芯片的雕刻刀！揭秘走在国产替代前列的刻蚀设备

时间：2023-12-11 00:40:53    作者：bob手机在线登陆

  2018 年全球半导体设备销售额为 645 亿美元，仅四家晶圆厂（台积电，三星，海力士，美光）的采购额就接近 450 亿美元，半导体设备的客户集中度极高。依照产业经济学的一般规律，下游客户集中度越高，行业的定价权越弱，然而半导体设备却打破了这个规律。近年来，半导体设备的增速往往快于整个半导体行业的增速，半导体设备在整个产业链中拥有慢慢的变多的定价权。我们大家都认为根本原因有三点：产业链复杂，技术进步快，转换成本高。

  在通常的制造产业链中，如果客户集中度高，上游设备厂的议价能力往往会大幅减弱。电池产业链就是个很好的例子，虽然电池生产商集中程度与半导体类似，但电池设备生厂商的议价能力非常弱，有时电池厂商与设备生产商共同开发出一款设备，专利归属电池厂而非设备商。但半导体设备从未出现过类似的情况。

  在制造业中，产业链步骤越多，上游材料设备的话语权越强。电池生产和半导体生产最大的不同之处在于其生产步骤数量。电池生产只需要几十步流程，电池生产商在生产自己产品的同时，完全有余力去做上游的设备和材料。然而半导体的生产流程动辄需要几千步，晶圆厂将产品经过几千步的工艺过程制造出来，良率达到一定的标准，要消耗大量的精力，没有余力去做上游设备及材料的开发。因此，晶圆加工厂宁愿为设备厂商让渡更多利润，来获得设备厂最新的产品和持续的技术上的支持，设备厂商从而拥有更高的定价权。

  半导体生产步骤复杂是半导体设备利润率高的原因之一，但是半导体设备厂和下游晶圆制造厂相互配合的研发模式也是设备行业常年高利润的另一个原因。

  半导体设备的供应对于晶圆加工厂来说不仅仅是产能的提升，更是制程精进的基础，设备企业对于晶圆加工厂来说更像是外置的研发中心。

  如今的芯片加工以纳米为尺度，在微观世界中很多基础理论还尚未完善，设备精度的每一次提升都伴随着大量的基础理论和应用技术的研究。在晶圆工艺流程中动辄上千步的晶圆加工工艺开发已然令晶圆厂应接不暇，将设备研发的任务和风险转交给设备厂商是晶圆厂更明智的选择。因此，晶圆厂不但不会试图压低设备厂商的利润，还会主动提供资金和资源支持新设备的研发。

  设备出厂到晶圆厂产线通常还需要一段时间的安装和调试。由于晶圆加工工艺各有不同，部分设备是高度定制化的，设备需要针对晶圆厂要求做特殊的研发和设置。完整的工艺开发需要设备厂和晶圆厂合作完成，已经很成熟的工艺如果更换设备，会要重新投入大量的人力和财力，并且承担未知的风险，因此晶圆厂对于设备通常具有较高粘性。

  一方面，半导体设备整体市场规模不大，各类设备市场规模多在几十亿美元，最高的光刻和刻蚀也只到百亿美元的规模；另一方面，半导体设备属于技术门槛极高的行业，需要较多的技术积累和持续的高研发投入。因此，无论是整个行业还是某个子领域，市场均呈现高度集中。然而我们得知，同作为主设备，光刻与刻蚀的竞争格局却不太相同，在光刻领域呈近乎完全垄断的竞争格局，然而在刻蚀领域却呈现寡头竞争的竞争格局，我们大家都认为导致这种竞争格局的最终的原因在于这两个领域的技术变迁特点不同。

  浸润式光刻是干法光刻的替代技术。光刻技术限制集成电路制程发展，晶圆厂为了获得更高分辨率的光刻机煞费苦心。80 年代，尼康在光刻领域占有垄断地位，此时光刻领域以干法光刻为主。2000 年，更高分辨率的浸润式光刻取代了干法光刻，因此阿斯麦也取代了尼康佳能在光刻领域的霸主地位。

  ICP 刻蚀并不是 CCP 刻蚀的替代技术，而是各有所长，侧重了不同工艺步骤。ICP 技术是刻蚀底层器件的，CCP 技术是刻蚀上层线路的。集成电路结构中既有底层器件又有上层线路，ICP 在发明之初就与 CCP 技术共存。集成电路的底层器件只有一层，光刻技术在 20nm 以上可以在底层器件上做到绝对精确，所以只需要用一次 ICP 工艺，然而集成电路的上层线路却有几十层之数，要使用到几十次 CCP 刻蚀，所以 20nm 以前的刻蚀设备以 CCP 为主，擅长 CCP 刻蚀的应用材料一家独大。然而 20nm 以下，由于光刻的精度达到了极限，需要用多重刻蚀+薄膜的技术在集成电路的底层器件上实现要求的精度，ICP 在底层器件上的使用次数一下暴增，这就造成了近年擅长 ICP 刻蚀的泛林半导体超越了应用材料，成为刻蚀领域的龙头。然而 CCP的需求一直还存在，并没有被 ICP 取代，所以应用材料仍旧保有一定的刻蚀领域的市场占有率。

  荷兰的阿斯麦是光刻机市场上的霸主，市占率超过 70%。虽然尼康和佳能还拥有一定市场占有率，但在主流的逻辑芯片加工领域，尼康和佳能完全无力和阿斯麦竞争。

  在 2000 年之前，光刻机市场还不是这样的局面。60 年代末，尼康和佳能开始制造光刻机，彼时的光刻机的复杂程度和相机差不多。1984 年阿斯麦成立时，光刻机还是尼康的天下，市场占有率一度超过 50%，而阿斯麦的份额常年不超过 10%。

  90 年代，光刻机开始了光源波长的竞争。光刻机将掩膜版上的图形刻画到晶圆上，利用的就是光走直线性质。但是微观世界下光的衍射作用会使光线不一定走直线，这直接影响光刻机的最高分辨率，若要提高分辨率就需要缩小光源的波长。到 90 年代末，193nm 波长的 DUV（深紫外光）光刻机也已经研制成功，但人们迟迟没能完成下一代的 157nm 波长产品的研发。

  就在此时，时任台积电研发副经理的林本坚提出了利用水的折射缩短光波长的方案，即后来的“浸没式光刻”。但是业界龙头尼康不愿意放弃前期在 157nm 波长研发上投入的巨额成本，拒绝了林本坚的方案，只有阿斯麦决定押注这个方向。2004 年，阿斯麦和台积电共同研发的浸没式光刻机诞生，由于是在成熟的 193nm 技术上改进的，设备稳定性和改造成本明显优于尼康同时推出的 157nm 干式刻蚀机。阿斯麦的市场份额随之大幅度的提高，从原来的不到 10%到 2009 年达到了 70%，成为绝对的领先者。尼康在此关键节点上的决策错误使其在短短几年时间内失去了行业领先的地位。

  真正奠定阿斯麦霸主地位的是 13.5nm 波长 EUV（极紫外光）光刻机的研发。EUV 光刻机早在 90 年代就已经提出，由于其技术难度高，英特尔说服美国政府成立了 EUVLLC 这个合作研发组织。由于美国政府的阻挠， 尼康被排除在外，而阿斯麦则在做出一些列承诺后加入组织。EUV 光刻机的研发可谓集中了欧洲和美国的最先进的技术，英特尔、三星、台积电等也纷纷入股阿斯麦，独立研发的尼康也无力再参与竞争。2019 年，历时20 年研发的 EUV 光刻机终于应用于产线，它的诞生将大幅缩减 7nm 和 5nm 制程的工艺步骤。

  如今，用于先进制程逻辑芯片的浸没式193nmDUV和 EUV光刻机基本被阿斯麦垄断。尼康和佳能只在193nm以下的领域拥有一定份额，这些设备大多数都用在对制程需求不高的领域，如存储器、模拟芯片、功率半导体以及普通逻辑芯片等。

  在全球的刻蚀设备寡头企业共有三家，分别是泛林半导体、应用材料和东京电子，而这三家也占据了薄膜沉积市场的主要份额。

  这样的市场格局自然是经过多次技术变革和整合淘汰形成的。在 20 世纪 80 年代，全球至少有 20 家刻蚀设备制造商，彼时市占率最高的企业是应用材料，泛林半导体尚不足以与其抗衡。经过从 90 年代以后十几年的发展，泛林和东京电子的市场占有率逐步赶超应用材料，2010 年以后泛林发展成为市场占有率独占半数以上的刻蚀龙头。想要复盘这样的一个过程，就必须从刻蚀机的技术发展历史说起。

  刻蚀机发展到干法刻蚀阶段以后，最重要的技术就是等离子体刻蚀。按照等离子体的生成方式，可大致分为容性耦合等离子体（CCP/Capacitively Coupled Plasma）、感性耦合等离子体（ICP/Inductively Coupled Plasma）。由于等离子体产生的方法不一样，刻蚀机的结构、性能和特点也存在比较大的差异。其中 CCP 属于中密度等离子体，ICP 则属于高密度等离子体。CCP 技术的发明早于 ICP，但由于其特点的不同，两类技术并非相互取代，而是相互补充的关系。CCP 的等离子密度虽然较低，但能量较高，适合刻蚀氧化物、氮氧化物等较硬的介质材料；ICP 的等离子密度高，能量低，可以独立控制离子密度和能量，有更灵活的调控手段，适合刻蚀单晶硅、多晶硅等硬度不高或较薄的材料。

  等离子体刻蚀大规模应用起始于 20 世纪 80 年代，此时的产品主要是 CCP 设备。应用材料 1981 年正式推出 CCP 干法刻蚀产品，很快取得市占率第一的地位，彼时泛林半导体刚刚立。到 1988 年，应用材料在刻蚀市场占据 37%的市场占有率，泛林半导体占据 12%，获得泛林部分技术授权的东京电子则拥有 8%的份额。

  到了 90 年代，ICP 的概念开始引入，由于感性耦合的等离子体具有更高的密度和更低的能量，可控性明显强于 CCP，随着集成电路对精细加工需求的增长，ICP 迎来巨大的需求市场，泛林的 ICP 产品性能和操作便捷性优于应用材料。在随后的几年里，泛林凭借 ICP 产品的成功市场占有率逐年提升，1993 年达到 30%，首次超过应用材料，就此奠定了刻蚀产品龙头的地位。90 年代后的十几年，应用材料的 CCP 市场占有率在波动中保持稳定，泛林半导体一跃成为市占率第一的龙头。

  2017年，刻蚀设备在产线%左右，取代光刻机成为晶圆加工厂投资额最高的设备，2018年刻蚀机销售额超过 100亿美元。自 2012 年以来，刻蚀机在晶圆厂设备中的价值占比逐步提升，与之对应的是光刻机的价值占比下滑，这其中的根本原因来自于光刻机技术瓶颈和芯片结构变化带来的晶圆加工工序的调整。

  193nm 波长 DUV 深紫外光产品 2000 年左右就已经诞生，其理论上的最高精度为 65nm，即便后来采用浸没式光刻使得光线经过液体折射后等效波长缩小至 134nm，其理论上的最高精度也仅提升到 28nm。那么在光刻机技术停滞不前的十几年中，芯片的工艺制程又是如何提升的呢？

  想要继续提提升制程大体有两个思路，即双重光刻+刻蚀，或多重薄膜+刻蚀。具体采用哪种思路则根据工艺需求来决定，但无论用哪种思路不能离开刻蚀步骤的增加。从65nm 制程开始，每一次制程的精进都需要大幅度的增加刻蚀的步骤，7nm 制程中刻蚀步骤比 28nm 增加了 3 倍。因此，近些年来刻蚀设备是半导体设备中增长最快的领域。

  存储器是半导体销售额中占比最大的一类芯片，DRAM 和 NAND 占据超过 90%的存储器份额。存储器虽然不需要最先进的制程制造，但也都达到了 1X nm 级别（即十几纳米），刻蚀设备使用量显著增加。并且，2016年以后，各大原厂均进入了 3D NAND 量产的时代。

  3D NAND 采用将存储单元堆叠的布局，需要更加多的通孔和导线D NAND 的制造，3D NAND 中刻蚀设备的支持占比由约 15%提升到约 50%。以泛林半导体的财报披露数据分析来看，来自存储器厂商的营收贡献量从 2012 年的 40%左右提升至 2019 年的70%左右，大多数来源于刻蚀设备出货量的变化。因此 3D NAND 的量产再次提升了刻蚀设备的需求。

  此外，随着 TSV 封装技术的应用，刻蚀设备也应用于芯片封装产线D 封装被认为是在摩尔定律失效的情况下提升芯片性能的有效方式，随着 3D 封装的推广，刻蚀设备可能得到更多的应用。

  近些年来我国慢慢的开始在各类设备中开展追赶式研发，在技术难度最高的主设备中，刻蚀机走在国产替代的最前列。我国企业受益于工程师红利，相比国外企业，拥有研发效率高，研发风险更低等优势，因此在半导体设备领域实现技术赶超的可能性不低。

  领先企业在新产品研发的过程中通常要承担两个类型的风险，一类是技术研发失败的风险，一类是对市场技术路线判断失误的风险。由于高研发投入带来的沉没成本，市场判断失误往往会是企业失去优势。对于技术追赶者来说，技术路线市场方向已经被先行者确定，研发风险会相对低一些。

  先行者为了保持其优势往往申请大量相关领域的专利，追赶者最主要的难度集中在如何在规避现有专利限制的情况下实现技术贯通。

  虽然半导体设备成本中直接人工占比较低，但厂家的竞争力来自于研发的效率，研发的人力成本依然会直接影响企业的竞争力。据估计，美日等发达国家一般工程师的平均薪水是国内的三到四倍，国内厂商在研发团队组建时成本优势显著，对于资金并不雄厚的追赶者来说这是一个不可忽视的利好。只要在某项重点领域中实现对于国外企业的比较优势，我国企业就有机会实现技术替代。

  此外，受国情因素的影响，我国研发人员工作时长普遍高于发达国家的现象也是客观存在的，这更有助于国内企业研发效率的提升。

  海外有突出贡献的公司的快速成长期伴随着全球半导体市场的快速地增长。2000 年以后，全球设备市场增速有所放缓，但中国大陆半导体产业刚刚起步。2005 年中国大陆半导体设备销售额约 13 亿美元，2018 年上升至 131 亿美元，全球占比从 4%增长至 20%，尤以 2016 年以后投资增加明显。国际半导体产业协会（SEMI）估计，2020 年中国半导体设备的投资额可能达到 200 亿美元，是全球投资最高的国家。

  根据 IC Insights 的报告，2018 年底中国大陆的晶圆厂产能 236.1 万片/月，占全球的 12.5%，比 2017 年底的 10.8%增加了 1.7 个百分点。2018 年中国本土制造的芯片价值量约占本土销售额的 15%，到 2023 年可能提升至 20%。随着全球半导体产业链向中国的转移，抓住国内客户是国产设备公司实现突破的第一步。

  国内用户的对国产厂商的支持是空前的。在自由流通的市场中，下游客户很难愿意牺牲自身的经济利益去培植新的供应商，因而寡头企业拥有的大量客户资源和用户反馈信息是其他竞争者难以逾越的优势，这在以研发为主导的高技术行业尤为明显。但是，对中国来说，自由公平的市场也许并不能轻易获得。2018 年的美国制裁中兴事件让人们猛然惊醒，即便是和平年代我们也可能失去核心产品的供给，而随后到来的华为事件和“实体清单”更是让全社会形成共识，关乎国民经济的核心技术和供应链必须掌控在自己手中。

  半导体设备和材料位于制造业生态链的顶端，一旦美国将制裁力量伸向设备和材料领域，我国制造业的损失将是极其惨重的。在这种情况下，培育我国自己的半导体设备和材料制造商成为整个半导体行业的共识，整个产业链让渡一部分利益去支持国内设备厂商研发成为现实可能。

  首先，存储器并不是特别需要最先进的制程，现有的 193nm 浸没式光刻机已经足够，短期内不可能会出现因 EUV 的应用而减少刻蚀工艺的情况。以当前设备市场的形势看，光刻机国产替代的难度较大，同为主设备的刻蚀机是率先国产替代的好方向。

  其次，存储器晶圆厂带来了刻蚀设备最大的增量投资，新建存储器产线中刻蚀机的价值量达到 50%。根据计划，长江存储总投资将达到 1600 亿元人民币，合肥长鑫投资超过 1500 亿元人民币，为国内刻蚀机厂商提供可观的增量市场。

  第三，新建厂商还未形成客户粘性。由于国内的长江存储和合肥长鑫均属于全新兴建的厂商，与所有设备厂商均不存在以往的合作，国内企业响应迅速的优势将有所体现。在用户的有意培养下，国内刻蚀机厂商有望与存储器厂商共同成长。

  专注某一领域做大做强，再并购整合别的业务，是应用材料和泛林半导体的等国际巨头共同的成长路径。

  应用材料在成立之初作为设备生产商业绩增长迅速，1974 年公司收购一家硅片生产公司将公司的业务拓展至硅片制造领域。然而这次收购并没有未公司带来应有的收益，反而因半导体行业的不景气使公司连续三年亏损。1977 年，新上任的 CEO 决定出售硅片业务，专注半导体设备的研发。经过改革后，公司重回迅速增加，到 1992 年变成全球第一大半导体设备公司。90 年代以后，应用材料通过一些列收购将业务扩展至量测、CMP等领域，并巩固和增强了其在沉积、刻蚀、离子注入等主设备领域的地位，成为拥有产品线最全面的半导体设备龙头。

  泛林半导体在成立之初专注于刻蚀设备的生产，初步取得一定市场占有率后，在 90 年代将业务拓展至 CVD 和FPD（显示面板）领域。但是业务的拓展并没有为公司带来应有的收益，反而分散了公司的业务焦点，导致 1998 年公司亏损 1.45 亿美元。经过痛彻思考后，企业决定在停止 CVD 和 FPD 业务，整合资源专心研发刻蚀设备。2007 年以后，公司在刻蚀领域的地位无可撼动，这才重新将业务拓展至清洗和 CVD 等领域。

  我国企业在追赶之初同样应该参照国际巨头的成长模式，集中力量专注于某一领域的研究。在主设备厂商中，相比于全平台式布局，专一于某一领域的策略更接近于国际巨头在初期的发展路径。刻蚀设备作为三大主设备之一，进入客户产线后可拥有一定的话语权，甚至影响客户对别的设备的采购。国内走在前列的刻蚀设备厂商，有希望在刻蚀机领域率先形成对国际巨头的威胁，并且更有可能在未来整合国内资源，集中优势进行国际客户突破。

  刻蚀机是芯片制造及微观加工的最重要设备之一。采用等离子体刻蚀技术，利用活性化学物质在硅片上刻蚀微观电路。7nm 制程相当于头发丝直径万分之一，是目前人类能够在大生产线上制造出的最小集成电路布线间距，这接近了微观加工极限。尽管我国半导体设备产业和国际龙头仍有差距，但是我们大家可以看到国内半导体设备产业无论从环境、下游需求拉动还是研发实力都有质的飞跃。相比光刻机领域，中国在半导体刻蚀设备领域的水平还是很不错的，至少在技术方面，已经接近甚至达到国际领先的水平。未来，在存储器国产化大背景和国家大基金二期的加持下，国产刻蚀领域将大有作为。

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