2:各向同性导致一定程度线宽损失 图 3:各向异性使得刻蚀方向确定 数据来源:半导体制造技术,国融证券研究与战略发展部 数据来源:半导体制造技术,国融证券研究与战略发展部 1.3刻蚀机主要分类:电容电感两种方式,优势互补 刻蚀按照被刻蚀材料划分,主要分为硅刻蚀、介质刻蚀以及金属刻蚀。不 同的刻蚀材质其所使用的的刻蚀机差距较大。干法刻蚀的刻蚀机的等离子体生 成方式包括CCP(电容耦合)以及ICP(电感耦合)。而由于不同方式技术特点 的不同,他们在下游擅长的应用领域上也有区分。CCP 技术能量较高、但可调 证

    16、券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 8 节性差,适合刻蚀较硬的介质材料(包括金属);ICP能量低但可控性强,适合 刻蚀单晶硅、多晶硅等硬度不高或较薄的材料。 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比 49%以及 48%,金属 刻蚀占比较低,仅为3%。 图 4:2018年三种刻蚀设备的占比 图 5:三种不同刻蚀主要去除的材质 硅刻蚀 用于除硅,材料包括单晶硅、多晶硅、硅化物等 介质刻蚀 介质材料刻蚀,包括氧化硅、氮化硅、光刻胶等的刻蚀 金属刻蚀 刻蚀铝、钨、铜及合金层 数据来源:Barron,国融证券研究与

    17、战略发展部 数据来源:公开资料,国融证券研究与战略发展部 1.4刻蚀机近年来增速较快 刻蚀机作为重要的半导体加工设备之一,在半导体晶圆厂资本开支中占比 较高。目前来看,刻蚀机资本开支占比达到 22%,已经与光刻机同处在第一梯 队,而光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备三大设备合计占比高达64%。 近年来全球刻蚀机市场规模有显著提升。2018年,全球刻蚀机市场规模达 到103亿美元,同比增长11.96%。而 2016年行业整体规模为63亿美元。近两 年行业规模增长 40 亿美元,主要有几方面原因:第一,全球半导体产线资本 开支提升,尤其是我国近年来建设大量晶圆厂以及存储产线,带来大量刻蚀机 需求;第二,

    18、制程提升带动刻蚀机加工时长提升,对刻蚀机本身需求增长。 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 9 图 6:2018年半导体资本开支中各设备占比 图 7:全球刻蚀设备近年来增速较快 数据来源:易观数据,国融证券研究与战略发展部 数据来源:SEMI,国融证券研究与战略发展部 2. 工艺升级带动刻蚀机用量增长,技术壁垒极高 2.1制程升级带动刻蚀机使用提升 从近年来各主要半导体设备资本开支量占比来看,刻蚀机份额占比有显著 提升。在2010年之前,刻蚀机资本开支占比一直维持在15%左右,而进入2011 年以后,随着制程的持续升级,刻蚀机资本开支占比也有显著提升。2017 年, 刻蚀设备的

    19、半导体产线资本开支占比突破 20%,而随着光刻机占比的下降,目 前来看,光刻机与刻蚀机的整体资本开支差距不大,两者合计资本开支占到半 导体产线整体资本开支的将近一半。而刻蚀机近年来占比的持续提升,则主要 由于晶圆代工厂制程升级带来的工艺变化以及存储设备刻蚀步骤大幅提升所 导致。 图 8:近年来刻蚀机资本开支占比显著提升 数据来源:SEMI,国融证券研究与战略发展部 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 10 2.1.1晶圆代工制程升级带动刻蚀加工需求显著增长 近年来晶圆代工厂制程持续提升。目前来看,全球最先进的量产工艺已经 达到5nm制程,台积电在2020年基本可实现5nm 量产

    20、制程,苹果等主流手机 厂商的最新款旗舰手机搭载5nm制程芯片。而除台积电和三星以外,格罗方德、 联电、中芯国际也基本已经将量产制程提升至14nm左右,中芯国际继续向7nm 追赶。 从晶圆代工厂角度,摩尔定律仍然有效,更高阶制程依然在研发中。台积 电正在向3nm及更高端制程进行研发,3nm预计于明年进行量产,而2nm的研 发也在顺利进行中。整体来看,14nm及以下高阶制程越来越成熟,未来的市场 份额将持续提升,带动高阶制程相关工艺的渗透加速。 表 2:主流晶圆代工厂商的量产制程发展历程 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

    21、2017 2018 2019 2020 台积电 65nm 40nm 28nm 20nm 16nm 10nm 7nm 5nm 格罗方德 90nm 65nm 45nm 28nm 20nm 14nm 中芯国际 90nm 65nm 40nm 28nm 14nm 数据来源:IHS Market,国融证券研究与战略发展部 根据中微公司披露的高阶制程刻蚀工艺来看,由于光刻机在 20nm 以下光 刻步骤收到光波长度的限制,因此无法直接进行光刻与刻蚀步骤,而是通过多 次光刻、刻蚀生产出符合人们要求的更微小的结构。目前普遍采用多重模板工 艺原理, 即通过多次沉积、刻蚀等工艺,实现10nm线宽的制程。根据相关数 据

    22、,14nm制程所需使用的刻蚀步骤达到64次,较28nm提升60%;7nm制程所 需刻蚀步骤更是高达140次,较14nm提升118%。 另外,芯片线宽的缩小对刻蚀本身的精确度以及重复性有了更为严苛的要 求。多次刻蚀要求每一个步骤的精确度足够高,才能使得整体生产的良率保持 在可接受范围内,因此除了对于刻蚀整体步骤数有明显增加外,还对每一步的 刻蚀质量有了更高的要求。 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 11 图 9:中微公司披露先进制程刻蚀方法 图 10:先进制程刻蚀次数明显增多 数据来源:中微公司,国融证券研究与战略发展部 数据来源:SEMI,国融证券研究与战略发展部 因此,整体

    23、看,摩尔定律持续演进,高端制程占比持续提升的大背景下, 晶圆厂对于刻蚀本身的资本开支也在大幅提升,在整体制造工艺未发生较大变 化的情况下,晶圆代工厂中刻蚀设备的占比将持续提升。 2.1.2存储工艺革新带动刻蚀需求提升 刻蚀工艺在存储设备生产中的重要性凸显。根据 2019 年全球刻蚀机龙头 Lam Research披露的收入数据,其存储客户贡献收入高达三分之二,这也表明 存储中刻蚀设备的重要性。存储产品中,DRAM以及NAND Flash是目前应用最 广的产品,市场规模巨大。整体来看,存储器的生产虽然无需最先进的制程, 但是工艺也已经演进到1X nm、1Ynm甚至 1Z nm 的工艺。例如全球

    24、DRAM龙头 美光目前已经量产1Ynm(14nm-16nm),之后也将拓展1Znm以及更高端的制程, 这将带来类似于晶圆代工厂一样的情形,即刻蚀加工次数与单次加工质量要求 明显提升。另外NAND Flash在经过长期技术工艺进步后,现在已经进入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。 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 12 图 11:Lam的存储客户贡献收入占比三分之二以上 图 12:3D NAND技术工艺更为复杂 数据来源:Lam Researsh,国融证券研究与战略发展部 数据来源:中微

    25、公司招股书,国融证券研究与战略发展部 3D NAND 主要增加堆叠成熟而不是缩小线宽,刻蚀要在氧化硅和氮化硅一 对的叠层结构上,加工40:1到60:1的极深孔或者极深的沟槽,因此3D NAND 层数的增加将继续增加对刻蚀技术的依赖。根据东京电子的相关披露,在 3D NAND的工艺技术下,刻蚀设备的资本开支占比高达49%,与2D NAND下仅16% 形成鲜明反差。整体来看,目前3D NAND已经进入64层量产阶段,未来96层、 128 层也在研发试产中,预计相关产品也将很快问世。这些高堆叠层的产品也 将带来刻蚀机的更广阔需求。 图 13:2D NAND中刻蚀设备占比 图 14:3D NAND中刻

    26、蚀设备占比(占比明显提升) 数据来源:东京电子,国融证券研究与战略发展部 数据来源:东京电子,国融证券研究与战略发展部 证券研究报告行业深度报告 请阅读最后一页的免责声明 13 2.2刻蚀设备并未出现技术路线明显分化 由于干法的各项异性优势,其可控性较湿法更好,因此基本已经实现对于 湿法工艺的替代。而在干法刻蚀中,其实我们也看到了不同技术路线的分化, 譬如依照等离子体的种类将刻蚀方法划分为CCP以及ICP两种主流方法,这两 种方法。其中CCP方法主要用于介质刻蚀,出现时间较早,之后ICP作为新刻 蚀技术,由于其很多不亚于CCP的优势,因此对传统的CCP形成一定的替代。 但整体来看,CCP与IC

    27、P各有优劣,并且在不同材料的刻蚀上各有优势, 因此新技术并未完全替代传统技术,相反,两种技术取长补短,在同一种芯片 产品流片生产的过程中实现完美合作。而其他工艺(如光刻机),新技术完全 替代传统技术,技术路线对企业的影响起到决定性作用。 例如,在复杂芯片生产中,光刻胶去胶的过程本身为一种刻蚀的步骤,去 胶后才能够进行下一步的薄膜沉积、涂胶、光刻等步骤。而目前去光刻胶主要 采用介质刻蚀(CCP)的方法。另外,测试孔刻蚀、沟槽刻蚀、通孔刻蚀等一 般主要刻蚀材料为非硅材料(如金属、氧化硅等)也采用介质刻蚀的方式。而 栅极刻蚀、硅刻蚀等则主要以ICP的工艺为主。 图 15:CCP与ICP刻蚀的主要工作

    28、原理 图 16:复杂芯片生产既采用介质刻蚀又采用硅刻蚀 数据来源:中微公司招股书,国融证券研究与战略发展部 数据来源:半导体制造技术,国融证券研究与战略发展部 2.3半导体刻蚀行业壁垒极高,技术未显著分化但格局高度 集中 目前,全球刻蚀机设备的参与者相对较少,行业整体处于寡头垄断格局。 主要的参与者包括美国的Lam Research(泛林半导体)、 AMAT(应用材料)、日 本的 TEL(东京电子)等企业。此三家企业占据全球半导体刻蚀机的 94%的市 场份额,而其他参与者合计仅占6%。其中,Lam Research占比高达55%,为行 业的绝对龙头。东京电子与应用材料分别占比20%和19%。 介质刻蚀方面,东京电子占比较高。东京电子一直以来都以CCP刻蚀机为 主要出

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