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刻蚀设备行业概述

刻蚀是集成电路芯片制造过程中至关重要的步骤，它通过物理或化学方法选择性地从衬底表面去除不需要的材料，以实现掩膜图形的正确复制。这一过程位于薄膜沉积和光刻之后，其目的是利用化学反应、物理反应、光学反应等方式将晶圆表面附着的不必要的物质去除，经过多次反复的过程，最终得到构造复杂的集成电路。根据使用的工艺不同，刻蚀可以分为干法刻蚀和湿法刻蚀。

图表：刻蚀的分类

资料来源：智研瞻产业研究院整理

刻蚀设备行业发展现状

1.刻蚀设备在半导体制造中扮演着核心的角色，同时也是产业发展不可或缺的基础

回顾半导体产业的发展历程，刻蚀设备的创新在推动现代技术变革性进步中起到了关键作用。在200mm晶圆时代，金属刻蚀占据主要地位，然而，随着技术进步迈向300mm晶圆时代，介质刻蚀的应用逐渐增加，现在已经超过了50%。与此同时，金属刻蚀的份额逐渐下降。随着器件互连层数的增加，使用介质刻蚀设备的机会也越来越多。刻蚀设备在半导体设备中的重要性不可忽视，其占比高达22%，仅次于薄膜沉积设备。刻蚀设备被视为半导体制造的核心，同时也是机械、航空、化学等行业发展的基石。它能够精确地去除金属板中不需要的部分，只留下必要的电路，使得集成电路与晶圆能够完美结合。目前，这种设备已经满足国际一线客户从65纳米到14纳米、7纳米、5纳米的生产要求，表明其发展速度非常快。刻蚀设备在化学、航空、半导体和机械工业领域发挥着重要作用，它能够精密蚀刻电子薄片零件。由于刻蚀设备的广泛应用，我国能够生产出更多出色的芯片产品，提升我国的芯片制造水平。这一进步改变了我国芯片制造落后的局面，有望实现我国芯片行业的“弯道超车”，使我国芯片制造水平达到国际领先水平。

2、刻蚀设备行业发展进入新阶段

刻蚀设备行业经历了从简单的蚀刻液槽到现代高精度离子刻蚀机的演变。最初，蚀刻设备非常简单，仅仅是一个存放蚀刻液的槽或缸，通过将覆铜板挂浸在溶液中并去除未保护的铜。随后，蚀刻设备逐渐改进，蚀刻液槽内加入喷管，以实现更高效的蚀刻效果。水平传送喷淋式蚀刻机的出现进一步推动了行业发展。在过去的十年里，中国企业中微公司在集成电路高端装备领域打破了西方国家的垄断控制，成功推出了75到7纳米工艺制程的离子刻蚀机设备。现在，中国在蚀刻机研发领域已经达到了世界一流水平，5纳米等硬式刻蚀设备的成功研发标志着中国刻蚀设备行业的发展已经进入了一个新的阶段。

在全球芯片短缺和中美贸易摩擦的复杂背景下，我国刻蚀设备行业正面临前所未有的挑战，但同时也迎来了独立发展的难得机遇。2016年，《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》的发布，标志着中国刻蚀设备行业进入了一个崭新的发展阶段。第十四个五年规划和2035年远景目标纲要中明确指出，重视集中所有优势资源，以推动包括集成电路设计工具、重点装备和高纯度靶材在内的多领域关键核心技术的进步，并且致力于升级集成电路先进工艺、微电机系统MEMS和绝缘栅双极晶体管IGBT等特色工艺。此外，还提到了先进存储技术的更新换代以及碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体的发展。

图表：刻蚀的发展现状

资料来源：智研瞻产业研究院整理

刻蚀设备行业市场规模

随着新结构、新材料和新工艺的发展，刻蚀工艺的要求变得更加严格，刻蚀设备的价值也随之提升。例如，三维闪存和FinFET的结构需要更精密的刻蚀技术，而高k介质/金属栅材料和低k介质镶嵌式刻蚀技术则需要更精确的参数控制。逻辑芯片从28nm缩小至7nm的过程中，刻蚀步骤从50步增加到100步，这也增加了刻蚀设备的复杂性和价值。

统计数据显示，2018年中国刻蚀设备行业市场规模167.29亿元，2022年中国刻蚀设备行业市场规模375.00亿元。2018-2023年中国刻蚀设备行业市场规模如下：

图表：2018-2023年中国刻蚀设备行业市场规模

数据来源：智研瞻产业研究院整理

刻蚀设备行业壁垒

1.技术壁垒

刻蚀设备是高科技产品，需要掌握先进的技术和制造能力。行业内主要企业拥有自主知识产权和核心技术，技术壁垒较高。新进入企业需要投入大量研发资源和时间，才能掌握相关技术和生产能力。

2.资金壁垒

刻蚀设备制造需要大量的资金投入，包括研发、生产、检测等方面的费用。同时，该行业需要购买昂贵的设备和原材料，资金需求较大。新进入企业需要在资金方面具有足够的实力，才能与行业内主要企业竞争。

3.市场壁垒

刻蚀设备行业已经形成了较为稳定的市场格局，主要企业占据了较大的市场份额。新进入企业需要花费较长时间建立销售渠道、开拓市场，并面临品牌认知度不足等问题。此外，客户对于设备的品质和售后服务有较高要求，新进入企业需要满足客户的要求才能获得市场份额。

4.人才壁垒

刻蚀设备行业需要高素质的技术研发人才和设备操作人才。行业内主要企业拥有经验丰富、技术水平高的专业人才，而新进入企业需要花费较多时间和资源来培养和吸引人才。

5.环保壁垒

刻蚀设备制造过程中会产生废气、废水和固体废弃物等污染物，需要采取环保措施。新进入企业需要符合环保法规要求，并投入大量资金建设环保设施，否则将面临环保处罚和停产等风险。

图表：刻蚀设备行业壁垒

数据来源：智研瞻产业研究院整理

刻蚀设备行业发展趋势

1、刻蚀设备在关键尺寸缩小与三维结构升级的推动下实现高质量发展

随着3D化集成电路不断提高集成度，单层上线宽逐渐降低，而堆叠层数不断增加，还要求更深的孔和槽的刻蚀。这些更为严苛的刻蚀要求推动着刻蚀技术的不断演进，最初的圆筒式刻蚀机只能进行有限的控制，而现代的等离子体刻蚀机则集成了刻蚀参数控制软件，实现了更精准的控制。另外，随着半导体制程的不断缩小，由于光波长的限制，关键尺寸的需求无法得到满足。在制造14纳米及以下的芯片时，必须采用一种称为多重模板的特殊工艺。这个过程包括多次重复的薄膜沉积和刻蚀步骤，其目标是达到10纳米的线宽。这种精细的制造工艺需要严格控制每一层的精度，以确保最终产品的性能和稳定性。这种工艺使得薄膜沉积和刻蚀的次数显著增加。统计数据显示，随着逻辑制程不断缩小，刻蚀步骤的数量显著增加。例如，20纳米的制程工艺涉及约50步的刻蚀步骤，而10纳米和7纳米的先进制程需要超过100步的刻蚀步骤，甚至5纳米制程的刻蚀步骤高达160次及以上。这种刻蚀步骤的大幅增加，使得刻蚀工艺和步骤数量变得更加复杂，要求集成电路制造企业不断提高刻蚀设备的数量和质量。这种趋势推动了刻蚀行业规模的稳步增长。

2、原子层刻蚀技术将成为下一代主流刻蚀方法

随着芯片制造技术的不断进步和三维结构的出现，等离子刻蚀面临着刻蚀速率差异和下层材料损伤等问题。原子层刻蚀技术能够精准地去除原子尺度上的目标材料，而不会对结构的其他部分造成任何损伤，并能够刻出具有非常精细的沟槽，宽度可以达到10Å-15Å，相当于5个原子宽度。这种能够精密控制材料去除量而不影响其他部分的特性使得原子层刻蚀适用于定向刻蚀。对于原子层刻蚀，我们可以将其分为等离子体ALE和高温ALE两种类型。现阶段，等离子体ALE已经在实际应用中得到了实现，而高温ALE仍然处于早期的发展阶段，尚未达到商业化应用的条件。

3、刻蚀设备国产替代趋势加速

全球刻蚀设备市场主要由美国和日本的三大公司所主导，包括AMAT、Lam Research和TEL，这些公司的市场份额一直保持着较高的水平，它们合计占有了91％的市场份额。然而，随着半导体工艺节点的不断缩小，刻蚀设备的精密程度开始决定着集成电路的发展方向。近年来，国内的刻蚀设备企业在技术准备和客户认证领域取得了引人注目的进步，使得国产刻蚀设备在本土晶圆生产线上的价值量占比逐渐提高。

目前，国产刻蚀设备市场规模约为24亿元，市场占有率约为20%，与其他半导体设备的国产化率相比仍较低。在抗击疫情常态化的背景下，海外设备供应的短缺使得国内晶圆厂越来越依赖国产刻蚀设备。这一变化为国产刻蚀设备向高端市场发展提供了契机。尽管目前进口刻蚀设备仍然占据较大市场份额，但国产替代的潜在市场空间同样非常广阔。

图表：刻蚀设备行业趋势

数据来源：智研瞻产业研究院整理