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半导体产业发源于美国，经过半个多世纪的发展，在设备、材料领域美国的强大是毋庸置疑的，应用材料、拉姆研究和泰瑞达等在各自领域拥有很强的竞争力，在技术研发、品牌力、产品力和客户等具有深厚的积累。中国半导体设备企业和材料企业自"01专项"、"02专项"实施以来取得很大的成就，部分设备和材料也逐步实现国产替代，但总体来看实现完全替代不仅需要时间，也不大现实。以中微公司、江丰电子等为代表的中国半导体设备、材料企业，目前主要是在关键设备和材料上不断取得突破，部分设备和材料达到甚至领先世界水平，也实属不易。

当然现阶段中国的半导体设备企业和材料企业与国外巨头差距明显，但着眼未来，也不排除在部分领域实现对国外巨头的追赶甚至超越。中微公司超越拉姆研究，可能还是不可能呢？

拉姆研究的成长历程及业务简介

拉姆研究（也称泛林半导体，LRCX.O）由David K.Lam创立于1980年，最初公司注册地址在加利福尼亚州圣克拉拉，1987年公司总部迁移至加州弗里蒙特，1984年在纳斯达克上市。

1982年Roger Emerick成为拉姆研究的CEO，之后几年公司开始全球化扩张。1985年拉姆研究在欧洲设立第一个办事处，1989年在韩国设立第一家办事处，1992年在中国台湾和新加坡设立办事处，1993年在日本成立研发中心，1994年公司将业务扩展至中国，至此经过10年的布局，到上个世纪90年代中期，拉姆研究将业务扩张至主要的半导体市场。

在产品研发及推广方面，1981年拉姆研究推出了初代自动刻蚀设备AutoEtch480，此时DRAM的容量仅有64Kb，典型的微处理器晶体管数量还仅有十几万个。1987年拉姆研究推出了Rainbow 刻蚀设备；1988年推出第一款PECVD设备；1991年在自己研发的单晶圆旋转清洗技术上推出了SP系列旋转清洗设备；1992年推出首个变压耦合式等离子体刻蚀设备；1993年发布了Altus CVD设备；1995年推出首款双频介质刻蚀设备；1996年推出Speed HDP-CVD设备。在Roger Emerick掌舵下拉姆研究在这十几年里形成了以刻蚀和沉积为主的业务体系，也奠定了拉姆研究的业务根基。

资料来源：拉姆研究官网，阿尔法经济研究

1997年Jim Bagley成为CEO后，在1998年推出了拉姆研究的核心价值观，其中之一是要保持持久的研发和创新。在这种价值观驱动下，公司不断推出新产品，比如1998年推出Saber ECD设备，2000年推出Vector PECVD，2003年推出Da Vinci（达芬奇）旋转清洗设备，2004年推出新一代Kiyo刻蚀设备、Flex刻蚀设备和可用于钨塞和TSV工艺的Altus CVD设备，2005年推出Sola UVTP膜处理设备。Jim Bagley执掌帅印的近十年里，拉姆研究基本形成了延续至今的产品体系。

2005年Steve Newberry成为CEO后，拉姆研究开启了并购的步伐。2006年公司收购了Bullen Semiconductor公司（现在的Silfex公司），2008年收购了SEZ AG公司。在此期间公司仍然推出了多款设备，比如2007年推出了DV Prime湿法清洗/去胶/刻蚀设备和Coronus等离子体清洗设备，2008年推出的Gamma GXT/GXT400干法去胶设备及可用于TSV及晶圆级封装的Saber 3D ECD设备。2012年Martin Anstice接替Newberry成为CEO，同年公司收购了Novellus Systems；2014年公司推出Altus Max ICEFill W-CVD、Vector Strata PECVD等设备，不断优化产品结构。2014年公司推出了首款Kiyo原子层刻蚀设备，在和行业竞争中占得先机。

资料来源：拉姆研究官网，阿尔法经济研究

在对外并购方面，2017年拉姆研究收购了Coventor公司，相比Newberry时代并购步伐明显放缓。2018年Tim Archer接任CEO，在最近的这三年里拉姆研究在2020年推出了Sense i系列等离子体刻蚀设备，总体来看无论新设备的推出还是对外并购，暂时明显放缓，不过从2018财年开始公司营收突破百亿美元，在半导体设备行业中的排名不断提升，财务数据相比之前有了大幅改观，公司股价也是不断走高，对投资者来说是好事。

目前拉姆研究的主要设备为沉积、刻蚀、清洗和大通量计量，2019年刻蚀设备市占率50%，东京电子和应用材料为25%和15%。公司在CVD的市占率为21%，仅次于应用材料的30%；清洗设备市占率12.5%，仅次于日本Screen、东京电子和韩国SEMS，位居全球第四：

资料来源：拉姆研究业务，公司年报，阿尔法经济研究

在ALD领域，2019年市占率前两位的公司是东京电子和ASM国际，合计占到60%，拉姆研究市占率是低于这两家公司的。实际上从刻蚀、CVD和清洗等厂商市占率来看，拉姆研究强在刻蚀和和CVD，ALD、清洗领域竞争压力仍然较大。

资料来源：拉姆研究产品线，公司官网整理，阿尔法经济研究

说说拉姆研究的那些刻蚀技术

在刻蚀设备上拉姆研究的主要技术是ALE及RIE，也就是原子层刻蚀和反应离子刻蚀。

反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching）是一种兼顾化学刻蚀和物理刻蚀两种作用的方法，具有各向异性和选择性好的优点，也是目前应用最广泛的干法刻蚀方法：

资料来源：刻蚀技术对比，海通证券研报，阿尔法经济研究

RIE的基本原理是频率为13.56MHz的射频电源通过阻抗匹配网络与缠绕在反应室外径的电感线圈相连，利用射频电流通过一个电感线圈以形成交流电场，交流电场通过感应耦合产生磁场，得到加速的电子并产生粒子碰撞，形成等离子体。此外射频电源通过阻抗匹配网络与下电极相连，形成下电极射频系统并产生自偏压，可以控制离子的能量：

资料来源：RIE刻蚀技术原理，论文资料，阿尔法经济研究

RIE的优点是可以形成较厚的离子鞘层，适用于需要较高离子能量参与反应的介质刻蚀，但缺点是虽然可以一定程度控制离子能量但却无法很好控制离子浓度。RIE的等离子体浓度为10^8-10^9/cm^-3，要低于CCP和ICP的10^9-10^11/cm^-3和10^10-10^12/cm^-3，刻蚀速率较低。为了提高RIE刻蚀效率，可以采用加大射频功率的方法提高等离子体浓度，但这样的结果是必然会导致等离子体能量升高，从而会对基材表面产生损伤，以及等离子体、中性气体或原子带来的污染。

为了提升等离子体浓度和刻蚀速率，产业界在RIE刻蚀中通过增加与射频电场垂直的直流磁场形成ExB漂移的方式来达此目的，也就是所谓的磁场增强反应离子刻蚀MERIE，但对浓度和离子能量的控制始终无法获得满意的效果，因此后续产业界相继开发出CCP、ICP以及电子回旋共振等离子体刻蚀ECR等技术，以满足刻蚀需求。

RIE刻蚀适用于介质刻蚀，其中比较常见的是氧化硅刻蚀和氮化硅刻蚀，在这类刻蚀中通常所用的刻蚀气体是氟基气体比如CF4、SF6等。以氮化硅刻蚀为例，在该刻蚀过程中主要的化学反应是氮化硅与氟离子发生反应生成可挥发的四氟化硅，实现对氮化硅的刻蚀：

资料来源：常用刻蚀气体及氮化硅刻蚀反应机理，论文资料整理，阿尔法经济研究

目前在半导体制造工艺中，原子层刻蚀ALE是最先进的干法刻蚀方法，其基本原理是通过一系列自限反应去除微小的原子层，去除过程中不会对基材表面带来损伤，是一种能精密控制的刻蚀方法。ALE目前有两种方法，第一种是通入前驱气体对基材表面进行改性，然后利用高能离子对改性后的基材表面进行离子轰击，发生化学反应并产生挥发性的产物。第二种的处理方法与第一种类似，在基材表面改性后再通过复杂的化学试剂寻找配位体吸附或形成新的基团，最后通过热吹扫方式去除：

资料来源：ALE刻蚀原理，公开资料整理，阿尔法经济研究

在ALE中所涉及到的基材及前驱体如下：

资料来源：ALE刻蚀中涉及的基材及前驱体，公开资料整理，阿尔法经济研究

中微公司的CCP与ICP刻蚀

在ALE产业化之前，为了改善RIE在离子浓度和离子能量等的不足，产业界相继开发出了多种刻蚀技术，除了在RIE基础上发展而来的MERIE，还相继发展出了CCP、ICP、ECR等刻蚀技术，目前以中微公司为代表的厂商在CCP和ICP上实现了产业化，但诸如ECR、SWP等刻蚀技术因结构复杂等原因，并未得到大规模应用。实际上目前大规模产业化的等离子体刻蚀技术主要有RIE/MERIE、CCP、ICP以及当下最先进的ALE：

资料来源：主要刻蚀技术及技术指标，公开资料整理，阿尔法经济研究

中微公司目前商业化的刻蚀技术主要为CCP和ICP，其中无论是早期的Primo D-RIE还是最近几年推出的Primo SSC AD-RIE等设备，主要采用的是CCP电容耦合等离子体刻蚀技术，目前仅有Primo nanova这款设备采用了ICP电感耦合等离子体刻蚀技术，主要用于1X节点及以下逻辑与存储器件的等离子体刻蚀：

资料来源：CCP和ICP刻蚀原理，中微公司招股书，阿尔法经济研究

电容耦合等离子体刻蚀CCP是将射频电源连接在反应腔上、下电极中的一个或两个上，形成原理与RIE有点类似。CCP刻蚀技术一般采用两个或三个不同频率的射频源，射频源频率800KHz-162MHz，常用的频率有2/4/13/27/40/60MHz，其中频率在27MHz以上的称为高频射频源，频率2MHz或4MHz的称为低频射频源。在反应腔气压上，为了满足高深宽比结构的刻蚀要求，目前CCP刻蚀反应腔气压可低至10mTorr，以增加离子的自由程，降低因碰撞所造成的能量损失。CCP的等离子体浓度正常可达到10^9-10^10/cm^-3，在使用高频和大功率条件下也可以达到10^11/cm^-3。

CCP刻蚀的一个特点是上下电极间距可调，可以通过调整该间距改变等离子体及气体的空间分布，优化刻蚀效果。CCP刻蚀加入这一可调机制的原因在于，目前越来越多的刻蚀工艺要求将介质刻蚀和去除光刻胶集成在同一个刻蚀设备中一步完成，由于这两种工艺所使用的气体、压力和射频功率有很大不同，因此必须通过调节电极间距来获得最佳均匀度：

资料来源：CCP刻蚀设备原理图，公开资料整理，阿尔法经济研究

目前CCP刻蚀成为各类等离子体刻蚀设备中应用最广泛的两类设备之一，在介质刻蚀中诸如逻辑芯片工艺前端栅侧墙和硬掩模刻蚀、中段接触孔刻蚀以及后端铝垫刻蚀，3D NAND中的深槽、深孔和连线接触孔刻蚀等有广泛应用。

不过CCP刻蚀也有一些缺点，比如因离子能量较高，在刻蚀过程中产生大量热量，在反应腔冷却及温控技术上需要不断改进；第二是对高深宽比结构的刻蚀仍然面临挑战，同时在刻蚀中仍然存在基材表面损伤等现象。

电感耦合等离子体刻蚀ICP是将射频电源能量经由电感线圈，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，其原理属于广义上的RIE刻蚀。

ICP刻蚀的等离子体源设计主要有两种，第一种是拉姆研究开发生产的变压器耦合型等离子体即TCP技术（Transformer Coupled Plasma），另一种是应用材料开发的去耦合型等离子体源即DPS技术（Decoupled Plasma Source）。TCP技术是电感线圈置于反应腔上方介质窗平面上，13.56MHz的射频信号在线圈中产生一个垂直于介质窗并以线圈轴为中心径向发散的交变磁场，磁场通过介质窗进入反应腔，交变磁场在反应腔中产生平行于介质窗的交变电场，从而实现对刻蚀气体的解离并产生等离子体。

DPS是电感线圈立体绕在半球形的介质窗上，产生等离子体的原理与TCP类似，但是气体解离效率较高，有利于获得较高的等离子体浓度。DPS的等离子体浓度基本上由接电感线圈的电源功率决定，基材表面离子鞘中的离子能量基本由偏压电源功率决定，因此离子浓度和离子能量能够独立控制，从而实现去耦合：

资料来源：ICP刻蚀中TCP和DPS技术原理，公开资料整理，阿尔法经济研究

ICP刻蚀仍然面临一些难题，比如线圈上存在的局部高电压会产生电容性耦合，虽然这一问题可以通过有隔离电容性耦合效果的法拉第屏蔽技术来解决，但会牺牲一部分等离子体浓度和均匀性。此外ICP刻蚀原理上偏向化学反应，反应腔表面温度、沉积物种类和厚度等对等离子体中粒子成分有很大影响，因此如何保持稳定的反应腔表面状态也是技术上的难点。

ICP刻蚀适用于高深宽比结构的刻蚀，比如TSV硅通孔刻蚀，在浅沟槽隔离STI、多晶硅栅结构和金属栅结构等也有广泛应用。

三分之一营收来自中国，中美刻蚀企业的正面对决

拉姆研究的刻蚀技术以RIE和ALE为主，尤其是ALE刻蚀在行业中具有领先地位；中微公司拥有CCP刻蚀和ICP刻蚀，但主要以CCP为主，主要用于介质刻蚀。从长江存储的招投标情况来看，2019年国产设备在刻蚀、PVD等领域实现较大突破，其中中微公司的刻蚀设备在2019年长江存储的中标比例提升至14.77%，国产设备整体中标比例从2019年之前的5.85%提升至6.70%：

资料来源：国产设备替代情况，方正证券研报，阿尔法经济研究

不过作为刻蚀龙头企业，拉姆研究的设备仍然是半导体制造企业的首选，比如2019年3月至2020年2月中芯国际斥资6.01亿美元向拉姆研究购买了刻蚀、CVD和清洗等设备。得益于中国半导体市场的旺盛需求，2018-2020财年拉姆研究中来自中国市场的营收占比从16%提升至31%，2021财年第一季度更是提高到37%：

资料来源：拉姆研究及中微公司财报，阿尔法经济研究

中微公司的营收规模相比拉姆研究差距甚远，2019年公司营收仅为19.47亿元，拉姆研究超过100亿美元，中微公司的营业利润与净利润在规模上同样差距甚远：

资料来源：拉姆研究及中微公司财报，阿尔法经济研究

在研发投入上，虽然研发费用金额中微公司不占优，但研发投入力度上中微公司与拉姆研究相当。2016-2019财年拉姆研究研发费用率稳定在10%以上；受营收规模增加，中微公司研发费用率从49.5%下降至21.8%，2020年前三季度更是下降至14.8%，此举也有利于改善公司的净利润。截止2019年底公司已申请专利1467项，其中发明专利1297项；已获授权专利1015项，其中发明专利859项。

资料来源：拉姆研究、东京电子和中微公司研发投入，各公司财报整理，阿尔法经济研究

在刻蚀领域中微公司是有望追赶甚至超越拉姆研究的。首先是技术路线来看，作为刻蚀领域的龙头企业，拉姆研究基本上见证了刻蚀技术的演变，目前公司以RIE和ALE为主。中微公司作为后发企业，成立之初便将精力投入到CCP，主要也有CCP刻蚀结构相对简单、而且对等离子体浓度等控制较好的考虑，可以说起点较高。从工艺的先进性来看，中微公司的CCP刻蚀已经在5nm逻辑IC及64层3D NAND上取得进展，128层和更先进关键刻蚀应用的刻蚀设备正在开发。ICP刻蚀是中微公司另一类重要设备，目前已在多个逻辑IC和存储厂商实现了量产，未来开发的下一代产品将满足7nm以下逻辑、1X的DRAM和128层以上3D NAND的刻蚀需求。不过值得注意的是国内长江存储已经实现了128层NAND的量产，未来将向192层甚至更高层发展，中微公司能否跟得上长江存储的研发步伐，也值得观察。

未来笔者认为中微公司在不断优化现有的CCP、ICP刻蚀和MOCVD沉积设备外，不排除将向ALE领域进军。在摩尔定律放缓情况下，ALE将会是未来刻蚀技术的最主要路线，而公司仍有机会在ALE技术上实现突破，在刻蚀设备上比肩拉姆研究。

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