刻蝕設備的一些基本知識

1.基本原理

前道的晶圓加工包括十余道工藝，有氧化、擴散、退火、離子注入、薄膜沉積、光刻、刻蝕、化學機械平坦化（CMP）等。其中最關鍵的三類主設備是光刻設備、刻蝕機和薄膜沉積設備，成本價值占前道設備的近70%。jPFesmc

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刻蝕工藝順序位于鍍膜和光刻之后。簡單來說，刻蝕機的作用就好像是雕刻中的刻刀一樣，利用光學-化學反應原理和化學、物理等刻蝕方法，將晶圓表面附著的不必要的材質進行去除，留下的就是所需的材質和附著在其上的膠。然后再多次重復上述步驟，就可得到構造復雜的集成電路。jPFesmc

按照刻蝕工藝劃分，其主要分為干法刻蝕以及濕法刻蝕（表1）。由于干法刻蝕可以實現(xiàn)各向異性刻蝕，符合現(xiàn)階段半導體制造的高精準、高集成度的需求，因此在小尺寸的先進工藝中，基本采用干法刻蝕工藝。這使得干法刻蝕機在刻蝕市場中占據主流地位。jPFesmc

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而按照被刻蝕材料劃分，可以分為硅刻蝕、介質刻蝕以及金屬刻蝕（表2）。由于下游的需求場景較多，介質刻蝕機與硅刻蝕機的市場占比較高，成為市場主流。jPFesmc

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2.刻蝕與光刻的區(qū)別

有些對工藝不熟悉的業(yè)者，很容易將刻蝕與光刻混淆。事實上，這兩款設備的工序和作用完全不同。jPFesmc

業(yè)界有個簡單的比喻：如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻設備是打草稿的畫筆，刻蝕機是雕刻刀，沉積的薄膜則是用來雕刻的基礎材料。光刻的精度直接決定了電路的走向和尺寸，而刻蝕和薄膜沉積的精度則決定了光刻的尺寸能否實際加工。jPFesmc

原理說來簡單，但刻蝕設備的實際研發(fā)難度還是很高的。不僅因為芯片制造工序多，需要前后工序連貫，而且電路之間是立體存在的，上下堆疊、左右間隔，而寬度也小至納米級別，這對刻蝕設備的精度要求嚴苛。jPFesmc

全球刻蝕設備的競爭格局

近年來全球刻蝕機市場規(guī)模有顯著提升。從SEMI的數據來看（圖1），2016年以來全球刻蝕機市場持續(xù)增長，其中2018年市場規(guī)模已經超過百億美元，達到103億美元，同比增長11.96%。預計2019年全球刻蝕設備市場仍會以雙位數以上的同比增速發(fā)展。jPFesmc

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刻蝕設備市場規(guī)模顯著提升的原因有多方面，其中最關鍵的兩點：一是全球半導體產線資本開支提升，尤其是中國興建大量晶圓廠以及存儲產線，帶來大量刻蝕機需求；二是由于晶圓代工以及存儲產線工藝優(yōu)化，帶來刻蝕工藝需求的持續(xù)提升，進而帶動刻蝕機出貨量的增長。jPFesmc

全球刻蝕設備的競爭格局

市場的強健增長，自然會吸引不少廠商來分一杯羹。但事實上，刻蝕機與大多數半導體設備一樣，一直以來就是一個高度集中的行業(yè)，市場一度被大廠壟斷。jPFesmc

1.國際巨頭的成長路徑

根據預測，2019年全球刻蝕機市場份額由三家國際廠商瓜分，來自美國硅谷的泛林半導體（Lam Research）占53%，位于日本的東京電子（Tokyo Electron）占19%，同樣是美國硅谷的應用材料（Applied Materials）占18%。盡管近年來刻蝕行業(yè)的后起之秀如雨后春筍，但這三家國際巨頭仍共占全球九成以上的市場份額。（圖2）jPFesmc

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總體來看，這些國際巨頭通常專注某一領域做大做強，再并購整合其他業(yè)務從而日積月累，最終擁有較高的市場份額。jPFesmc

（1）泛林半導體

1980年華人工程師David Lam創(chuàng)辦了Lam Research。從公司名就可以看出，泛林具有與生俱來的研發(fā)基因。憑借對最先進技術和產品的單純追求，泛林在創(chuàng)辦第二年就推出了第一款刻蝕機產品——AutoEtch；第四年便在納斯達克IPO上市。jPFesmc

但“巨大的成功”也讓公司過早地走向了多樣化的道路。在90年代，泛林將業(yè)務拓展至CVD和FPD（顯示面板）領域。這并沒有讓公司做大做強，反而分散了公司的業(yè)務焦點。泛林的市值從1995年的30億美金跌到了1998年的4.5億美金。jPFesmc

痛定思痛！1998年后，泛林將重心重新放在了刻蝕設備優(yōu)勢的夯實上，同時兼顧多產品的研發(fā)，最終逐步走出陰霾。2007年以后，公司在刻蝕領域的地位無可撼動，這才重新將業(yè)務拓展至清洗和CVD等領域。2019年泛林全年營收約95億美元。jPFesmc

（2）應用材料

同樣位于美國硅谷的應用材料也具有極強的研發(fā)能力。官方資料顯示，應用材料每年在研發(fā)上投入20億美元，團隊成員中30%為專業(yè)研發(fā)人員，平均每天（包括周末）要申請4個以上的新專利。jPFesmc
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作為半導體設備領域的老大哥，應用材料在1974年通過收購企業(yè)，將業(yè)務拓展至硅片制造領域后，也經歷了連續(xù)三年虧損的“滑鐵盧”。所幸1977年新上任的CEO決定出售硅片業(yè)務，以專注半導體設備的研發(fā)，公司才重回增長軌道。jPFesmc

直到90 年代以后，應用材料通過一系列并購案，順利將業(yè)務擴展至量測、CMP等領域，目前成為擁有產品線最全面的半導體設備龍頭。2019年應用材料的營收為146億美元。jPFesmc

（3）東京電子

東京電子是日本第一家半導體制造設備廠商，最初的定位是實現(xiàn)國產化。雖然東京電子的成長經歷遠不如前兩家波瀾壯闊，但它們對于研發(fā)的投入絕無打折。2018財年東京電子研發(fā)費用約1200億日元（約合80億人民幣）。jPFesmc

足以見得，在半導體設備行業(yè)中，相比于全平臺式布局，深耕細作的策略更容易取得成效。因為刻蝕設備作為三大主設備之一，進入客戶產線后可擁有一定的話語權，甚至更容易影響客戶對其他工序設備的采購。jPFesmc

2.中國廠商后來居上

事實上，我國企業(yè)在入局刻蝕設備之初，一定程度上參照了國際巨頭的成長模式，集中力量專注于某一領域的研究。目前來看，刻蝕機尤其是介質刻蝕機，是我國最具優(yōu)勢的半導體設備領域，也是國產替代占比最高的重要半導體設備之一（圖3）。jPFesmc

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此外，國內存儲產線的大舉興建以及“大基金”的持續(xù)投入，有望驅動刻蝕設備率先完成國產替代。jPFesmc

一方面，以長江存儲、紫光集團、合肥長鑫、福建晉華等為代表的國內存儲企業(yè)正不斷擴大相關產線，在各類設備采購上有大量的資本支出，并且越來越青睞于國產設備。例如長江存儲在介質刻蝕機、氧化設備、清洗設備等都有高于15%的采購比例。jPFesmc

另一方面，雖然“大基金”一期投資相對集中在晶圓制造（代工）、芯片設計等中游領域，但國內主要的刻蝕設備企業(yè)均得到“大基金”一期投資（圖4），因此業(yè)界均期待“大基金”隨后在刻蝕設備領域的投資。jPFesmc

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值得提醒的是，5nm刻蝕機的成功并不意味著國產5nm芯片可實現(xiàn)全面量產。因為刻蝕的前一道工序——光刻，其國產設備仍然處于90nm光刻的水平，與世界最先進的7nm制程相距甚遠。因此，想要打造一個全制程國產化的 “中國芯”，光刻與刻蝕工藝的齊頭并進尤為重要。jPFesmc

國產刻蝕廠商憑什么后發(fā)趕超？

以下主要分析國產刻蝕廠家的發(fā)展優(yōu)勢和經驗決策。jPFesmc

1.中微公司

從2004年創(chuàng)立至今，中微半導體設備（上海）有限公司在短短十余年時間里追上國際先進水平（5nm），成為國內生產刻蝕機水平最高的企業(yè)之一，其背后的殺手锏就是“研發(fā)實力”。而中微公司研發(fā)實力的中流砥柱，則是曾被譽為“硅谷最有成就的華人之一”的尹志堯。jPFesmc

資料顯示，尹志堯曾在泛林半導體歷任研發(fā)部資深工程師、曾經擔任應用材料的公司副總裁，在美國工作時就持有86項專利。因此，在以尹志堯為代表的幾十位海歸技術專家的帶領下，中微公司的發(fā)展軌跡與當今的國際巨頭十分相似，初期深耕于刻蝕單一領域，追求先進的技術和產品。截至2019年6月30日，中微公司已經申請了1280項專利，其中中國大陸732項、海外地區(qū)548項；并已經授權了961項專利，其中中國大陸492項，海外地區(qū)469項。jPFesmc

與此同時，國家“大基金”的扶持也是中微公司發(fā)展迅速的關鍵原因之一。業(yè)界盛傳，中微公司起初手頭上只有政府資助的5000萬元啟動資金和團隊自籌的150萬美金。這些資金絕對是不足以支撐的，因此尹志堯只好求助于硅谷，一下子吸引了數十家風投公司。直到2015 年，公司獲得產業(yè)“大基金”4.8 億元投資，這也是大基金在上海半導體行業(yè)的第一筆投資，給中微公司提供了后盾。jPFesmc

很快雙喜臨門，2019年7月中微公司成為首批在科創(chuàng)板正式上市的企業(yè)之一。年報顯示，中微公司近幾年的業(yè)績穩(wěn)定增長，2016年至2019年營業(yè)收入分別為6.1億元、9.7億元、16.4億元和19.5億元。對此中微公司表示，主要受三個因素驅動：等離子體刻蝕機的市場迅速增長、MOCVD設備的市場需求增長和國內集成電路制造產業(yè)發(fā)展。jPFesmc

2.北方華創(chuàng)

北京北方華創(chuàng)微電子裝備有限公司是北京電控集團下屬的國有高科技企業(yè)。北方華創(chuàng)集團通過對七星電子和北方微電子半導體裝備業(yè)務的深度整合，構建了中國唯一半導體裝備產業(yè)上市平臺。與國外設備巨頭應用材料類似，是IC設備平臺型企業(yè)。jPFesmc

北方華創(chuàng)微電子主要產品包括刻蝕、PVD、CVD、氧化/擴散、清洗、氣體質量流量計等高端半導體工藝裝備及核心零部件。其中，應用于集成電路領域較先進的硅刻蝕機已突破14nm技術，進入主流芯片代工廠。jPFesmc

在客戶層面上看，相較于中微公司專注為IC與LED領域客戶提供服務，北方華創(chuàng)的全賽道布局更顯多元化。其應用范圍覆蓋泛半導體領域四大核心賽道：半導體能源（光伏）、半導體照明（LED）、半導體顯示（面板）以及半導體集成電路（IC），下游客戶均為半導體IC、LED、LCD、光伏四大領域的龍頭企業(yè)。jPFesmc

在營收層面看，北方華創(chuàng)近年來營收持續(xù)攀升，2016至2019年營收分別達16.2億元人民幣（下同）、22.2億元、33.2億元和40.6億元；且歸母凈利潤穩(wěn)步提升，從2016年的0.93億元增長至2019年的3.09億元。jPFesmc

3.南通卓力達金屬科技有限公司

成立于2015年，是一家專業(yè)從事精密金屬蝕刻以及SMT激光模板研發(fā)和生產、真空擴散焊接的高新技術企業(yè)。在國內擁有 4 家實體工廠，業(yè)務范圍橫跨航天航空、軍工、醫(yī)療、汽車、精密電子、數碼家電等等尖端行業(yè)。jPFesmc

主要從事：金屬制品刻蝕技術、精密五金刻蝕技術、激光技術的研發(fā)；精密刻蝕金屬零部件、五金配件、激光模板、電子設備、自動化設備、電子工業(yè)專用設備、電子產品的研發(fā)、設計、生產、銷售；貨物及技術進出口業(yè)務。目前主要客戶有蘋果、三星、OPPP、聯(lián)想、華為、通用、豐田、中航工業(yè)、中國兵器等國內外知名企業(yè)。截止目前為止，卓力達持有各項專利證書達50多項。jPFesmc

4.佛山鑫恒力五金機械廠

成立于2001年，佛山市南海區(qū)鑫恒力五金機械廠是國內較早生產蝕刻設備的制造廠商，在各種材料應用的蝕刻機、PCB電路板設備、曝光機、涂布機、電解電鍍設備等擁有超過15年的生產經驗。并先后推出了包括：大型(1220mm)不銹鋼花板蝕刻機生產線、滾輪蝕刻機、立式蝕刻機、平曲面蝕刻機、圓盤蝕刻機、精密曝光機、顯影生產線、水平電解退鈦線等一系列先進的金屬蝕刻、前處理設備和輔助設施。jPFesmc

5.北京正盛鴻成電子科技有限公司

成立于2003年，是一家集技術研發(fā)、設備制造、產品加工、技術培訓為一體的現(xiàn)代化先進工藝設備制造商。主要生產和銷售：PCB濕法制程設備、FPC設備生產線、五金精密蝕刻成套設備、刀模蝕刻設備、燙金版（銅鈑、鋅鈑、鎂鈑）蝕刻設備、不銹鋼裝飾蝕花生產線、標牌成套設備、壓紋鈑蝕刻生產線、電解蝕刻生產線、電解拋光生產線，以及精密曝光機、覆膜機、涂布機、UV干燥機、電鍍生產線系列（包括污水處理設備）等表面處理設備。jPFesmc

6.深圳市新順鑫科技有限公司

成立于2011年，是一家集研發(fā)、設計、生產、銷售圖形像轉移設備為一體的廠家。該公司擁有10年曝光機、顯影蝕刻退膜清洗設備的生產制造經驗。主要產品包括真空鍍膜設備(ITO)、光伏太陽能、半導體設備、精密蝕刻設備、線路板設備（PCB/FPC）等，廣泛用于LCD液晶顯示、觸摸屏、玻璃清洗、太陽能光伏、光電、半導體、電鍍、五金蝕刻、精密五金電子等領域。jPFesmc

據工商登記信息顯示，該公司目前擁有5項實用新型專利，并有10項涉及半導體蝕刻設備的軟件著作權。jPFesmc