深度解读：半导体的“雕刻刀”——刻蚀设备的发展与突破
发布时间：2022-01-27发布人：
一，刻蚀设备：半导体制造工艺的核心设备之一
作为大部分的电子产品中的核心单元主要材料，半导体在消费电子、通信系统、医疗仪器等领域有广泛应用。完整的半导体产业链包括半导体设计公司、半导体制造公司、半导体封测公司和半导体设备与材料公司。其中，半导体设备的主要应用阶段为半导体的制造与封测工艺流程。半导体的制造工艺流程包括晶圆制造、晶圆加工和封装测试三个部分。晶圆制造：将半导体材料开采并根据半导体标准进行提纯后，通过一系列化学反应和表面处理，形成带有特殊粒子和结构参数的晶体，经过一系列处理后制成晶圆薄片（主要是硅晶圆），过程中主要运用单晶炉、CMP、清洗机等设备。晶圆加工：制成晶圆后，在表面上形成器件或集成电路，其中，前端工艺线（FEOL）是晶体管和其他器件在晶圆表面上的形成，后端工艺线（BEOL）是以金属线把器件连在一起并加一层最终保护层。加工过程中主要运用光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、清洗机等设备。
封装测试：晶圆上的芯片需要经过多道工序才能分隔开，并要进行针对性的测试和封装，得到应用于不同电子单元、不同下游领域的成品芯片，过程中主要运用各类测试和封装设备。不同过程所需投资额以及相应半导体设备不同。根据Gartner和SEMI等机构的统计，按工程投资分类洁净室投资占比约为20-30%左右，其余的70%主要为半导体相关设备采购。其中晶圆加工环节（即赋予晶圆相应的电学特性）所需设备投资价值占比最高，约占80%左右。封装测试环节和晶圆制造环节受先进制程工艺影响较小，对于设备精度需求相对较低，因此所需设备投资价值量占比较低，分别为20% 和0.5%。晶圆加工环节设备又可进一步分为刻蚀设备、光刻设备、薄膜沉积设备、化学机械抛光设备、检测设备和其他沉积设备等。根据SEMI的统计，其中刻蚀设备投资占比第一，2017年占晶圆加工环节设备销售额的24%。
在半导体制造工艺中，薄膜沉积、光刻、刻蚀三大工艺是半导体制造流程中最关键的环节，直接决定了芯片的分层结构、表面电路图形等，显著影响芯片的电学参数和应用性能。
其中，刻蚀是用化学或者物理方法将晶圆表面不需要的材料逐渐去除的过程， 决定了晶圆上的芯片电路能否与光掩模版上的芯片电路保持一致，是图形化工艺中的重点。主要考虑的参数有刻蚀速率、刻蚀剖面（各向同性/各向异性）、刻蚀偏差、选择比（对两种不同材料刻蚀速率的比值大小）、均匀性、残留物等。按照工艺划分，刻蚀主要分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类。
湿法刻蚀：湿法刻蚀主要利用化学试剂与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀，由于采用化学方法刻蚀，因此其刻蚀是各向同性的（横向纵向的材料均会被腐蚀），侧壁容易产生横向刻蚀造成刻蚀偏差，通常用于工艺尺寸较大的应用（局限于3μm以上的图形尺寸）；此外，湿法刻蚀还存在后续冲洗和干燥、液体化学品有毒害、潜在的工艺污染等问题。干法刻蚀：干法刻蚀主要利用反应气体与等离子体进行刻蚀，具有各向异性（刻蚀的时候可以控制仅垂直方向的材料被刻蚀，而不影响横向的材料）的优点，适用于尺寸较小的先进制造工艺。同时其以气体为主要媒介，不需要液体化学品或冲洗。干法刻蚀进一步又可以分为等离子体、离子铣和反应离子刻蚀三种技术，其中以干法等离子体刻蚀为主导。按照刻蚀的材料划分，刻蚀可分为介质刻蚀、硅刻蚀和金属刻蚀三大类。根据BARRON’S的统计，针对氧化硅、氮化硅等介质材料刻蚀的介质刻蚀设备占比约48%、针对单晶硅、多晶硅、硅化物等硅材料刻蚀的硅刻蚀设备占47%，占据了市场的主导地位。全球半导体产业空间广阔，根据全球半导体贸易统计组织（WSTS）的数据，2018年全球半导体（含分立器件、光电子、传感器、集成电路）市场规模高达4687.8亿美元，同比增13.7%，十年复合增速达6.5%。展望未来，我们认为在5G、AI、汽车电子等新兴领域的驱动下，半导体的长期成长空间有望进一步拉大。从半导体的应用结构来看，根据赛迪顾问的统计，2018年半导体下游应用领域分别为通信（32.4%）、计算机（30.8%）、工业（12%）、消费电子（12%）、汽车（11.5%）、政府（1%），每个领域均有相应的成长点，5G网络的建设、人工智能的应用与产品升级、智能终端的技术创新以及自动驾驶的持续渗透等，都带来了半导体产业市场规模的进一步提升。
一方面，在14纳米到10纳米、7纳米甚至5纳米的制程演进中，现在市场上普遍适用的沉浸式光刻机受光波长的限制，关键尺寸无法满足要求，因此需要通过多次沉积+刻蚀的方式来实现更小的尺寸，多重模板工艺显著增加了刻蚀设备的需求。同时由于关键尺寸的减小，对刻蚀的各项指标的要求也更加严苛，随着制程的不断演进，刻蚀设备的占比近年来也呈现快速提升趋势。另一方面，2D存储器件线宽接近物理极限，NAND闪存进入3D时代，而3D NAND需要增加堆叠的层数，需要刻蚀加工更深的孔以及更深的挖槽，增加了对刻蚀设备的投资需求。根据东京电子的统计，3D NAND中刻蚀设备的支出占比达到 50%，远高于此前工艺NAND的15%。
从市场规模的数据来看，根据Wind的统计，2018年全球半导体设备达到645.3亿美元，同比增14%，其中晶圆处理设备为502亿美元，占比78%，同比增52%。其中，假定2018年刻蚀设备占晶圆处理设备比例与SEMI披露的2017年的24%相同，则2018年刻蚀设备的全球市场规模突破百亿美元级别，达120.5亿美元，同比增56%。
半导体设备整体、以及细分的刻蚀设备行业属于典型的技术密集型行业，产品技术含量高、附加值高、对企业研发提出较高要求。同时配套产业要求高、客户认证周期长，对采购、销售等业务管理能力也提出了较高的要求。国外巨头由于起步早，资金、技术、客户资源、品牌等方面具备优势，目前占据较高市场份额。根据VLSI Research的统计，2018年全球前五大半导体设备制造厂商，占据了全球半导体设备市场65%的市场份额。
在需求增长较快的刻蚀设备领域，行业集中度更高，根据The Information Network的数据，泛林半导体、东京电子、应用材料2017年市场占有率分别为55%、20%和19%，合计占据94%的市场份额。国内刻蚀设备厂商为中微公司和北方华创。首先，政策、资金、市场助力，国内半导体设备迎来密集投资期。当前中国半导体设备迎来发展机遇，从需求端的角度来看，政策、资金、市场是三大助力因素：政策扶持：早在2008年出台的“02专项”实现国产半导体设备从零到一大跨越。取得了显著阶段成果，包括服务全球的65-28nm先进制程工艺、高密度封装技术、30多种高端设备和上百种关键材等。同时诞生了以北方华创、中微电半导体等国内半导体设备龙头厂商。近几年政府也先后出台《国家集成电路产业发展推进纲要》、《鼓励集成电路产业发展企业所得税政策》等政策，从税收、资金等各个维度为半导体产业给予扶持，并对半导体设备产业提出了明确的发展目标要求。资金支持：大基金一期投资完毕，注资领域重点在晶圆代工领域，投资方向主要集中在先进工艺产线和存储器设计。其中代工企业晶圆厂扩产以及先进制程工艺提升均需采购跟多数量以及更为先进的半导体设备，目前国内半导体设备在300mm晶圆以及28nm工艺已经具备全球竞争力水平，随着14nm工艺设备完成验证以及商用，国内半导体设备制造商有望新一轮晶圆制造投资。下游市场：中国为最主要的全球半导体需求市场，根据WSTS数据，2018年中国大陆半导体销售额占全球销售额占比为34%，根据Wind统计，近年来中国半导体设备销售额占全球比重不断提升，但至2018年也仅有20%，仍然有不小提升空间。三大因素助力中国内地晶圆制造产线增加，带来半导体设备投资机遇。根据我们的统计，中国内地目前在建的晶圆厂：12寸晶圆厂共16条，投资额合计6,058亿元；8寸晶圆厂共6条，投资额合计247亿元。另外计划建设的晶圆厂13条，其中有披露投资额的合计4,946亿元。而晶圆厂设备采购时间一般为投产前1年左右开始，投产后1年完成相关晶圆厂设备采购，带来了半导体设备的投资机遇。国内刻蚀设备的主要厂商为中微公司和北方华创，近年来两家公司分别在技术储备以及客户认证方面取得了良好的进展。中微公司经过多年积累，刻蚀设备技术已接近国际领先水平，目前在65纳米到7纳米的加工上均有刻蚀应用，并已经实现产业化，目前公司正在进行7纳米和5纳米部分刻蚀应用的客户端验证，进展良好。北方华创部分设备如硅刻蚀机也已经在国产12英寸设备已经在生产线上实现批量应用。根据中国国际招标网的数据，2017年中标长江存储刻蚀机订单一共54台，其中中微半导体中标7台，占比约7%，而2018-2019年一共中标81台刻蚀机，其中中微半导体和北方华创分别中标12台和3台，占比显著提升至15%和4%。可以看出中微公司和北方华创的突破进展喜人，未来有望继续显著受益。声明：本文版权归原作者所有，转发仅为更大范围传播，若有异议请联系我们修改或删除：zhangkai@cgbtek.com
