半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列.pdf

DONGXING SECURITIES 行业研究 东兴证券股份有限公司证券研究报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列 2020年03月27日 看好/维持 电子元器件 行业报告 分析师 刘慧影 电话：010-66554130 邮箱：liuhy_yjsdxzq 执业证书编号：S1480519040002 分析师 刘奕司 电话：010-66554130 邮箱：liuyisidxzq 执业证书编号：S1480519110001 研究助理 吴天元 电话：010-66554130 邮箱：wutydxzq 研究助理 吴 昊 电话：010-66554130 邮箱：wuhao_yjsdxzq 投资摘要： 光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备是芯片制造过程中的三大核心设备，如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻机是打草稿的画笔，刻蚀机是雕刻刀，沉积的薄膜则是构成作品的材料。光刻的精度直接决定了元器件刻画的尺寸，刻蚀和薄膜沉积的精度则决定了光刻的尺寸能否实际加工，因此光刻、刻蚀和薄膜沉积设备是芯片加工过程中最重要的三类主设备，价值占前道设备的近70%。 2018年半导体设备的全球市场规模约 645亿美元，全行业处于寡头垄断格局。其中阿斯麦独自垄断高端光刻机，泛林半导体、应用材料和东京电子是三家最主要的刻蚀和薄膜沉积设备生产商。观察当前的半导体行业格局和特点，我们需要理解如下三个问题： 为何半导体设备厂商在客户集中度很高的情况下仍然拥有较高的定价权？ 在制造业中，产业链步骤越多，上游设备材料商的话语权越强。晶圆的加工流程动辄需要几千步，晶圆厂为使良率达标而花费大量的精力，没有余力去做设备和材料的开发，因此晶圆厂宁愿为设备厂商让渡更多利润，来获得其最新的产品和持续的技术支持。设备企业对于晶圆加工厂来说更像是外置的研发中心。半导体设备的购买对于晶圆厂来说不仅仅是产能的提升，更是制程精进的基础，这种相互配合的研发模式是设备行业常年高利润的另一个原因。此外，设备定制化也带来极高的客户粘性和转换成本。 为何光刻设备几乎是完全垄断，而刻蚀设备是寡头垄断？ 在高端光刻领域，浸没式光刻是干法光刻的替代技术，新旧技术的替代带来了光刻机的完全垄断。ICP刻蚀并不是 CCP刻蚀的替代技术，而是各有所长，侧重了不同工艺步骤，新旧技术共存形成了刻蚀领域的寡头竞争。 为何近些年来刻蚀设备的价值占比不断上升？ 光刻机的技术瓶颈推动刻蚀市场发展。在光刻技术停滞不前的情况下，想要继续提升制程大体有两个思路，即双重光刻+刻蚀，或多重薄膜+刻蚀，无论用哪种思路都离不开刻蚀步骤的增加。芯片设计的变化带来刻蚀设备需求的提升，近几年来3D NAND 等新结构的应用导致在存储器制造过程中刻蚀步骤大幅增加。 展望未来，国产半导体设备正在逆袭： 工程师红利助力我国企业的发展。追赶式研发风险相对更低，同时我国企业人工成本低，研发效率更高。 半导体产业链向中国转移和存储器国产化是我国企业的重大机遇。我国半导体设备销售额在近十几年来全球占比逐年上升，在外部环境存在不确定性的情况下，培育我国自己的半导体设备和材料制造商成为整个半导体行业的共识。存储器是半导体设备支出占比最高的领域，存储器的国产化为我国设备企业提供了良好的成长机会。 先专注某一领域做大做强，再并购整合其他业务，是国际巨头共同的成长模式，我国企业在追赶之初同样应该参考。刻蚀设备作为三大主设备之一，进入客户产线后或可拥有一定的话语权。国内走在前列的刻蚀设备厂商，有望在刻蚀机领域率先形成对国际巨头的威胁，并在未来整合国内资源，实现半导体设备的国产替代。 投资策略：建议关注国产刻蚀机龙头企业中微公司。 风险提示：外部环境发生重大变化，下游需求不及预期，长江存储扩产进度不及预期，海外客户拓展不及预期等。 P2 东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列 DON GX IN G SECURIT IES目 录 1. 半导体设备推动芯片制造业的发展 . 4 1.1 半导体设备推动摩尔定律的实现 . 4 1.2 不同的设备在芯片制造过程中分工明确 . 4 1.3 半导体设备市场高度集中 . 6 1.3.1 市场空间随下游半导体变化 . 6 1.3.2 细分领域市场多为寡头垄断 . 7 2. 半导体设备行业需要理解的三个问题 .10 2.1 为何设备企业在客户集中度很高的情况下仍拥有定价权？ .10 2.1.1 工艺复杂和分工细化提升设备厂商话语权 .10 2.1.2 设备厂商承担了晶圆厂的前期研发任务 .10 2.1.3 设备定制化带来极高客户粘性和转换成本 .10 2.2 为何光刻一家独大，刻蚀寡头垄断？ . 11 2.2.1 光刻和刻蚀技术更替的差异带来市场格局不同 . 11 2.2.2 光刻：新旧技术替代带来完全垄断 . 11 2.2.3 刻蚀：新旧技术共存形成寡头竞争 .12 2.3 为何近些年来刻蚀设备的价值占比不断上升？ .15 2.3.1 光刻机的技术瓶颈推动刻蚀机市场发展 .15 2.3.2 芯片设计的变化带来刻蚀设备需求的提升 .16 3. 展望未来，国产半导体设备正在逆袭 .17 3.1 工程师红利助力我国企业的追赶式研发 .17 3.2 半导体产业链中国转移和存储器国产化是重大机遇 .18 3.2.1 半导体产业链转向中国，突破国内客户是第一步 .18 3.2.2 存储器国产化为我国刻蚀机厂商带来机遇 .20 3.2.3 从专一突破到平台整合是我国企业应借鉴的成长之路 .21 4. 风险提示.22 相关报告汇总 .23 插图目录 图 1： 晶圆加工过程示意图. 5 图 2： 典型晶圆加工厂的厂房区域布局 . 6 图 3： 全球半导体设备销售额和集成电路销售额（单位：亿美元） . 7 图 4： 2017年半导体设备和晶圆厂设备市场份额. 7 图 5： 2018年光刻机市场份额. 8 图 6： 2018年刻蚀机市场份额. 8 图 7： 2018年 CVD市场份额 . 8 图 8： 2018年 PVD市场份额 . 8 图 9： 2017年 CMP市场份额. 8 东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列 P3 DON GX IN G SECURIT IES图 10： 离子注入机全球市场份额 . 8 图 11： 前道晶圆检测设备市场份额. 9 图 12： 2017年后道检测设备市场份额 . 9 图 13： 典型的 CMOS剖面示意图和部分刻蚀工艺的作用 .13 图 14： 1988-2002年全球刻蚀设备销售额（单位：百万美元） .14 图 15： 1988-2002年全球刻蚀设备份额变化 .14 图 16： 2007-2018年全球刻蚀设备份额变化 .14 图 17： 2001-2017年各类设备在晶圆厂中的价值占比 .15 图 18： 全球刻蚀市场规模（亿美元） .15 图 19： 利用刻蚀提升制造精度的方法示意图 .16 图 20： 不同制程中刻蚀工艺的步骤数示意图 .16 图 21： 2D NAND和 3D NAND设备价值占比.17 图 22： 2D NAND和 3D NAND示意图 .17 图 23： Lam Research历年下游客户占比 .17 图 24： 全球的半导体设备销售额和中国大陆半导体设备销售额（亿美元） .19 图 25： 中国芯片市场规模和中国芯片本土制造市场规模（亿美元） .20 图 26： 长江存储刻蚀机中标总数量占比（截止 2020年 2月底） .21 图 27： 长江存储介质刻蚀设备中标数量占比（2020年 2月底） .21 图 28： 长江存储硅刻蚀设备中标数量占比（2020年 2月底） .21 表格目录 表 1： 单个芯片集成元件数量的演进 . 4 表 2： 2018年前六大半导体设备公司主要产品分布. 9 表 3： 全球前六大半导体设备厂商历年市场份额 . 9 表 4： 历代主流光刻机的主要特点.12 表 5： 2019年前道光刻机全球出货量.12 表 6： 两种主要等离子干法刻蚀技术的对照 .13 表 7： 部分半导体设备的海外领先企业和国内追赶企业 .18 表 8： 2018年底全球晶圆加工产能分布（8寸当量） .19 P4 东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列 DON GX IN G SECURIT IES1. 半导体设备推动芯片制造业的发展 1.1 半导体设备推动摩尔定律的实现 半导体是指在某些条件下导电某些条件下不导电的一类材料，生活中常用“半导体”一词来泛指半导体电子元器件。集成电路是最重要的一类半导体器件，又称为芯片。 1906 年美国人德福雷斯特（Lee De Forest）发明了世界上第一个真空三极管，1947 年贝尔实验室发明了固态晶体管，1957 年位于美国加州的仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）制造出第一个商用平面晶体管。1959 年，仙童公司和德州仪器公司（Texas Instruments）分别在硅片和锗片上完成了微缩电路的制造，集成电路就此诞生。 自问世以来，单个芯片上集成的元件数量不断增长。1965 年英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）提出，在价格不变的情况下一块集成电路上可容纳的元器件的数目将每18-24 个月增加一倍，性能也将提升一倍，这就是著名的摩尔定律。自20 世纪 60 年代到 21 世纪的前十几年，摩尔定律完美诠释了集成电路的发展历程。 摩尔定律的背后是半导体设备的不断精进。集成电路多以单晶硅为基底材料，成千上万的元器件和导线经过一些列工艺被“雕刻”在硅片上，完成这些“雕刻”步骤的工具就是半导体设备。“雕刻”精度的提升带来元器件尺寸的缩小，现今的晶工艺尺寸是以纳米级计量的。集合了全球顶尖制造技术的半导体设备在过去半个世纪中不断推动着人类工业文明的进步。 表1：单个芯片集成元件数量的演进 分类 诞生时间 元件数量 小规模集成电路（SSI） 20世纪60年代前期 2100 中规模集成电路（MSI） 20世纪60年代中期 1001000 大规模集成电路（LSI） 20世纪70年代前期 100010 万 超大规模集成电路（VLSI） 20世纪70年代后期 10万100 万 特大规模集成电路（ULSI） 20世纪90年代前期 100万1000 万 巨大规模集成电路（GSI） 20世纪90年代中期 1000万以上 资料来源：东兴证券研究所 1.2 不同的设备在芯片制造过程中分工明确 半导体设备主要可以分为前道设备和后道设备，前道设备是指晶圆加工设备，后道设备是指封装测试设备。前道设备完成芯片的核心制造，后道设备完成芯片的包装和整体性能测试，因此前道设备通常技术难度更高。 东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列 P5 DON GX IN G SECURIT IES图1：晶圆加工过程示意图 资料来源：半导体制造技术，东兴证券研究所 前道的晶圆加工工艺包括氧化、扩散、退火、离子注入、薄膜沉积、光刻、刻蚀、化学机械平坦化（CMP）等，这些工艺并不是单一顺序执行，而是在制造每一个元件时选择性地重复进行。一个完整的晶圆加工过程中，一些工序可能执行几百次，整个流程可能需要上千个步骤，通常耗时六到八个星期。这些工艺的大体作用如下： 氧化、退火工艺的主要作用是使材料的特定部分具备所需的稳定性质； 扩散、离子注入工艺的主要作用是使材料的特定区域拥有半导体特性或其他需求的物理化学性质； 薄膜沉积工艺（包括 ALD、CVD、PCD 等）的主要作用是在现有材料的表明制作新的一层材料，用以后续加工； 光刻的作用是通过光照在材料表面以光刻胶留存的形式标记出设计版图（掩膜版）的形态，为刻蚀做准备； 刻蚀的作用是将光刻标记出来应去除的区域通过物理或化学的方法去除，以完成功能外形的制造； CMP工艺的作用是对材料进行表面加工，通常在沉积和刻蚀等步骤之后； P6 东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列 DON GX IN G SECURIT IES 清洗的作用是清除上一工艺遗留的杂质或缺陷，为下一工艺创造条件； 量测的作用主要是晶圆制造过程中的质量把控。 集成电路就在沉积、光刻、刻蚀、抛光等步骤的不断重复中成型，整个制造工艺环环相扣，任一步骤出现问题，都可能造成整个晶圆不可逆的损坏，因此每一项工艺的设备要求都很严格。 如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻机是打草稿的画笔，刻蚀机则是雕刻刀，沉积的薄膜则是用来雕刻的材料。光刻的精度直接决定了元器件刻画的尺寸，而刻蚀和薄膜沉积的精度则决定了光刻的尺寸能否实际加工，因此光刻、刻蚀和薄膜沉积设备是芯片加工过程中最重要的三类主设备，占前道设备的近70%。 图2：典型晶圆加工厂的厂房区域布局 资料来源：半导体制造技术，东兴证券研究所 注：剪头代表硅片流程 后道设备可以分为封装设备和测试设备，其中封装设备包括划片机、装片机、键合机等，测试设备包括中测机、终测机、分选机等。 后道设备的功能较易理解，划片机将整个晶圆切割成单独的芯片颗粒，装片机和键合机等完成芯片的封装，测试设备则负责各个阶段的性能测试和良品筛选。 1.3 半导体设备市场高度集中 1.3.1 市场空间随下游半导体变化 根据日本半导体制造业协会统计，2018 年全球半导体设备销售额为 645 亿美元。 东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列 P7 DON GX IN G SECURIT IES世界半导体贸易统计协会（WSTS）的数据显示，2018 年全球半导体销售额为 4688 亿元，其中集成电路 3633亿元；2019 年由于存储器降价明显，全球半导体销售额下滑为4090 亿美元，其中集成电路 3304 亿美元。近些年来半导体设备的销售额与集成电路销售额的波动大体同步，也体现了行业资本投资存在一定周期性。 图3：全球半导体设备销售额和集成电路销售额（单位：亿美元） 资料来源：日本半导体制造业协会，WSTS，Wind，东兴证券研究所 1.3.2 细分领域市场多为寡头垄断 半导体设备中晶圆加工设备价值占比超过80%，其余为封装和测试设备。在晶圆加工设备中，光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备三类主要设备合计价值占比接近 70%。 图4：2017年半导体设备和晶圆厂设备市场份额 资料来源：SEMI，中微公司招股说明书，东兴证券研究所 全球半导体设备市场高度垄断，其中最重要的设备制造厂商包括阿斯麦（ASML）、应用材料（Applied Materials）、东京电子（Tokyo Electron）、泛林半导体（Lam Research）、科磊半导体（KLA-Tencor）、迪恩士（SCREEN）、日立高新（Hitachi）、泰瑞达（Teradyne）、爱德万（Advantest）等等。这些厂商通常专注于某个领域，并在擅长的领域拥有较高的市场份额。 010020030040050060070005001,0001,5002,0002,5003,0003,5004,0004,5001999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019存储器 逻辑芯片 模拟芯片 微处理器 右轴：半导体设备 P8 东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列 DON GX IN G SECURIT IES图5：2018年光刻机市场份额 图6：2018年刻蚀机市场份额 资料来源：Gartner，鲸准2019集成电路行业研究报告，东兴证券研究所 资料来源：Gartner，鲸准2019集成电路行业研究报告，东兴证券研究所 图7：2018年 CVD市场份额 图8：2018年 PVD市场份额 资料来源：Gartner，鲸准2019集成电路行业研究报告，东兴证券研究所 资料来源：Gartner，鲸准2019集成电路行业研究报告，东兴证券研究所 图9：2017年 CMP市场份额 图10：离子注入机全球市场份额 资料来源：电子产品世界，东兴证券研究所 资料来源：前瞻产业研究院，东兴证券研究所 阿斯麦 76% 尼康 11% 佳能 6% 其他 7% 泛林 52% 东京电子 20% 应用材料 19% 其他 9% 应用材料 30% 东京电子 21% 泛林 19% 其