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半导体刻蚀机行业112页深度研究报告

文琳行业研究 | 致力于行业及产业研究 2021/10/14 23:21

(报告出品方/作者:方正证券,陈杭)

1 行业增长:技术周期不国产替代双驱动

全球市场规模:155亿美元空间

2009年全球刻蚀设备市场规模为 24亿美元,2019年全球刻蚀市场规模达到 115亿美元,复合 年增长率近19%。受终端应用市场蓬勃发展 、及半导体制造技术升级驱动 ,根据SEMI预测, 预计到2025年, 全球刻蚀设备市场规模将增长至 155亿美元,CAGR约为5%。

晶圆厂扩产,紧锣密鼓

全球来看,新一轮库存 周期下,头部晶圆厂 (包 括IDM)均在紧锣密鼓推 进产能扩展。大陆地区来看,根据集微咨询数据,目前大陆 地区现有晶圆产能折合 8 吋约 162 万片/月, 而总规划产能为 462 万 片/月,潜在扩产 300 万片/月。从 21 年 预计新增产能64 万片/ 月来看,未来几年晶圆 厂扩产将持续活跃。国际头部厂商扩产主要聚焦12英寸;制程上, 目前28纳米产能较为短缺,中芯国际扩产主要聚焦28纳米以上产能;台积电南京厂也将进一 步扩建2万片12英寸28 纳米及以上产线。

资本支出波动性降低

半导体行业发展遵循螺旋式上升规律 ,放缓或回落后又会重新经历一次更强劲的复苏 。随着半导体行业日趋成熟,终端应用渗透越来越广泛,特别是集成电路和微观器件品类越来越丰富,下游晶圆厂的资本性支出的波动和行业周期性有望陈低 。

技术变革驱动,10年技术周期

全球半导体行业将继续增长。预计未来五年半导体行业市场销售规模将保持增长趋势 ,扩张 至6000亿美元以上。根据Gartner预测,2025年半导体市场规模将达 6500亿美元左右 。全球半导体行业资本开支继续维持高位。根据Gartner,未来五年半导体行业资本开支依旧保持较高水平的稳定状态,在1400亿美元上下。

2 行业版图:介质刻蚀与硅刻蚀平分江山

刻蚀是使用化学或者物理方法有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜层除去 ,从而将图形从光刻胶转移到待刻蚀的薄膜上 ,刻蚀后留下的是晶圆所需要的材质和附着在其上的光刻胶 。

刻蚀工艺:90%以上为干法刻蚀

刻蚀工艺分为干法刻蚀和湿法刻蚀。目前应用主要以干法刻蚀为主,市场占比 90%以上。湿 法刻蚀在小尺寸及复杂结极应用中具有局限性,目前主要用于干法刻蚀后残留物的清洗。

湿法刻蚀可分为化学刻蚀和电解刻蚀。

根据作用原理,干法刻蚀可分为物理刻蚀(离子铣刻蚀)和化学刻蚀(等离子刻蚀)。根据被刻蚀的材料类型,干法刻蚀则可分为金属刻蚀、介质刻蚀不硅刻蚀。

干法刻蚀 VS 湿法刻蚀

湿法刻蚀: 利用化学溶液腐蚀未被抗蚀剂掩蔽的薄膜表面。湿法刻蚀各向异性差,在器件特 征尺寸的不断缩小 、表面形貌越发严苛的背景下 ,其刻蚀精确度很难保证;此外,许多新材 料的应用也缺少合适的刻蚀腐蚀液。目前,湿法刻蚀主要用于清洗 。

干法刻蚀: 利用等离子体激活的化学反应(化学刻蚀)或者是利用 高能离子束轰击(物理刻蚀)来 实现刻蚀,因为在刻蚀中并不使用溶液,所以称之为干法刻蚀。

刻蚀工艺对比:湿法刻蚀 VS 物理刻蚀 VS 化学刻蚀

目前应用中,湿法刻蚀和物理刻蚀主要用于清洗 。纯化学刻蚀用于光刻胶等介质材料的去除 。器件主要部分的刻蚀主要采用物理化学混合的反应离子刻蚀,其中又以等离子体干法刻蚀为 主导。

等离子体刻蚀机

等离子体刻蚀是一种常见的干法刻蚀,其过程 是:刻蚀气体进入反应腔后,在外加电磁场作 用下通过辉光放电产生由电子和原子结合在一 起形成的等离子体;等离子体轰击晶圆表面并 被吸附;晶圆表面产生化学反应并形成反应产 物和副产物;副产物解吸附后被排出腔室。等离子体刻蚀系统的结极包括:反应腔、产生 等离子体的射频电源、气体流量控制系统、去 除生成物的真空系统。

CCP VS ICP

电容耦合等离子体刻蚀( CCP )的原理是将施加在极板上的射频或直流电源通过电容耦合的方 式在反应腔内形成等离子体。

电感耦合等离子体刻蚀( ICP )的原理是将射频电源的能量经由电感线圀,以磁场耦合的形式 进入反应腔内部,从而产生等离子体并用于刻蚀。

3 产业变革:线宽与3D化变革重塑刻蚀壁垒

晶体管变革:材料与工艺的升级

依靠材料不工艺升级,集成电路关键尺寸从 90nm发展到 14nm及以下等先进制程。前段成熟制程变革过程中,英特尔一直走在关键尺寸变革前列。

布线工艺变革:铜布线的大马士革工艺

铜布线刻蚀中,为避克铜被刻蚀,采用双大马士革工艺 。大马士革过程中,不需要金属刻蚀 确定线宽和间隙,而是采用介质刻蚀。

单大马士革工艺: 把单层金属导线制作由传统的金属蚀刻、电介质沉积改为电介质蚀刻、金 属填充。

双大马士革工艺: 相比单大马士革工艺 ,两者的区别在于互连引线沟槽不互连通孔是否同时 淀积填充铜金属。按照Via和Trench的次序可分为三种,先刻蚀出Trench图案再进行Via曝光、 先进行Via刻蚀以及两者同时进行。

4 竞争格局 :日美厂商头部集中

全球格局:日美厂商头部集中

全球市场行业集中度高,技术壁垒显著。 全球刻蚀机市场长期一直被泛林半导体 、东京电 子、应用材料三大巨头占据,2019年合计市场占比约90%,行业集中度高。细分介质刻蚀 机市场中,东京电子处于领先地位 ,市占率达到52%,国内中微公司市占率也已达到3%。

依靠领先技术不丰富的产品组合 ,泛林成长为行业龙头。 随着集成电路中器件互连层数增 多,刻蚀设备的使用量不断增大 ,泛林半导体由于其刻蚀设备品类齐全 ,从65纳米、45纳 米设备市场起逐步超过应用材料和东京电子,成为行业龙头。

中国格局:国产厂商崛起

国内刻蚀机市场,国产厂商表现亮眼。 泛林半导体依旧在国内刻蚀机市场中保持领先地位 , 2019年市占率52%;而国产厂商中,中微公司已占据20%市场份额 ,排名第二,北方华创 则占据6%市场份额 。细分介质刻蚀市场中,2019年中微公司市占率已拉升到26%。

中微公司介质刻蚀领先 ,北方华创领军硅刻蚀 。 北方华创属于平台型 IC设备商,产品包括 刻蚀机、物理气相沉积设备、化学气相淀积设备、氧化炉、扩散炉、清洗机等,几乎涵盖 除光刻以外所有的 IC制造设备;而中微公司为与业型IC设备厂商,主要聚焦刻蚀设备以及 MOCVD设备。在刻蚀领域,北方华创是国内硅刻蚀设备制造的巨头 ,公司的硅刻蚀机已 空破14纳米,并进入主流芯片代工厂;而中微则为国内介质刻蚀机领域的龙头 。

中外对比:产品线对比

行业三大龙头企业产 品线主要集中在半导 体设备和FPD设备,涵 盖的工艺技术较为全 面。其中泛林半导体 只经营半导体业务, 东京电子和应用材料 还涉及显示器设备。国内领先企业目前具 备的技术种类略少于 行业龙头企业。中微 公司主要聚焦刻蚀产 品和MOCVD设备;北 方华创涵盖的业务相 对更多,除半导体业 务外,还涉及真空光 伏设备不新能源锂电 设备。

5 国产替代:国产厂商崛起

北方华创

北方华创科技集团股份有限公司是目前国 内集成电路高端工艺装备的先进企业 ,主营半导体装备、真空装备 、新能源锂电装备及精密 元器件业务,为半导体、新能源、新材料等领域提供解决方案 。

北方华创自 2001年成立后便开始组建团队研发刻蚀技术 ,并于 2004年第一台设备成功起辉, 2005年第一台8英寸ICP刻蚀机上线,是我国自主研发的第一台干法刻蚀机 。凭借在等离子体 控制、反应腔室设计、刻蚀工艺技术 、软件技术的积累不创新,目前北方华创已形成了对 硅、 介质、化合物半导体、金属等多种材料的刻蚀能力。公司在国产ICP刻蚀技术方面具备领先地位 ,ICP刻蚀设备主要用于硅刻蚀和金属刻蚀 。应用 于集成电路领域较先进的硅刻蚀机已空破 14nm技术,进入主流芯片代工厂 。

中微公司

中微公司成立于 2004年,主要从事半导体设备的研发 、生产和销售,通过向全球集成电路和 LED 芯片制造商提供极具竞争力的高端设备和高质量服务 ,为全球半导体制造商及其相关的 高科技新兴产业公司提供加工设备和工艺技术解决方案 。

公司已形成三个维度扩展未来公司业务的布局规划 ,深耕集成电路关键设备领域、扩展在泛 半导体关键设备领域应用并探索其他新兴领域的机会 。作为最大宗的设备,光刻、刻蚀和薄膜设备及梱测试设备是最关键的 ,中微将从刻蚀设备延 伸到化学薄膜、梱测等其他集成电路关键设备;扩展在泛半导体领域设备的应用 ,如显示、 MEMS、功率器件、太阳能领域的关键设备等。

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