最近两年，半导体的世界里，绕不开的话题之一就是西方国家对我国的出口限制加码。从美国对高端3D NAND芯片、DRAM内存芯片的管控，到荷兰宣布将对包括先进的深紫外光刻机（EUV）在内的特定半导体制造设备实施新的出口管制、日本新增23种设备出口管制，让国内玩家的未来充满荆棘。

而在出口管制的半导体设备中，除了最重要的、金字塔尖的光刻机，刻蚀设备也受投资者广泛关注。刻蚀，听起来高大上，其实就是雕刻芯片的精准手术刀，利用化学或者物理的方法将晶圆表面附着的不必要的材质进行去除的过程。

这把半导体领域的手术刀，是否值得投资呢？

刻蚀工艺方法多样，多种技术路线并行

（1）刻蚀设备是半导体器件加工的上游核心环节之一，上游零组件逐步国产化，下游 晶圆扩产逐步带动国产设备技术进步与占有率提升。1）刻蚀机产业链的上游为各类零件及 系统的生产供应商，主要分为预真空室、刻蚀腔体、供气系统、真空系统四大部分，各个环 节均涉及一定的核心零部件。目前国内已有多家厂商涉足相关核心零件的生产，未来有望实 现全方位的国产替代。2）产业链下游则为半导体器件生产厂商，根据其经营模式可分为 Fabless 模式下的晶圆制造商，及垂直整合模式下的制造商。前者受芯片设计厂商的委托， 提供晶圆制造服务，如台积电、中芯国际等。后者则独立完成集成电路设计、晶圆制造、封 测等全部环节，只有如英特尔、三星等少数大型企业采取此模式。

（2）当前，干法刻蚀占据市场规模的 90%左右，在图形转移中占据主导地位，湿法刻 蚀独具成本优势，二者各有用途、长期并存。刻蚀技术可分为干法等离子刻蚀与湿法化学浴 刻蚀两大类。1）干法刻蚀通常是通过等离子体或高能离子束对晶圆表面进行轰击，包括化 学性的等离子刻蚀、物理性的溅射刻蚀、以及物理化学性的反应离子刻蚀。干法刻蚀能实现 各向异性刻蚀，保证细小图形转移后的高保真性，因此一个完整的干法处理流程通常是器件 设计者的首要选择。2）湿法刻蚀则通过化学试剂与晶圆的接触进行腐蚀，在集成电路的加 工中对小于 3μm 的尺寸难以精确控制刻蚀的形貌，会对设定的线宽造成影响，但湿法刻蚀 在成本、速度等方面更具优势，常用于特殊材料层的去除和残留物的清洗。湿法刻蚀还可以 用于制造光学器件和 MEMS（微机电系统）等领域。

（3）根据被刻蚀的材料不同，刻蚀工艺又可分为介质刻蚀、硅刻蚀和金属刻蚀。在晶 圆加工的流程中，不同的材料被应用于不同部位。对一片晶圆的加工同时涉及到针对多种材 料的刻蚀工艺。对刻蚀设备的选择需要对材料及加工目的进行综合考虑。

在当前的应用中，电容性等离子刻蚀 CCP 与电感性等离子刻蚀 ICP 是最常见的刻蚀技 术，在不同材料领域都有所覆盖。

CCP：能量高、精度低，常用于介质材料刻蚀，诸如逻辑芯片的栅侧墙、硬掩 膜刻蚀、中段的接触孔刻蚀、后端的镶嵌式和铝垫刻蚀等，以及 3D 闪存芯片 工艺（氮化硅/氧化硅）的深槽、深孔和连线接触孔的刻蚀等。

ICP：能量低、精度高，主要用于硅刻蚀和金属刻蚀，如硅浅槽隔离（STI）、锗 （Ge）、多晶硅栅结构、金属栅结构、应变硅（Strained-Si）、金属导线、金属 焊垫（Pad）、镶嵌式刻蚀金属硬掩模和多重成像技术中的多道刻蚀工艺。

（4）在等离子刻蚀的基础上，业内新热点原子层刻蚀（Atomic Layer Etching，ALE） 在先进制程中应用场景广阔，有望成为未来趋势。ALE 是一种新的刻蚀工艺技术，能够将刻 蚀精确到一个原子层（0.4nm），要求刻蚀过程均匀地、逐个原子层地进行，并停止在适当的 时间或位置。其优点在于刻蚀选择性极高，且可以将对晶圆表面的损伤控制到最小。ALE 可 能的应用范围非常广泛，包括要求对硅表面零损坏的界面氧化物刻蚀及鳍状栅（FinFET）相 关刻蚀，要求去除极少量材料的鳍结构和浅槽隔离（STI）结构的修正，要求零残留物的侧 墙式多次成像工艺中的刻蚀等。以 FinFET 为例，随着行业从 10nm 向 7nmFinFET 发展， 鳍片之间的沟槽或间隙将缩小到 10 至 15 埃或 5 个原子宽。较现有技术而言，ALE 可以更 有选择性地去除部分原子，而不损伤周围结构。然而，目前的 ALE 设备距离理想应用仍有 一定距离，并不能完全实现零损坏。此外，其多转换步骤的循环方式造成刻蚀速率极低，这 在生产应用上也是一大弱点。更精确的调控能力、更低的等离子体流能量、更少的循环步骤 等都是 ALE 当前的发展方向。


当下有什么值得关注的点？

首先是逻辑芯片不断突破，先进工艺刻蚀次数也不断提升,对刻蚀设备的数量和质量提出了更高的要求。

更小的制程是集成电路研发生产的不懈追求，工艺越先进，晶体管栅极宽度纳米数越小，芯片的性能也将随之提升。当前国际上高端量产芯片从7nm向5nm、3nm甚至更小的尺寸发展，其核心工艺必须借助刻蚀机的多次刻蚀来实现。据国际半导体产业协会测算，一片7nm集成电路所经历刻蚀工艺140次，较28nm生产所需的40次增加2.5倍。此外，更多的步骤、更小的尺寸以及不同的材料对刻蚀机的数量、精度、重复性等都提出更高的要求。

对于中国大陆逻辑电路制造而言，先进制程的主流工艺是FinFET工艺，受制于部分设备能力，国内先进制程的发展目前还需要依赖多重曝光实现更小的尺寸，使得刻蚀技术及相关设备的需求数量和重要性进一步提升。除此之外基于金属硬掩模的双大马士革等工艺也提高了刻蚀的难度，相应的刻蚀机制造的难度也随之增加。

同时，3DNAND存储芯片堆叠层数不断增长，涉及的刻蚀步骤繁多，对设备的性能及数量都提出需求。

基于NAND闪存芯片的产品能够快速处理数据，是当今存储卡、USB、固态硬盘等数字数据存储方式背后的核心元件。当下主流的3DNAND存储是在垂直层面上增加存储单元，从而倍数扩张晶圆上的单元数量，增大存储容量。

3DNAND的构建极大程度上依赖沉积和刻蚀工艺，无论是已经投入量产的64层和128层，还是正在研发中的超300层3DNAND，都是增加了堆叠的层数，这对刻蚀设备的深宽比提出了要求。

此外在现有技术下，堆叠层数越高，重复工艺次数越多，沟道孔洞等非重复性节点单次操作耗时更长，导致部分加工节点对刻蚀设备的需求可随堆叠层数的增加而同比例增长。3DNAND的技术发展将为刻蚀设备的需求带来新的增长动力。

在新的自主可控背景下，国产设备在内资晶圆厂的渗透率正在快速提升，目前替代空间巨大。

刻蚀设备市场格局高度集中，海外三大厂商寡头垄断，占据总市场份额的90%。根据华经情报研究院，2022年刻蚀龙头LamResearch（LRCX、泛林半导体）市场份额占比46.7%。就我国本土市场而言，据智研咨询统计，现阶段中国刻蚀设备国产化率约在20%左右。海外厂商普遍成立时间较早，在技术经验、客户资源、生态体系等方面均有较深积累，国产厂商均在2000年后成立，且主要客户均为国内晶圆厂，经验资源仍然欠缺。

不过根据中国海关进口数据显示，2017年以来，刻蚀机进口数量在2021年达到巅峰，2022年受到行业周期以及相关出口禁令的影响出现下滑，同时也反映了国产刻蚀设备逐渐满足我国晶圆厂的生产需求，在出厂数量和技术水平上均有所提升。2023年下半年进口数量未见明显增加但单机价格呈现翻倍的增长，机构判断进口设备多集中在一些高技术壁垒高价值量的工艺环节。

并且，已经有不少国产企业在技术、订单方面有较为明显的突破。

例如，3DNAND工艺中最困难环节的高深宽比刻蚀领域，中微公司就自主开发了极高深比刻蚀机，该设备用400KHz取代2MHz作为偏压射频源，以获得更高的离子入射能量和准直性，使得深孔及深槽刻蚀关键尺寸的大小符合规格。在3DNAND芯片制造环节，公司的等离子体刻蚀设备可应用于64层和128层的量产，同时公司根据存储器厂商的需求正在开发新一代设备，以满足极高深宽比的刻蚀设备和工艺。

而应用于CVD薄膜沉积、刻蚀等核心环节的半导体工艺控制核心射频电源领域，国内厂商英杰电气、恒运昌、北广科技与下游设备厂（中微股份、拓荆科技、北方华创等）共同成长，在射频电源产品供应方面已实现批量订单突破。

其中英杰电气应用于半导体设备的射频电源已实现批量订单（截至2023年11月29日，已突破9000万元订单），正呈现逐渐增量的趋势。恒运昌2019年底公司与沈阳拓荆科技有限公司正式签署了战略合作备忘录。2022年6月17日，拓荆科技以自有资金人民币2000万元向恒运昌增资并参股恒运昌，增资后持有其3.51%的股份。在PECVD射频电源领域持续突破。北方微电子2020年公司以6397万人民币收购北广科技射频应用技术相关资产，提高在射频电源细分领域的核心竞争力。


选择比努力重要

在集成电路的制造过程中，光刻和刻蚀绝对是属于重复性最多、应用最广的两道工艺，刻蚀设备的价值占整个生产线的比重超过了20%。

如果将刻蚀进行分类，主要可以分为干法刻蚀和湿法刻蚀两类，随着集成电路线宽缩小，湿法刻蚀逐渐无法满足刻蚀工艺要求，目前干法刻蚀占据了超过90%的市场，远远把湿法甩在了后面。干法刻蚀机又可以分为CCP刻蚀机（电容性耦合）、ICP刻蚀机（电感性耦合）两条路线。

从近几年的刻蚀设备市场看，2021年的刻蚀设备的市场规模接近200亿美元，相较于前一年增长了46%。主要原因是作为周期性行业，在经历了2019年产业的整体萎缩后，随着下游消费电子的需求逐渐回暖，产业开始出现回弹，所以呈现出较高增长。预计未来三年，刻蚀设备的增速将略高于设备整体的增速规模。

有句广告词：哪里不会点哪里。对于刻蚀机这种高投入、高技术门槛的行业，当然更应该哪里是技术发展的前沿，就应该追寻哪里，毕竟开弓没有回头箭。当前，由于先进工艺芯片加工使用的光刻机受到波长限制，需要结合刻蚀和薄膜设备，这里会使用到多重模板工艺，就意味着：

要进一步提升刻蚀及相关设备的技术水平；

刻蚀步骤数量将大幅增加，意味着刻蚀设备的市场需求数量持续增长。

ICP刻蚀机（电感性耦合）作为低能离子刻蚀技术，对刻蚀结构表面损伤更小，这两年的市场份额也提升得很快，市场占比已经超过了60%，这或许是一个结构性的机会。


差距缩小，但不可松懈

从目前的市场竞争格局来看，不同细分市场有不同的领军者。在导体刻蚀市场市场，Lam（泛林半导体）一家独大，长期全球市占率超过 50%。在介质刻蚀市场，TEL的市场份额同样超过了全部市场的一半。

以泛林半导体为例，除了现有的刻蚀工艺，其也在积极布局前沿的全新选择性刻蚀设备，应该很快将用于3D DRAM等先进存储器应用程序的开发，助力整个产业向着“更快更强”进发。

国内的领头羊中微公司经历了近20年的发展，国内28nm以上制程基本可以全覆盖，宣布掌握了5nm的刻蚀机技术，已完成超100多个ICP的工艺验证，目前也处于放量期。

而从上游零部件来看，刻蚀设备零件品类多，除了金属加工零件外，其他部件都较为依赖进口。虽然说刻蚀机本身能实现大制程的国产替代，但是一方面，上游的零部件仍可能成为被“卡脖子”的对象，这也需要上游零部件玩家的共同努力，另一方面，用于存储元件立体堆叠的刻蚀设备等仍成为发达国家进行出口管制的重点对象。