走进“芯”时代系列深度之八十八“刻蚀设备”：制程微缩叠加3D趋势，刻蚀设备市场空间持续拓宽

制程微缩叠加3D趋势，刻蚀设备市场空间持续拓宽华金证券电子团队一走进“芯”时代系列深度之八十八“刻蚀设备” ——半导体设备系列报告之刻蚀设备 分析师：孙远峰S0910522120001分析师：王海维S0910523020005联系人：吴家欢S09101231100072024年9月24日 本报告仅供华金证券客户中的专业投资者参考请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 核心观点 u受益制程微缩&3D趋势，刻蚀设备成为第一大半导体设备。随着线宽的持续减小和3D集成电路的发展，刻蚀设备已跃居集成电路采购额最大的设备类型。SEMI数据显示，全球刻蚀设备市场规模约210.44亿美元，占晶圆制造设备总市场规模的22%。由于刻蚀工艺复杂、技术壁垒高，全球刻蚀设备市场集中度高；华经产业研究院数据显示，2021年全球刻蚀设备CR3超90%。 uCCP受益3D发展趋势，制程微缩推动ICP需求增长。干法刻蚀是目前主流的刻蚀技术，可分为电容性等离子体刻蚀（CCP）和电感性等离子体刻蚀（ICP）两大类。CCP适用刻蚀硬介电材料以及孔/槽结构，其需求主要来自3D NAND等3D结构发展的推动；ICP适用于刻蚀硬度低或较薄的材料以及挖掘浅槽，因此线宽持续减少是ICP需求主要推动力。中微公司和北方华创是国产刻蚀设备龙头，分别在CCP和ICP领域占据领先地位。 u下游扩产趋势明确，器件结构多维度升级刺激需求。根据SEMI数据，中国大陆已连续四年成为全球最大半导体设备市场。Gartner预计，2018-2025年中国大陆新建晶圆厂项目为74座，位居全球第一。下游明确的扩产趋势，叠加半导体全产业链迫切的国产化需求，国产刻蚀设备迎来发展良机。器件结构多维度升级同步刺激需求。1）3D NAND/DRAM：高深宽比结构制造常采用CCP刻蚀设备。2）逻辑：GAA晶体管制造需要准确且高选择性的SiGe各向同性刻蚀；通过刻蚀设备采用多重曝光技术成为我国突破光刻极限关键手段。3）互连：HBM等多芯片堆叠结构以及背面供电架构均需构建TSV；深孔刻蚀是TSV的关键工艺，其中Bosch刻蚀是首选技术，通常选择ICP刻蚀设备。 u建议关注标的：泛林集团、东京电子、应用材料三家全球半导体设备头部企业均实现了刻蚀、薄膜沉积等多产品线的布局，因此我们认为平台化建设走在前列的企业更具竞争优势。北方华创致力于打造半导体设备平台型企业，布局刻蚀/薄膜沉积/清洗/热处理四大应用领域，其中ICP突破12英寸各技术节点，CCP实现逻辑/存储/功率多关键制程覆盖。中微公司是国产刻蚀设备龙头，CCP设备和ICP设备应用覆盖度分别达到94%和95%，同时布局薄膜沉积等其他设备，平台化建设持续推进。 u风险提示：宏观经济和行业波动风险，下游客户资本性支出波动较大及行业周期性特点带来的经营风险，下游客户扩产不及预期的风险，市场竞争加剧风险，研发投入不足导致技术被赶超或替代的风险，研发方向存在偏差的风险等。 目录 受益制程微缩&3D趋势，刻蚀设备成为第一大半导体设备 3D NAND：堆叠层数竞赛开启，高深宽比刻蚀/多堆栈堆叠技术齐发展 DRAM：制程迭代刻蚀难度显著提高，3D DRAM成未来发展趋势 逻辑：高选择SiGe刻蚀实现GAA生产，多重曝光技术突破光刻极限 TSV：TSV助力先进封装，刺激ICP刻蚀设备需求 建议关注标的 风险提示 分目录 受益制程微缩&3D趋势，刻蚀设备成为第一大半导体设备 Ø1.1设备为IC制造第一大资本支出，全球芯片投资Capex预计2024年复苏Ø1.2中国大陆连续四年成为全球最大半导体设备市场Ø1.3制程微缩&3D趋势推升刻蚀设备用量Ø1.4 2018~2025年中国大陆新建晶圆厂项目预计为74座，占比位居全球第一Ø1.5以中芯国际8寸/12寸产线为例，刻蚀设备数量占比约10%Ø1.6全球刻蚀设备市场集中度高，泛林集团占比近半Ø1.7干法刻蚀精度更高，已成为主流技术，占比超90%Ø1.8介质刻蚀和硅刻蚀为主，金属刻蚀占比仅3%Ø1.9原子层刻蚀技术ALE满足极高选择比和精度的要求Ø1.10刻蚀主要工艺参数Ø1.11干法刻蚀常见问题 3D NAND：堆叠层数竞赛开启，高深宽比刻蚀/多堆栈堆叠技术齐发展 DRAM：制程迭代刻蚀难度显著提高，3D DRAM成未来发展趋势 逻辑：高选择SiGe刻蚀实现GAA生产，多重曝光技术突破光刻极限 TSV：TSV助力先进封装，刺激ICP刻蚀设备需求 建议关注标的 风险提示 分目录 受益制程微缩&3D趋势，刻蚀设备成为第一大半导体设备 Ø2.1 3D NAND简介 Ø2.2堆叠层数竞赛开启，2030年后有望突破1000层 Ø2.3 3D NAND芯片结构Ø2.3.1 3D NAND芯片结构——PNC和PUCØ2.3.2 3D NAND芯片结构——晶栈®Xtacking® 3D NAND：堆叠层数竞赛开启，高深宽比刻蚀/多堆栈堆叠技术齐发展 DRAM：制程迭代刻蚀难度显著提高，3D DRAM成未来发展趋势 逻辑：高选择SiGe刻蚀实现GAA生产，多重曝光技术突破光刻极限 Ø2.9多堆栈堆叠 Ø2.9.1多堆栈堆叠有效解决层数增加的需求与高深宽比刻蚀工艺挑战间的矛盾Ø2.9.2长存百层以上NAND采用双堆栈架构，SK海力士300层NAND将采用三堆栈架构 TSV：TSV助力先进封装，刺激ICP刻蚀设备需求 建议关注标的 Ø2.10 TEL低温刻蚀技术实现更高深宽比刻蚀，可应用400层以上NAND生产Ø2.11 1000层NAND：新材料/新器件结构降低刻蚀难度，同时刻蚀降低成本Ø2.12长江存储历代产品信息 风险提示 分目录 受益制程微缩&3D趋势，刻蚀设备成为第一大半导体设备 3D NAND：堆叠层数竞赛开启，高深宽比刻蚀/多堆栈堆叠技术齐发展 Ø3.1 DRAM主要刻蚀工艺Ø3.2 20nm以下DRAM刻蚀难度显著提高Ø3.3电容孔刻蚀是DRAM良率的瓶颈之一，深宽比可超80Ø2.3.1 3D NAND芯片结构——PNC和PUCØ2.3.2 3D NAND芯片结构——晶栈®Xtacking®Ø3.4深接触孔三大常见问题，高功率CCP刻蚀设备用于高深宽比刻蚀Ø3.5 3D DRAM成未来发展趋势，SK海力士五层堆叠3D DRAM良率过半Ø3.6 3D DRAM制作工艺流程 DRAM：制程迭代刻蚀难度显著提高，3D DRAM成未来发展趋势 逻辑：高选择SiGe刻蚀实现GAA生产，多重曝光技术突破光刻极限 TSV：TSV助力先进封装，刺激ICP刻蚀设备需求 建议关注标的 风险提示 分目录 受益制程微缩&3D趋势，刻蚀设备成为第一大半导体设备 3D NAND：堆叠层数竞赛开启，高深宽比刻蚀/多堆栈堆叠技术齐发展 Ø4.1大马士革工艺使铜互连得以大规模应用Ø4.2金属硬掩模一体化刻蚀为后段金属沟槽/通孔刻蚀的主流Ø4.3 BEOL互连技术未来发展趋势Ø4.4 GAA晶体管是3nm以下节点的首选器件结构Ø4.5 GAA晶体管制造需准确且高选择性的SiGe各向同性刻蚀Ø4.6三种常规SiGe选择性刻蚀技术Ø4.7新型SiGe选择性刻蚀技术Ø4.8多重曝光技术Ø4.8.1多重曝光技术成为我国突破光刻极限关键手段Ø4.8.2 SA技术精度更高，所需刻蚀次数更多 DRAM：制程迭代刻蚀难度显著提高，3D DRAM成未来发展趋势 逻辑：高选择SiGe刻蚀实现GAA生产，多重曝光技术突破光刻极限 TSV：TSV助力先进封装，刺激ICP刻蚀设备需求 建议关注标的 风险提示 分目录 受益制程微缩&3D趋势，刻蚀设备成为第一大半导体设备 3D NAND：堆叠层数竞赛开启，高深宽比刻蚀/多堆栈堆叠技术齐发展 DRAM：制程迭代刻蚀难度显著提高，3D DRAM成未来发展趋势 逻辑：高选择SiGe刻蚀实现GAA生产，多重曝光技术突破光刻极限 Ø5.1 TSV助力先进封装，通常选择ICP刻蚀设备制造Ø5.2 TSV应用领域Ø5.3背面供电方面采用TSV结构实现互连 TSV：TSV助力先进封装，刺激ICP刻蚀设备需求 建议关注标的 风险提示 分目录 受益制程微缩&3D趋势，刻蚀设备成为第一大半导体设备 3D NAND：堆叠层数竞赛开启，高深宽比刻蚀/多堆栈堆叠技术齐发展 DRAM：制程迭代刻蚀难度显著提高，3D DRAM成未来发展趋势 逻辑：高选择SiGe刻蚀实现GAA生产，多重曝光技术突破光刻极限 TSV：TSV助力先进封装，刺激ICP刻蚀设备需求 Ø6.1北方华创（002371.SZ）Ø6.2中微公司（688012.SH）Ø6.3泛林集团（LRCX.O）Ø6.4东京电子（8035.T）Ø6.5应用材料（AMAT.O） 建议关注标的 风险提示 分目录 受益制程微缩&3D趋势，刻蚀设备成为第一大半导体设备 Ø1.1设备为IC制造第一大资本支出，全球芯片投资Capex预计2024年复苏Ø1.2中国大陆连续四年成为全球最大半导体设备市场Ø1.3制程微缩&3D趋势推升刻蚀设备用量Ø1.4 2018~2025年中国大陆新建晶圆厂项目预计为74座，占比位居全球第一Ø1.5以中芯国际8寸/12寸产线为例，刻蚀设备数量占比约10%Ø1.6全球刻蚀设备市场集中度高，泛林集团占比近半Ø1.7干法刻蚀精度更高，已成为主流技术，占比超90%Ø1.8介质刻蚀和硅刻蚀为主，金属刻蚀占比仅3%Ø1.9原子层刻蚀技术ALE满足极高选择比和精度的要求Ø1.10刻蚀主要工艺参数Ø1.11干法刻蚀常见问题 3D NAND：堆叠层数竞赛开启，高深宽比刻蚀/多堆栈堆叠技术齐发展 DRAM：制程迭代刻蚀难度显著提高，3D DRAM成未来发展趋势 逻辑：高选择SiGe刻蚀实现GAA生产，多重曝光技术突破光刻极限 TSV：TSV助力先进封装，刺激ICP刻蚀设备需求 建议关注标的 风险提示 1.1设备为IC制造第一大资本支出，全球芯片投资Capex预计2024年复苏 u根据Gartner数据，集成电路制造设备投资一般占集成电路制造领域资本性支出的70%-80%，且随着工艺制程的提升，设备投资占比也将相应提高——当制程达到14/16nm时，设备投资占比可达85%。u芯片制造是集成电路制造过程中最重要、最复杂的环节，对应设备投资占比可达78%-80%。u由于2021年和2022年全球集成电路投资过热以及2023年全球经济不景气，2023年全球芯片投资Capex预计下降至1635亿美元，2024年有望开始复苏。 1.2中国大陆连续四年成为全球最大半导体设备市场 u根据SEMI数据，2024H1全球半导体设备销售额为532亿美元；其中，中国大陆半导体设备销售额为247亿美元，占比达46.43%，创历史新高，连续五年成为全球最大半导体设备市场。 u相比后道环节，前道晶圆制造技术难度更高，涉及工艺更繁杂，涵盖光刻、刻蚀、薄膜沉积、清洗、离子注入、化学机械平坦等工艺，因此所需设备价值量更高、种类更多。SEMI数据显示，2023年晶圆制造设备市场规模约占半导体设备总市场规模的90%。 u刻蚀工艺用于去除特定区域的材料来形成微小的结构和图案。随着集成电路线宽的持续减小和3D集成电路的发展，刻蚀设备已跃居集成电路采购额最大的设备类型。2023年刻蚀设备市场规模约210.44亿美元，占晶圆制造设备总市场规模的22%。 资料来源：SEMI，北方华创，华金证券研究所 1.3制程微缩&3D趋势推升刻蚀设备用量 u由于光刻机的波长限制，14nm及以下的逻辑芯片需要双重模板和四重模板工艺；同时存储器从2D至3D的转变需要进行极高深宽比的深层结构刻蚀，进而大幅增加对干法刻蚀设备的需求。 u根据Gartner数据，干法刻蚀设备2013~2023年CAGR高达15.34%，位居半导体芯片前道设备第一。 1.4 2018~2025年中国大陆新建晶圆厂项目预计为74座，占比位