刻蚀设备：仅次于光刻机的半导体制造核心工艺 迎国产爆发机遇？
作为半导体制造三大核心工艺之一的刻蚀设备，其价值量占比达到了22%，是重要性仅次于光刻机的半导体设备，正迎市场增长和国产化双机遇共振。
什么是刻蚀设备？
集成电路制造经历上百道工艺，光刻、刻蚀、薄膜沉积是三大关键设备，价值占比达60%以上。国际最先进芯片产线需要百亿美元投资，70%以上用于购买设备，单条线需要十大类设备，170多种细分设备，合计约3000多台各种类型的设备，其中光刻、刻蚀、薄膜沉积价值量最大，占比分别为17%、22%、22%。刻蚀设备是重要性仅次于光刻机的半导体设备。
刻蚀设备结构解析 资料来源：四十八所
半导体制作过程中，薄膜沉积工艺是在晶圆上沉积一层待处理的薄膜，匀胶工艺把光刻胶涂抹在薄膜上，光刻和显影工艺把光罩上的图形转移到光刻胶，而刻蚀工艺是把光刻胶上图形转移到薄膜，去除光刻胶后，即完成图形从光罩到晶圆的转移。刻蚀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，根据被刻蚀材料的不同，刻蚀可分为介质刻蚀、硅刻蚀、金属刻蚀。根据产生等离子体方法的不同，分为电容性等离子体刻蚀（CCP）和电感性等离子体刻蚀（ICP）。
资料来源：中微公司招股说明书
其中CCP刻蚀主要是介质刻蚀，即高能离子在较硬的介质材料上刻蚀高深宽比的深孔、深沟等微观结构；而ICP刻蚀主要是硅刻蚀和金属刻蚀，即以较低的离子能量和极均匀的离子浓度刻蚀较软的和较薄的材料。
ICP、CCP在整个刻蚀设备市场占比接近，据Gartner数据显示，2022年ICP、CCP占刻蚀设备市场分别为47.9%、47.5%，二者合计占比约95%，几乎占据了整个刻蚀设备市场全部份额。
来源：Gartner,中微公司
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。
不同制程集成电路所需刻蚀工艺数量（次）资料来源：国际半导体产业协会，华经产业研究院
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。
市场空间有多大？
半导体行业虽具有一定的周期性，但整体仍呈现快速增长态势，以AI和5G为代表的技术创新将带来新需求，为半导体行业带来新的增长动力。
2023年12月12日SEMI发布了《年终总半导体设备预测报告》指出，半导体制造设备全球总销售额预计将在2023年达到1000亿美元，比2022年收缩6%。预计半导体制造设备将在2024年恢复增长，在前端和后端市场的推动下，2025年的销售额预计将达到1240亿美元的新高。
来源：SEMI
根据Gartner统计数据，全球集成电路制造干法刻蚀设备市场规模在2020-2025年期间发生一定波动，预计2025年市场规模约为181.85亿美元，年复合增长率约为5.84%。
全球集成电路干法刻蚀设备市场规模（亿美元）资料来源：Gartner，屹唐股份招股说明书
中国大陆晶圆厂仍处于产能扩张阶段，12英寸产线扩产空间较大，保障刻蚀设备需求。
据全球半导体观察不完全统计，中国大陆预计至2024年底将建立32座大型晶圆厂，包括正在建设中的晶圆厂22座，以及未来中芯国际、晶合集成、合肥长鑫、士兰微等厂商计划建设10座，其中在建或计划中12英寸晶圆厂共计24座，占扩产比例的75%。
具体产能方面，中国大陆目前12英寸晶圆月产能160.7万片，规划月产能423.3万片，现有产能占比37.96%，8英寸月产能99.1万片，规划月产能155万片，现有产能占比63.94%。长期来看，12英寸产线产能扩张空间可观。晶圆代工行业扩产计划的不断推进也为刻蚀设备的需求增长保证了充足空间。
据华经产业研究院统计，刻蚀设备市场规模在各类半导体设备中增速最高，2011-2021年年复合增长率达16.39%，2022年中国刻蚀设备市场规模为375.28亿元，预计2023年有望达到500亿元。随着集成电路技术不断发展，对刻蚀设备的性能和数量要求不断提高，以及当下核心设备国产化的主流趋势，刻蚀行业前景依旧广阔。
相关企业有哪些？
中微公司是国内领先的半导体刻蚀设备及MOCVD设备制造商，逐步向薄膜沉积设备等半导体设备延展。公司2004年成立以来，开发了CCP单/双台机、ICP单/双台机，可以覆盖大部分刻蚀应用，并且在高壁垒卡脖子领域例如极高深宽比和大马士革工艺方面持续突破。
在逻辑集成电路制造环节，公司开发的12英寸高端刻蚀设备已运用在国际国内知名客户65nm到5nm及下一代更先进的芯片生产线上；同时，公司根据先进集成电路厂商的需求，持续开发5nm及更先进刻蚀设备用于若干关键步骤的加工，并已获得行业领先客户的批量订单。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，满足更高深宽比的刻蚀设备正在研发中。
公司主要客户包括台积电、英特尔、联华电子、格罗方德、海力士、意法半导体、华力、华虹、中芯国际、博世、长江存储、长鑫存储等。
北方华创则是国内ICP刻蚀设备龙头，ICP刻蚀产品出货累计超过2000腔。2005年华创第一台ICP硅刻蚀机进入生产线，目前是国内主流客户的优选机台。12英寸TSV深硅刻蚀机是国内TSV量产生产线主力机台，支持Chiplet工艺应用。公司实现CCP刻蚀设备突破，2022年公司推出8英寸CCP刻蚀设备并开始批量供应和12英寸CCP晶边介质刻蚀机已进入多家生产线验证。
此外还有进行刻蚀设备业务拓展的屹唐股份，目前正在冲击IPO。公司面向全球经营的半导体设备公司，主要从事集成电路制造过程中所需晶圆加工设备的研发、生产和销售，面向全球集成电路制造厂商提供包括干法去胶设备、快速热处理设备、干法刻蚀设备在内的集成电路制造设备及配套工艺解决方案。
屹唐股份现有两款刻蚀设备，主要覆盖存储芯片的制备。2007年推出ParadigmE系列，2020年推出高选择比刻蚀和原子层级材料移除设备Novyka系列，二者目前均已研发至先进10nmDRAM芯片和256层3D闪存芯片制造，公司在干法刻蚀领域仍处于追赶国际先进水平阶段。目前，公司刻蚀设备的主要客户为三星电子和长江存储。