机械行业刻蚀设备国产崛起可期待工艺进步促需求20190225长江证券35页

刻蚀设备：国产崛起可期待，工艺进步促需求长江证券机械研究小组分析师：赵智勇SAC执业证书编号：S0490517110001分析师：姚远SAC执业证书编号：S0490517070005分析师：臧雄SAC执业证书编号：S0490518070005联系人：倪蕤、曹小敏•研究报告•评级看好维持01什么是半导体刻蚀设备02市场格局：巨头垄断，国产可期03需求趋势：工艺进步推动需求向上04海外借鉴：高研发构筑内生增长什么是半导体刻蚀设备01刻蚀工艺通常位于光刻工艺之后图1：刻蚀工艺位于光刻工艺之后资料来源：《半导体制造技术》（中国工信出版集团、电子工业出版社，MichaelQuirk,JulianSerda著）,长江证券研究所刻蚀技术湿法刻蚀干法刻蚀刻蚀材料硅刻蚀介质刻蚀金属刻蚀刻蚀是半导体制造核心工艺之一图2：薄膜沉积、光刻和刻蚀是半导体制造三大核心工艺资料来源：《半导体制造技术》（中国工信出版集团、电子工业出版社，MichaelQuirk,JulianSerda著）,长江证券研究所资料来源：《半导体制造技术》（中国工信出版集团、电子工业出版社，MichaelQuirk,JulianSerda著）,长江证券研究所图3：刻蚀的目的是把图形从光刻胶转移到待刻蚀的薄膜上薄膜沉积、光刻和刻蚀是半导体制造的三大核心工艺薄膜沉积工艺在晶圆上沉积一层待处理的薄膜，匀胶工艺把光刻胶涂抹在薄膜上，光刻和显影把光罩上的图形转移到光刻胶，刻蚀把光刻胶上图形转移到薄膜，洗掉光刻胶后，即完成图形从光罩到晶圆的转移一颗芯片有数十层光罩，半导体制造即在薄膜沉积、光刻和刻蚀三大工艺中循环，把所有光罩的图形逐层转移到晶圆上薄膜沉积---长一层待刻蚀薄膜---沉积设备显影---去掉经曝光的光刻胶---显影设备匀胶---涂抹光刻胶---匀胶机光刻---把图形从光罩复刻到光刻胶---光刻机刻蚀---挖掉缕空的薄膜---刻蚀机去胶---去掉剩余光刻胶---去胶机指标类型指标表述刻蚀速率刻蚀过程中去除待刻蚀的材料的速度，通常越快越好刻蚀剖面各向异性刻蚀只在垂直方向刻蚀，能保证侧壁上下宽度一致，干法刻蚀通常是各向异性的，为现在主流刻蚀方法各向同性刻蚀在各个方向上以相同的速率刻蚀，会造成光刻胶下的钻蚀，导致线宽损失，湿法刻蚀通常各向同性刻蚀偏差刻蚀后线宽或关键尺寸间距的变化，即刻蚀得到的图形比光刻胶更凹进去通常由横向钻蚀或刻蚀剖面不合格引起选择比同一刻蚀条件下，刻蚀一种材料比另一种材料的速率快多少高选择比的刻蚀工艺，在刻蚀一种材料的同时不刻蚀其他材料，可保护光刻胶和其余部件，工艺越先进，对选择比要求越高其他指标均匀性、残留物、聚合物、等离子体诱导损失、颗粒沾污、宽深比等刻蚀设备主要指标资料来源：《半导体制造技术》（中国工信出版集团、电子工业出版社，MichaelQuirk,JulianSerda著），长江证券研究所表1：刻蚀设备主要指标包括刻蚀速率、剖面、偏差、选择比等资料来源：《半导体制造技术》（中国工信出版集团、电子工业出版社，MichaelQuirk,JulianSerda著），长江证券研究所资料来源：《半导体制造技术》（中国工信出版集团、电子工业出版社，MichaelQuirk,JulianSerda著），长江证券研究所图4：化学和物理干法刻蚀原理表2：刻蚀机按工艺分为湿法和干法刻蚀，干法刻蚀为主流湿法刻蚀各向异性较差，侧壁容易产生横向钻蚀造成刻蚀偏差，通常用于工艺尺寸较大的刻蚀，或用于干法刻蚀后清洗残留物等干法刻蚀是目前主流的刻蚀技术，通常采用等离子干法刻蚀，等离子干法刻蚀机主要有ICP、CCP刻蚀机等等离子干法刻蚀机，在反应腔中将气体激发为高速运动（高能量）的等离子状态，并控制等离子气体的运动方向，使等离子轰击晶圆表面的薄膜（物理刻蚀）或与薄膜发生反应（化学刻蚀）或两者结合（物理化学混合），实现刻蚀决定刻蚀效果的主要指标有：等离子能量和等离子浓度等离子干法刻蚀是目前主流刻蚀工艺工艺实现方式优点湿法刻蚀化学试剂（酸、碱等）腐蚀1、对材料的刻蚀选择比较高2、对器件的损伤较小3、设备成本较低干法刻蚀物理方法1、刻蚀剖面各向异性，具有较好的侧壁剖面控制2、较好的线宽偏差控制3、最小的光刻胶脱落或粘附问题4、较好的片内、片间和批次间刻蚀的一致性5、较低的材料消耗和废气处理费用化学方法物理化学混合方法干法等离子体刻蚀机中最常见的是CCP和ICP刻蚀机图5：双频电源CCP刻蚀机原理图（电源加在一个/两个极板）资料来源：《等离子体刻蚀工艺的物理基础》（《物理学和高新技术》，戴忠玲、毛明、王友年），长江证券研究所图6：螺旋状线圈ICP刻蚀机和平面盘绕状ICP刻蚀机原理图干法等离子体刻蚀中最常见的是电容性耦合等离子体刻蚀（CCP）和电感性耦合等离子体刻蚀（ICP），两者激发等离子体的方式不同CCP为电容极板激发等离子体，ICP由电感线圈激发等离子体，两者涵盖了绝大部分刻蚀应用双频电源CCP刻蚀可在一定程度上改善CCP刻蚀不能单独控制等离子体浓度和能量的特点ICP刻蚀设备按结构不同又分为螺旋状线圈ICP和平面盘绕状ICP（又称TCP）螺旋状线圈ICP，在刻蚀反应腔体外缠绕电感线圈平面盘绕状ICP，线圈在一个平面内，放置在反应腔体上部此外还有一种ECP方式也可看做ICP的一种资料来源：《等离子体刻蚀工艺的物理基础》（《物理学和高新技术》，戴忠玲、毛明、王友年），长江证券研究所ICP和CCP刻蚀设备的主要应用场景不同ICP：刻蚀较软和较薄，需精细控制的材料，如栅极硅刻蚀CCP：较硬材料上，刻蚀高深宽比的深孔、深沟等，如介质通孔刻蚀国外各家刻蚀设备公司主要技术路线应用材料（ICP），Lam（TCP），TEL（CCP），Hitachi（ECP）资料来源：《半导体制造技术》（中国工信出版集团、电子工业出版社，MichaelQuirk,JulianSerda著），长江证券研究所表3：ICP和CCP刻蚀设备的主要应用场景不同设备类型特点应用场景电容耦合CCP刻蚀设备1、不易单独控制等离子体浓度和能量2、较高的工作气压3、通常较大能量，易过刻蚀损伤晶圆1、高能离子2、在较硬材料上，刻蚀高深宽比的深孔、深沟等3、如介质通孔刻蚀电感耦合ICP刻蚀设备1、可分别控制等离子体浓度和能量2、较低的工作气压3、通常均匀的离子浓度、低能量，不易损伤晶圆1、低能离子，均匀的离子浓度2、刻蚀较软的和较薄的材料3、如栅极硅刻蚀晶圆制造过程分FEOL和BEOL段，对工艺要求不同图7：典型晶圆剖面图，制造过程分FEOL段和BEOL段资料来源：《半导体制造技术》（中国工信出版集团、电子工业出版社，MichaelQuirk,JulianSerda著）,长江证券研究所晶圆制造由低向高逐层堆积，每一层都需经薄膜沉积、光刻和刻蚀，靠前的工序为FEOL，靠后的为BEOL金属层出现前的制造阶段为FEOL（Frontendofline），是晶圆制造最靠前工序，对工艺、线宽要求较严格，是关键工艺段金属层出现后的制造阶段为BEOL（Backendofline），是晶圆制造中靠后的工序，对工艺、线宽要求较FEOL更宽松FEOL段对工艺要求较高，如14nm工艺中，FEOL段需严格做到14nmBEOL段对工艺要求稍低，如14nm工艺中，BEOL段通常不必做到14nmN阱P阱P+P+N+N+金属层1金属层2金属层3金属层4金属层5金属层6层间介质1层间介质2层间介质3层间介质4层间介质5介质硅硅硅硅金属接触孔金属接触孔金属通孔BEOL段介质、金属刻蚀大深宽比CCP刻蚀设备FEOL段（关键）硅、介质刻蚀ICP刻蚀设备按刻蚀的材料可分为硅刻蚀、介质刻蚀和金属刻蚀FEOL段、BEOL段和后道先进封装中，刻蚀的材料和要求各不相同FEOL段主要是对硅和介质的精细刻蚀，线宽、等离子能量控制、对晶圆的损伤等要求严格BEOL段主要是对介质和金属的刻蚀，主要是刻蚀高深宽比的深孔、深槽等后道先进封装中，硅通孔工艺（TSV）刻蚀微米级通孔，对刻蚀设备的功率要求较大资料来源：《半导体制造技术》（中国工信出版集团、电子工业出版社，MichaelQuirk,JulianSerda著），长江证券研究所表4：FEOL段、BEOL段和先进封装工艺中刻蚀的材料和对刻蚀的要求不同工艺段主要刻蚀材料刻蚀要求主要刻蚀工艺主要刻蚀设备FEOL段硅介质材料较薄，对工艺、线宽要求较严格，是关键工艺段栅极硅刻蚀接触孔介质刻蚀浅沟槽硅刻蚀介质侧墙刻蚀等ICP刻蚀设备BEOL段介质金属材料较硬较厚，高深宽比深孔、深槽对工艺、线宽要求较FEOL更宽松通孔介质刻蚀钝化层刻蚀金属刻蚀等CCP刻蚀设备后道先进封装硅微米级深孔刻蚀硅通孔刻蚀等TSV刻蚀设备市场格局：巨头垄断，国产可期02刻蚀设备19年全球市场空间约116亿美元，2020年约140亿美元图8：晶圆制造设备占半导体设备价值量的约80%，刻蚀占约24%份额资料来源：SEMI/SEAJWWSEMS，长江证券研究所封装设备,6.4%测试设备,8.7%其他设备,4.0%刻蚀设备,24%光刻机/光刻胶处理,23%CVD,18%CMP/表面处理/清洁,13%检测设备,13%其他沉积设备,9%晶圆制造设备,80.8%图9：全球半导体设备销售额资料来源：SEMI，长江证券研究所半导体设备中晶圆制造设备价值量占比约80%，刻蚀设备占比最大光刻、刻蚀和薄膜设备等核心工艺环节的设备价值量较大刻蚀设备约占晶圆制造设备价值量的24%，近年来超过光刻，占比最大据SEMI预计，2019年全球半导体设备销售额约595.8亿美元，2020年约719.2亿美元2019年全球刻蚀设备市场空间约116亿美元，2020年约140亿美元620.9595.8719.2-100%-50%0%50%100%150%200%010020030040050060070080020092010201120122013201420152016201720182019E2020E全球半导体设备销售额（亿美元）同比刻蚀设备市场由巨头垄断图10：2017年半导体设备前12大公司市场份额资料来源：SEMI，长江证券研究所图11：2016年全球刻蚀设备市场份额占比情况资料来源：Gartner，长江证券研究所应用材料,19.1%泛林,15.1%东电电子,12.9%阿斯麦,12.9%科天,5.0%迪恩士,2.5%细美事,1.9%日立高新,1.8%日立国际电气,1.7%大福,1.2%先域,1.2%尼康,1.1%其他,23.57%晶圆制造设备公司龙头效应显著前4大设备公司市场份额占比达约60%前4大公司主要业务均为光刻、刻蚀、薄膜沉积等核心工艺环节刻蚀设备市场由Lam、东京电子和应用材料三大巨头垄断Lam占全球刻蚀设备约50%份额，东京电子和应用材料各占约20%份额此外有日立高新技术、SPTS、及部分国产刻蚀设备公司参与刻蚀设备竞争52.7%19.7%18.1%9.5%Lam东京电子应用材料其他资料来源：东京电子、应用材料、Lam等公司官网，长江证券研究所资料来源：Lam、东京电子、应用材料、Conventor等相关公司官网，长江证券研究所图12：经30多年竞争和整合，刻蚀设备行业集中到主要的3家表5：刻蚀设备龙头公司主要并购情况并购整合是刻蚀设备公司强化自身竞争力的有效途径刻蚀设备行业经数十年发展、竞争和整合，目前主要由Lam、应用材料和东京电子三家垄断应用材料2013年9月曾尝试并购东京电子，Lam于2015年10月曾尝试并购KLA-Tencor，但均因反垄断而失败，目前刻蚀设备巨头竞争格局较为稳定刻蚀设备行业经不断整合，目前格局较为稳定时间收购公司被收购标的被收购标的主要业务2006LamSilfex与刻蚀相关的零部件和辅助系统2007东京电子Epion与刻蚀相关的零部件和辅助系统2007LamSEZGroup湿法刻蚀2009应用材料Semitool湿法刻蚀2012东京电子FSI湿法刻蚀2017LamCoventor