半導體設備不僅有光刻機，這把“手術刀”也頗為重要

最近兩年，半導體的世界里，繞不開的話題之一就是西方國家對我國的出口限制加碼。從美國對高端3D NAND芯片、DRAM內存芯片的管控，到荷蘭宣布將對包括先進的深紫外光刻機（EUV）在內的特定半導體制造設備實施新的出口管制、日本新增23種設備出口管制，讓國內玩家的未來充滿荊棘。

而在出口管制的半導體設備中，除了最重要的、金字塔尖的光刻機，刻蝕設備也受投資者廣泛關注。刻蝕，聽起來高大上，其實就是雕刻芯片的精準手術刀，利用化學或者物理的方法將晶圓表面附著的不必要的材質進行去除的過程。

這把半導體領域的手術刀，是否值得投資呢？

刻蝕工藝方法多樣，多種技術路線并行

（1）刻蝕設備是半導體器件加工的上游核心環節之一，上游零組件逐步國產化，下游 晶圓擴產逐步帶動國產設備技術進步與占有率提升。1）刻蝕機產業鏈的上游為各類零件及 系統的生產供應商，主要分為預真空室、刻蝕腔體、供氣系統、真空系統四大部分，各個環 節均涉及一定的核心零部件。目前國內已有多家廠商涉足相關核心零件的生產，未來有望實 現全方位的國產替代。2）產業鏈下游則為半導體器件生產廠商，根據其經營模式可分為 Fabless 模式下的晶圓制造商，及垂直整合模式下的制造商。前者受芯片設計廠商的委托， 提供晶圓制造服務，如臺積電、中芯國際等。后者則獨立完成集成電路設計、晶圓制造、封 測等全部環節，只有如英特爾、三星等少數大型企業采取此模式。

（2）當前，干法刻蝕占據市場規模的 90%左右，在圖形轉移中占據主導地位，濕法刻 蝕獨具成本優勢，二者各有用途、長期并存?？涛g技術可分為干法等離子刻蝕與濕法化學浴 刻蝕兩大類。1）干法刻蝕通常是通過等離子體或高能離子束對晶圓表面進行轟擊，包括化 學性的等離子刻蝕、物理性的濺射刻蝕、以及物理化學性的反應離子刻蝕。干法刻蝕能實現 各向異性刻蝕，保證細小圖形轉移后的高保真性，因此一個完整的干法處理流程通常是器件 設計者的首要選擇。2）濕法刻蝕則通過化學試劑與晶圓的接觸進行腐蝕，在集成電路的加 工中對小于 3μm 的尺寸難以精確控制刻蝕的形貌，會對設定的線寬造成影響，但濕法刻蝕 在成本、速度等方面更具優勢，常用于特殊材料層的去除和殘留物的清洗。濕法刻蝕還可以 用于制造光學器件和 MEMS（微機電系統）等領域。

（3）根據被刻蝕的材料不同，刻蝕工藝又可分為介質刻蝕、硅刻蝕和金屬刻蝕。在晶 圓加工的流程中，不同的材料被應用于不同部位。對一片晶圓的加工同時涉及到針對多種材 料的刻蝕工藝。對刻蝕設備的選擇需要對材料及加工目的進行綜合考慮。

在當前的應用中，電容性等離子刻蝕 CCP 與電感性等離子刻蝕 ICP 是最常見的刻蝕技 術，在不同材料領域都有所覆蓋。

CCP：能量高、精度低，常用于介質材料刻蝕，諸如邏輯芯片的柵側墻、硬掩 膜刻蝕、中段的接觸孔刻蝕、后端的鑲嵌式和鋁墊刻蝕等，以及 3D 閃存芯片 工藝（氮化硅/氧化硅）的深槽、深孔和連線接觸孔的刻蝕等。

ICP：能量低、精度高，主要用于硅刻蝕和金屬刻蝕，如硅淺槽隔離（STI）、鍺 （Ge）、多晶硅柵結構、金屬柵結構、應變硅（Strained-Si）、金屬導線、金屬 焊墊（Pad）、鑲嵌式刻蝕金屬硬掩模和多重成像技術中的多道刻蝕工藝。

（4）在等離子刻蝕的基礎上，業內新熱點原子層刻蝕（Atomic Layer Etching，ALE） 在先進制程中應用場景廣闊，有望成為未來趨勢。ALE 是一種新的刻蝕工藝技術，能夠將刻 蝕精確到一個原子層（0.4nm），要求刻蝕過程均勻地、逐個原子層地進行，并停止在適當的 時間或位置。其優點在于刻蝕選擇性極高，且可以將對晶圓表面的損傷控制到最小。ALE 可 能的應用范圍非常廣泛，包括要求對硅表面零損壞的界面氧化物刻蝕及鰭狀柵（FinFET）相 關刻蝕，要求去除極少量材料的鰭結構和淺槽隔離（STI）結構的修正，要求零殘留物的側 墻式多次成像工藝中的刻蝕等。以 FinFET 為例，隨著行業從 10nm 向 7nmFinFET 發展， 鰭片之間的溝槽或間隙將縮小到 10 至 15 ?；?5 個原子寬。較現有技術而言，ALE 可以更 有選擇性地去除部分原子，而不損傷周圍結構。然而，目前的 ALE 設備距離理想應用仍有 一定距離，并不能完全實現零損壞。此外，其多轉換步驟的循環方式造成刻蝕速率極低，這 在生產應用上也是一大弱點。更精確的調控能力、更低的等離子體流能量、更少的循環步驟 等都是 ALE 當前的發展方向。


當下有什么值得關注的點？???

首先是邏輯芯片不斷突破，先進工藝刻蝕次數也不斷提升,對刻蝕設備的數量和質量提出了更高的要求。

更小的制程是集成電路研發生產的不懈追求，工藝越先進，晶體管柵極寬度納米數越小，芯片的性能也將隨之提升。當前國際上高端量產芯片從7nm向5nm、3nm甚至更小的尺寸發展，其核心工藝必須借助刻蝕機的多次刻蝕來實現。據國際半導體產業協會測算，一片7nm集成電路所經歷刻蝕工藝140次，較28nm生產所需的40次增加2.5倍。此外，更多的步驟、更小的尺寸以及不同的材料對刻蝕機的數量、精度、重復性等都提出更高的要求。

對于中國大陸邏輯電路制造而言，先進制程的主流工藝是FinFET工藝，受制于部分設備能力，國內先進制程的發展目前還需要依賴多重曝光實現更小的尺寸，使得刻蝕技術及相關設備的需求數量和重要性進一步提升。除此之外基于金屬硬掩模的雙大馬士革等工藝也提高了刻蝕的難度，相應的刻蝕機制造的難度也隨之增加。

同時，3DNAND存儲芯片堆疊層數不斷增長，涉及的刻蝕步驟繁多，對設備的性能及數量都提出需求。

基于NAND閃存芯片的產品能夠快速處理數據，是當今存儲卡、USB、固態硬盤等數字數據存儲方式背后的核心元件。當下主流的3DNAND存儲是在垂直層面上增加存儲單元，從而倍數擴張晶圓上的單元數量，增大存儲容量。

3DNAND的構建極大程度上依賴沉積和刻蝕工藝，無論是已經投入量產的64層和128層，還是正在研發中的超300層3DNAND，都是增加了堆疊的層數，這對刻蝕設備的深寬比提出了要求。

此外在現有技術下，堆疊層數越高，重復工藝次數越多，溝道孔洞等非重復性節點單次操作耗時更長，導致部分加工節點對刻蝕設備的需求可隨堆疊層數的增加而同比例增長。3DNAND的技術發展將為刻蝕設備的需求帶來新的增長動力。

在新的自主可控背景下，國產設備在內資晶圓廠的滲透率正在快速提升，目前替代空間巨大。

刻蝕設備市場格局高度集中，海外三大廠商寡頭壟斷，占據總市場份額的90%。根據華經情報研究院，2022年刻蝕龍頭LamResearch（LRCX、泛林半導體）市場份額占比46.7%。就我國本土市場而言，據智研咨詢統計，現階段中國刻蝕設備國產化率約在20%左右。海外廠商普遍成立時間較早，在技術經驗、客戶資源、生態體系等方面均有較深積累，國產廠商均在2000年后成立，且主要客戶均為國內晶圓廠，經驗資源仍然欠缺。

不過根據中國海關進口數據顯示，2017年以來，刻蝕機進口數量在2021年達到巔峰，2022年受到行業周期以及相關出口禁令的影響出現下滑，同時也反映了國產刻蝕設備逐漸滿足我國晶圓廠的生產需求，在出廠數量和技術水平上均有所提升。2023年下半年進口數量未見明顯增加但單機價格呈現翻倍的增長，機構判斷進口設備多集中在一些高技術壁壘高價值量的工藝環節。

并且，已經有不少國產企業在技術、訂單方面有較為明顯的突破。

例如，3DNAND工藝中最困難環節的高深寬比刻蝕領域，中微公司就自主開發了極高深比刻蝕機，該設備用400KHz取代2MHz作為偏壓射頻源，以獲得更高的離子入射能量和準直性，使得深孔及深槽刻蝕關鍵尺寸的大小符合規格。在3DNAND芯片制造環節，公司的等離子體刻蝕設備可應用于64層和128層的量產，同時公司根據存儲器廠商的需求正在開發新一代設備，以滿足極高深寬比的刻蝕設備和工藝。

而應用于CVD薄膜沉積、刻蝕等核心環節的半導體工藝控制核心射頻電源領域，國內廠商英杰電氣、恒運昌、北廣科技與下游設備廠（中微股份、拓荊科技、北方華創等）共同成長，在射頻電源產品供應方面已實現批量訂單突破。

其中英杰電氣應用于半導體設備的射頻電源已實現批量訂單（截至2023年11月29日，已突破9000萬元訂單），正呈現逐漸增量的趨勢。恒運昌2019年底公司與沈陽拓荊科技有限公司正式簽署了戰略合作備忘錄。2022年6月17日，拓荊科技以自有資金人民幣2000萬元向恒運昌增資并參股恒運昌，增資后持有其3.51%的股份。在PECVD射頻電源領域持續突破。北方微電子2020年公司以6397萬人民幣收購北廣科技射頻應用技術相關資產，提高在射頻電源細分領域的核心競爭力。


選擇比努力重要

在集成電路的制造過程中，光刻和刻蝕絕對是屬于重復性最多、應用最廣的兩道工藝，刻蝕設備的價值占整個生產線的比重超過了20%。

如果將刻蝕進行分類，主要可以分為干法刻蝕和濕法刻蝕兩類，隨著集成電路線寬縮小，濕法刻蝕逐漸無法滿足刻蝕工藝要求，目前干法刻蝕占據了超過90%的市場，遠遠把濕法甩在了后面。干法刻蝕機又可以分為CCP刻蝕機（電容性耦合）、ICP刻蝕機（電感性耦合）兩條路線。

從近幾年的刻蝕設備市場看，2021年的刻蝕設備的市場規模接近200億美元，相較于前一年增長了46%。主要原因是作為周期性行業，在經歷了2019年產業的整體萎縮后，隨著下游消費電子的需求逐漸回暖，產業開始出現回彈，所以呈現出較高增長。預計未來三年，刻蝕設備的增速將略高于設備整體的增速規模。

有句廣告詞：哪里不會點哪里。對于刻蝕機這種高投入、高技術門檻的行業，當然更應該哪里是技術發展的前沿，就應該追尋哪里，畢竟開弓沒有回頭箭。當前，由于先進工藝芯片加工使用的光刻機受到波長限制，需要結合刻蝕和薄膜設備，這里會使用到多重模板工藝，就意味著：

要進一步提升刻蝕及相關設備的技術水平；

刻蝕步驟數量將大幅增加，意味著刻蝕設備的市場需求數量持續增長。

ICP刻蝕機（電感性耦合）作為低能離子刻蝕技術，對刻蝕結構表面損傷更小，這兩年的市場份額也提升得很快，市場占比已經超過了60%，這或許是一個結構性的機會。


差距縮小，但不可松懈

從目前的市場競爭格局來看，不同細分市場有不同的領軍者。在導體刻蝕市場市場，Lam（泛林半導體）一家獨大，長期全球市占率超過 50%。在介質刻蝕市場，TEL的市場份額同樣超過了全部市場的一半。

以泛林半導體為例，除了現有的刻蝕工藝，其也在積極布局前沿的全新選擇性刻蝕設備，應該很快將用于3D DRAM等先進存儲器應用程序的開發，助力整個產業向著“更快更強”進發。

國內的領頭羊中微公司經歷了近20年的發展，國內28nm以上制程基本可以全覆蓋，宣布掌握了5nm的刻蝕機技術，已完成超100多個ICP的工藝驗證，目前也處于放量期。

而從上游零部件來看，刻蝕設備零件品類多，除了金屬加工零件外，其他部件都較為依賴進口。雖然說刻蝕機本身能實現大制程的國產替代，但是一方面，上游的零部件仍可能成為被“卡脖子”的對象，這也需要上游零部件玩家的共同努力，另一方面，用于存儲元件立體堆疊的刻蝕設備等仍成為發達國家進行出口管制的重點對象。