1、 东方财智 兴盛之源 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 电子元器件电子元器件 行业行业报告报告 分析师分析师 刘慧影 电话： 邮箱：liuhy_ 执业证书编号：S02 分析师分析师 刘奕司 电话： 邮箱： 执业证书编号：S01 研究助理研究助理 吴天元 电话： 邮箱： 研究助理研究

2、助理 吴 昊 电话： 邮箱：wuhao_ 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%。 201

3、8年半导体设备的全球市场规模约年半导体设备的全球市场规模约 645亿美元亿美元， 全行业全行业处处于寡头垄断格局于寡头垄断格局。 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？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，上游设备在制造业中，产业链步骤越多，上游设备材料材料商商的话语权越强。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

4、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。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，设备定制化设备定制化 也也带来极高带来极高的的客户粘性和转换成本。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？为何光刻设备几乎是完全垄断，而刻蚀设备是寡头垄断？ 在高端光刻在高端光刻领域，领域，浸浸没没式光刻是干法光刻的替代技术式

5、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 刻蚀并不是刻蚀并不是 CCP 刻蚀的替代技术刻蚀的替代技术，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？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。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

6、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。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。 半导体产业链半导体产业链向向中国转移和存储器国产化是中国转移和存储器国产化是我国企业的我国企业的重大机遇重大机遇。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

7、某一领域做大做强，再并购整合其他业务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，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：投资策略：建议关注国产刻蚀机龙头企业中微公司中微公司。 风险提示：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 东兴证券深度报告东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代

8、前列 东方财智 兴盛之源 DONGXING SECURITIES 目目 录录 1. 半导体设备推动芯片制造业的发展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

9、 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

10、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. 风险提示风险提示.22 相关报告汇总相关报告汇总 .23 插图目录插图目录 图图 1： 晶圆加工过程示意图晶圆加工过程示意图. 5 图图 2： 典型晶圆加工厂的厂房区域布局典型晶圆加工厂的厂房区域布局 . 6 图图 3： 全球半导体设备销售额和集全球半导体设备销售额和集成电路销售额（单位：亿美元）成电路销售额（

11、单位：亿美元） . 7 图图 4： 2017年半导体设备和晶圆厂设备市场份额年半导体设备和晶圆厂设备市场份额. 7 图图 5： 2018年光刻机市场份额年光刻机市场份额. 8 图图 6： 2018年刻蚀机市场份额年刻蚀机市场份额. 8 图图 7： 2018年年 CVD市场份额市场份额 . 8 图图 8： 2018年年 PVD市场份额市场份额 . 8 图图 9： 2017年年 CMP市场份额市场份额. 8 rQrOoOtPmRtNpNoPsNyRnO9P9R8OpNnNtRrRkPrRoNkPnPuMaQpPxPNZrNsMvPmMzQ 东兴证券深度报告东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国

12、产替代前列 P3 东方财智 兴盛之源 DONGXING SECURITIES 图图 10： 离子注入机全球市场份额离子注入机全球市场份额 . 8 图图 11： 前道晶圆检测设备市场份额前道晶圆检测设备市场份额. 9 图图 12： 2017年后道检测设备市场份额年后道检测设备市场份额 . 9 图图 13： 典型的典型的 CMOS 剖面示意图和部分刻蚀工艺的作用剖面示意图和部分刻蚀工艺的作用 .13 图图 14： 1988-2002年全球刻蚀设备销售额（单位：百万美元）年全球刻蚀设备销售额（单位：百万美元） .14 图图 15： 1988-2002年全球刻蚀设备份额变化年全球刻蚀设备份额变化 .1

13、4 图图 16： 2007-2018年全球刻蚀设备份额变化年全球刻蚀设备份额变化 .14 图图 17： 2001-2017年各类设备在晶圆厂中的价值占比年各类设备在晶圆厂中的价值占比 .15 图图 18： 全球刻蚀市场规模（亿美元）全球刻蚀市场规模（亿美元） .15 图图 19： 利用刻蚀提升制造精度的方法示意图利用刻蚀提升制造精度的方法示意图 .16 图图 20： 不同制程中刻蚀工艺的步骤数示意图不同制程中刻蚀工艺的步骤数示意图 .16 图图 21： 2D NAND 和和 3D NAND 设备价值占比设备价值占比.17 图图 22： 2D NAND 和和 3D NAND 示意图示意图 .17

14、 图图 23： Lam Research 历年下游客户占比历年下游客户占比 .17 图图 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）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）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 图图 26： 长江存储刻蚀机中标总数量占比（截止长江存储刻蚀机中标总数量占比（截止 2020年年 2月底）月底） .21 图图 27： 长江存储介质刻蚀设备中标数量占比（长江存储介质刻蚀设备中标数量占比（2020年年 2月底）月底） .21 图图

15、28： 长江存储硅刻蚀设备中标数量占比（长江存储硅刻蚀设备中标数量占比（2020 年年 2月底）月底） .21 表格目录表格目录 表表 1： 单个芯片集成元件数量的演进单个芯片集成元件数量的演进 . 4 表表 2： 2018年前六大半导体设备公司主要产品分布年前六大半导体设备公司主要产品分布. 9 表表 3： 全球前六全球前六大半导体设备厂商历年市场份额大半导体设备厂商历年市场份额 . 9 表表 4： 历代主流光刻机的主要特点历代主流光刻机的主要特点.12 表表 5： 2019年前道光刻机全球出货量年前道光刻机全球出货量.12 表表 6： 两种主要等离子干法刻蚀技术的对照两种主要等离子干法刻蚀

16、技术的对照 .13 表表 7： 部分半导体设备的海外领先企业和国内追赶企业部分半导体设备的海外领先企业和国内追赶企业 .18 表表 8： 2018年底全球晶圆加工产能分布（年底全球晶圆加工产能分布（8寸当量）寸当量） .19 P4 东兴证券深度报告东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列 东方财智 兴盛之源 DONGXING SECURITIES 1. 半导体设备推动芯片制造业的发展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半导体设备推动摩尔定律的实现实现 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。

17、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

18、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。 摩尔定律的背后是摩尔定律的背后是半导体设备的不断精进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。 表表1：单个芯片集成元件数量的演进单个芯片集成元件

19、数量的演进 分类分类 诞生时间诞生时间 元件数量元件数量 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 不同的设备在芯片不同的设备在芯片制造过程制造过程中分工明确中分工明确

20、 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 东方财智 兴盛之源 DONGXING SECURITIES 图图1：晶圆加工过程示意图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，

21、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： 氧化氧化、退火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； 扩散扩散、离子注入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； 薄膜薄膜沉积沉积工艺（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； 刻蚀刻蚀

22、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 东兴证券深度报告东兴证券深度报告 半导体设备：刻蚀机走在国产替代前列 东方财智 兴盛之源 DONGXING SECURITIES 清洗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光刻机是打草稿的画笔