半导体行业系列专题（六）刻蚀：半导体制造核心设备，国产化之典范

证券研究报告 半导体行业系列专题（六） 刻蚀：半导体制造核心设备，国产化之典范 半导体行业强于大市（维持） 证券分析师 付强投资咨询资格编号：S1060520070001 徐勇投资咨询资格编号：S1060519090004 研究助理 陈福栋一般证券从业资格编号：S1060122100007 2024年7月2日 请务必阅读正文后免责条款 1 投资要点 刻蚀：半导体制造三大核心设备之一。刻蚀主要负责去除特定区域的材料从而形成微小的结构图案，与光刻、薄膜沉积并称为半导体制造三大核心设备，占半导体前道设备价值总量的22%，地位举足轻重。等离子体干刻是目前刻蚀的主流方案，包括ICP和CCP两大类，ICP可用于硅、金属以及部分介质刻蚀，CCP主要用于介质刻蚀，两者市占率平分秋色。随着晶体管尺寸不断缩小，对刻蚀的精准度要求更高， 原子层刻蚀（ALE）登场，其可以看做是ALD的镜像过程，具备自停止属性，刻蚀精度达单原子层级，已经应用于自对准接触等需原子级精密控制的工艺中，颇具潜力。 格局：国产化之典范，成功打入国际市场。全球刻蚀设备市场属于寡头垄断格局，LAM、TEL、AMAT三巨头长期占据全球九成以上的市场 份额，LAM一家市占率就接近五成，垄断性强。然而，刻蚀也是国内率先取得突破的半导体核心设备，已成功打破海外垄断进入国际市场，2015年，美国商务部取消了等离子体刻蚀机对中国的出口控制，侧面印证了国内刻蚀设备已经取得突破。中微公司、北方华创、屹唐股份等厂商在刻蚀设备的国产化方面做出了突出贡献：中微公司主营产品为刻蚀机，在CCP、ICP领域具备强大的竞争力，其刻蚀设备已批量应用于国际先进5nm及以下产线；北方华创的ICP出货已经超过3200腔（截止2023年底），与中微公司同属国内刻蚀设备市场的主力军；屹唐股份的刻蚀设备应用到三星、长存的产线中。总体看，国内刻蚀设备成功打破海外垄断，达到国际先进水平，是国产替代的典范。 看点：国产替代+先进制程+海外拓展有望拉动长期增长。国产替代、自主可控为国内半导体厂商提供了巨大的发展空间，刻蚀设备的国 产化已经迈入正轨，国内半导体市场将为刻蚀厂商提供源源不断的订单；此外，先进制程、先进存储需要更多次数的刻蚀工艺，且对刻蚀设备的精度要求更高，单位产线产能的刻蚀设备价值量大幅提升。长期看，海外市场也有望为国内刻蚀厂商提供新的增长点，原因为：1）全球主要半导体厂资本开支处于较高水平；2）国内刻蚀设备具备全球竞争力，在部分领域有能力与国际巨头展开直面竞争。 投资建议：刻蚀设备是国内率先取得突破的半导体制造核心设备，技术产品力强大，国产替代已成常态，且成功进入海外市场展开国际竞争。当前，国内先进制程、先进存储产能仍显不足，技术突破、产能扩张诉求较强，刻蚀设备的国内市场空间长期充裕，且全球半导体厂商的资本开支仍处在高位，长期看，具备强大竞争力的国内刻蚀设备厂有望不断侵蚀海外市场，为其业绩持续增长提供充足的动力。推荐中微公司、北方华创。 风险提示：（1）国内技术产品开发不及预期的风险。（2）海外制裁加剧的风险。（3）下游需求不及预期的风险。 目录CONTENTS 一、刻蚀：半导体制造三大核心设备之一 二、格局：国产化之典范，成功打入国际市场 三、看点：国产替代+先进制程+海外拓展有望拉动增长 四、投资建议与风险提示 刻蚀是半导体图案化过程的核心工艺，刻蚀机被视为半导体制造三大核心设备之一。刻蚀设备主要用于去除特定区域的材料来形成微 小的结构图案，与光刻、薄膜沉积并称为半导体制造三大核心设备，重要性凸显，地位举足轻重。 半导体制造工艺流程 氧化 氧化炉 AMAT 日本日立TEL 北方华创屹唐半导体 涂胶 涂胶显影设备 TELDNS 芯源微 光刻 光刻机 ASML 尼康佳能 上海微电子 刻蚀刻蚀机 LAMTELAMAT 北方华创中微公司 离子注入离子注入机 AMATACLS 凯世通中科信 多次清洗 清洗设备 DNSTELLAM 北方华创盛美上海芯源微 检测 检测设备 KLAAMAT 精测电子中科飞测华峰测控 抛光CMP设备 AMAT 日本荏原 华海清科电科装备45所 薄膜沉积 薄膜沉积设备 AMATLAMTEL 北方华创拓荆科技中微公司 数据来源：各公司官网，平安证券研究所 刻蚀机作为半导体制造三大设备之一，价值量高，市场规模可观。根据Gartner数据，2022年，刻蚀设备占半导体前道设备价值量的 22%，仅次于薄膜沉积设备，排名第二；从市场规模来看，根据MordorIntelligence数据，2024年，全球半导体刻蚀设备市场规模预计为238.0亿美元，到2029年预计将增长到343.2亿美元，期间CAGR约为7.6%，市场规模可观，增速较快。 半导体前道设备价值量分布（%）@2022年全球半导体刻蚀设备市场规模预测（亿美元） 光刻刻蚀薄膜沉积量测涂胶显影热处理离子注入清洗CMP其它 400 350 300 250 200 150 100 50 0 20242029E 数据来源：Gartner，MordorIntelligence，平安证券研究所 刻蚀可分为湿刻和干刻，湿刻各向异性较差，侧壁容易产生横向刻蚀造成刻蚀偏差，通常用于工艺尺寸较大的应用，干刻是目前主流 的刻蚀技术，其中，等离子体干刻应用最广。 根据等离子体产生方法不同，等离子体刻蚀又划分为ICP（电感性等离子体刻蚀）和CCP（电容性等离子体刻蚀）两大类，ICP主要用于硅、金属以及部分介质刻蚀，CCP主要用于介质刻蚀。根据Gartner数据，2022年，在全球刻蚀设备市场中，ICP、CCP市占率分别为47.9%和47.5%，合计市占率95.4%，是刻蚀设备的主流。 刻蚀工艺分类 ICP与CCP刻蚀反应腔 各类刻蚀设备市场占比@2022（%） ICPCCP其他 数据来源：华经产业研究院，中微公司年报，Gartner，平安证券研究所 ICP CCP 传统等离子刻蚀设备会面临刻蚀损伤、负载效应以及控制精度等一系列挑战，而原子层刻蚀（ALE）可实现单原子层级的精准刻蚀，是有效的解决方案。ALE可视为ALD的镜像过程，其原理为：1）将结合气体导入刻蚀腔，吸附于材料的表面，形成一个结合层，此为改性步骤，具有自停止性；2）清除腔体中过量的结合气体，引入刻蚀气体轰击刻蚀表面，去除原子层级的结合层，并使未经改性的表面裸露出来，此为刻蚀步骤，也具有自停止性，上述步骤完成后，表面的单原子层薄膜即可被精准去除。 原子层沉积（ALE）的优势包括：1）可实现定向刻蚀；2）即使深宽比不同，也可实现等量刻蚀。 数据来源：LAMResearch，平安证券研究所 ALE工艺流程ALE应用范例 目录CONTENTS 一、概论：半导体制造三大核心设备之刻蚀 二、格局：国产化之典范，成功打入国际市场 三、看点：国产替代+先进制程+海外拓展有望拉动增长 四、投资建议与风险提示 刻蚀机是半导体图案化工艺中必不可少的核心设备，对核心性能指标的可靠性、稳定性、一致性等要求极高，产品开发难度大，技术壁 垒高，市场参与玩家相对较为集中。 全球刻蚀设备市场主要由LAM、TEL、AMAT垄断。根据Gartner数据，2017年，LAM、TEL、AMAT在全球刻蚀设备市场中的市占率分别为55%、20%、19%，合计占比约94%，2021年，该TOP3市占率分别为46.7%、26.6%、17.0%，合计占比约90%。可以看出，全球刻蚀设备行业聚集度高企，但TOP3合计市占率呈下降趋势。 全球刻蚀设备市场竞争格局@2017（%） LAMTELAMAT其他 全球刻蚀设备市场竞争格局@2021（%） LAMTELAMAT中微公司北方华创其他 数据来源：Gartner，屹唐股份招股书，平安证券研究所 在国家政策的大力支持下，近年国内晶圆厂持续扩建，核心设备的国产替代成为主流，为国内半导体设备厂提供了优异的市场环境，国 产刻蚀设备深度受益并取得巨大突破，很大程度上打破了国外垄断，属于国产替代的典范。 中微公司、北方华创是国内刻蚀设备领头羊，部分产品不但批量应用至国内晶圆厂，且成功破入海外市场，具备全球竞争力。截止2023年底，北方华创ICP刻蚀设备累计出货超3200腔，中微公司CCP刻蚀设备已批量应用于海外5nm及以下集成电路产线。根据Gartner数据， 2021年，中微公司、北方华创在全球刻蚀设备市场中的市占率分别为1.4%、0.9%，基数较低，未来增长潜力巨大。 全球刻蚀设备市场竞争格局@2021（%）中微公司在国内逻辑电路制造企业C的刻蚀设备订单份额（台数占比） LAMTELAMAT中微公司北方华创其他LAMTEL中微公司其他 数据来源：Gartner，屹唐股份招股书，中国国际招标网，中微公司招股书，平安证券研究所 LAM是全球最大的刻蚀设备厂商，同时在薄膜沉积、清洗等领域也有较强竞争力，拥有Kiyo®、Versys®、Flex®、Vantex®、Syndion®等刻蚀设备产品系列，客户群体广泛分布于全球范围内，2021年其刻蚀设备的全球市占率达到46.7%，接近半数，在导体、介质刻蚀中均具备强大的市场竞争力。 业绩方面，近年LAM收入体量总体呈现增长趋势，毛利率维持在45%左右的较高水平，近三年净利润率维持在26%左右，盈利能力趋于稳定。 LAM历年营收利润情况（亿美元）LAM历年毛利率情况（%） 收入利润 200 80% 150 60% 100 40% 50 0 FY2018FY2019FY2020FY2021FY2022FY2023 LAM全球收入分布情况（%）@2023 20% 0% FY2018FY2019FY2020FY2021FY2022FY2023 LAM刻蚀设备产品分类(部 应用工艺 技术 产品类别 导体刻蚀 RIE Kiyo®产品系列Versys®产品系列 介质刻蚀 RIE Flex®产品系列（ALE）Vantex®产品系列 TSV刻蚀 DRIE Syndion®产品系列 中国大陆韩国中国台湾日本美国东南亚欧洲分) 数据来源：iFind，LAM年报，平安证券研究所 TEL是全球半导体设备巨头中成立时间较早的公司，在涂胶显影、薄膜沉积、刻蚀、清洗、检测等方面具备强大的竞争力，刻蚀设备是其重要的产品线之一，拥有EpisodeTMUL、TactrasTM、CertasLEAGTM等产品系列，在介质及导体刻蚀工艺中得到广泛应用（主要是介质），2021年全球市占率为26.6%，仅次于LAM位居全球第二。 从业绩看，2018-2023财年公司业绩稳定增长，2024财年有所下降，毛利率近三年维持在45%左右，净利润率则维持在约20%-22%范围内。 TEL历年收入利润（亿日元）TEL历年毛利率情况（%） 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 0 收入利润 FY2018FY2019FY2020FY2021FY2022FY2023FY2024 80% 60% 40% 20% 0% FY2018FY2019FY2020FY2021FY2022FY2023FY2024 TEL全球收入分布情况（%）@FY2023 中国大陆中国台湾韩国北美日本欧洲东南亚及其他 TEL刻蚀设备产品线 EpisodeTMUL TactrasTM CertasLEAGTM Wafer尺寸（mm） 300 300 300 搭载腔数 1-12 1-6 1-6 应用范围 介质、导体、反应离子刻蚀 介质、导体、反应离子刻蚀 介质、化学干刻 图示 数据来源：iFind，TEL年报，TEL官网，平安证券研究所 AMAT是全球最具代表性的半导体设备平台公司，产品近乎涵盖除光刻机外的所有半导体设备，刻蚀是其重要的产品线。2021年，AMAT刻 蚀