刻蚀设备是晶圆制造第二大设备，重要性仅次于光刻机，占整体前道设备价值量的22%。随着多重掩膜、大马士革工艺应用以及存储芯片内3D叠堆等技术加速渗透，刻蚀设备在半导体制造中的需求量和重要性不断上升。
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。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。存储器件领域，2D NAND向3D NAND的转变以及3D NAND层数的提升需要更高要求的刻蚀工艺，刻蚀要在氧化硅和氮化硅的叠层结构上加工40:1到60:1甚至100：1的极深孔或极深的沟槽。以上均是国内半导体刻蚀工艺以及设备供应商面临的关键问题，而国产设备厂商也只有突破了这些环节才能进一步实现逻辑和存储先进制程扩产。
刻蚀设备：高深宽比刻蚀/多重曝光等高壁垒技术驱动升级
1. 刻蚀设备占前道设备价值量22%，其中CCP和ICP各占近一半根据SEMI，2022年全球半导体设备销售额1077亿美元，同比增长5%，中国大陆销售额283亿美元，同比下滑5%。2023年1-9月，全球半导体设备销售额782亿美元，同比下滑2%，其中中国大陆销售额245亿美元，同比下滑5%。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。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。刻蚀是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）。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。2. 逻辑电路中多重曝光+大马士革工艺，刻蚀设备价值凸显在逻辑电路中，一般在前段的基板工艺（主要为晶体管制造过程）中主要是浅槽隔离刻蚀（STI Etch）、栅极刻蚀（Gate Etch）、接触孔刻蚀（Contact Ecth）、侧墙刻蚀（Spacer Etch）等工艺环节，后段主要是布线工艺，包括铜通孔刻蚀（Via Ecth）、介质沟槽刻蚀（Metal Etch）、铝垫刻蚀（Al-pad Etch）、钝化刻蚀（Passivation Etch）等等。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。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。浸没式DUV（深紫外）光刻机的极限分辨率为38nm,要实现更低的制程最主要的两种方法就是双重曝光技术(double exposure，DE) 和自对准双重成像技术 (self-aligned double patterning, SADP)，更进一步延伸出SAQP (self-aligned quadruple patterning) 技术。双重曝光就是采用两次分别曝光不同图形，两次曝光图形的叠加来实现更小的分辨率，必要的时候也可以三重甚至是更多重图形的叠加来实现更小的分辨率。SADP 技术可以相对轻松地实现光刻图形尺寸减缩小一倍，也就是说使用浸没式DUV 光刻机结合SADP 技术是可以实现20nm 的图形。SAQP技术可以来实现较先进制程工艺中线宽最小的Fin 结构。SAQP 与 SADP 非常类似，相当于在使用完一次 SADP 技术以后，再使用一次SADP，这样就可以实现线宽的四倍缩小，也就是实现10nm 图形。多重曝光后刻蚀环节的步骤数增加，设备需求提升。早期的后段布线工艺以铝导线为主，随着电路频率上升和尺寸的缩小，铝制程的信号延时增大，需要更高电导率的材料。金属铜电阻率低且更不容易发生电子迁移，有较高的可靠性。但是铜与硅的接触电阻很高，且铜容易扩散进入硅中，需要增加和硅之间的阻挡层，为此人们提出了大马士革镶嵌的方法来形成铜的互联线，随之铜互连技术逐渐取代了铝互联技术。铜的大马士革工艺，先是对硅介质进行刻蚀形成孔洞（通孔），然后沉积金属铜（PVD、CVD或电镀），使其填充到这些孔洞中，最后再进行CMP，即可以得到所需的金属图案。双大马士革工艺，同时形成通孔和金属两层，对刻蚀提出了更高的要求。3. 存储芯片中刻蚀设备占比更高，高深宽比刻蚀具极高技术壁垒存储器件领域，2D NAND向3D NAND的转变以及3D NAND层数的提升需要更高要求的刻蚀工艺。市场需求推动存储器技术向更高密度、更优性能、新材料、3D堆栈、高深宽比 （HAR） 刻蚀和极紫外 （EUV） 光刻发展。增加3D NAND闪存存储容量的一种方法是堆栈加层，堆栈高度的增加会带来更大的挑战，意味着需要使用更深的通道来触及每个字线、以及更窄的狭缝沟槽以隔离连接到位线的通道。国产3D NAND刻蚀设备面临四大高难度的挑战，主要是Mask Open, Gate Trench，Channel Hole, 以及Staircase Contact 阶梯接触式刻蚀，但目前3D NAND大厂三星，东芝／西部数据，海力士，美光在解决Mask Open 垂直刻蚀的问题，主要是使用龙头厂商Lam Research 泛林在64/96/128/192层3D NAND提供专用的 Mask Open ICP 刻蚀，并靠此一起抢下 Channel hole 的CCP刻蚀。东京电子 Tokyo Electron 的Gate Trench 垂直刻蚀设备是遥遥领先同业的，而阶梯接触式（Staircase contact）刻蚀所面对的温度挑战，主要是使用龙头厂商应用材料 Applied Materials所提供的三倍功率，多区域气体喷射的刻蚀机台。以上最困难最关键的即为高深宽比通孔刻蚀，离子和中性反应物被遮蔽，深宽比相关传导以及离子角分布是导致关键尺寸变化、刻蚀不完全、弯曲和扭曲等缺陷的重要因素。刻蚀要在氧化硅和氮化硅一对的叠层结构上加工40:1到60:1甚至100：1的极深孔或极深的沟槽。从64层到196层，刻蚀设备在总设备投资中的价值占比从22%上升至25%。国内中微公司布局极高深宽比刻蚀并逐步突破，目前可以实现60:1。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 Lam Research（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。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。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，我们判断进口设备集中在一些高技术壁垒高价值量的工艺环节，并且可能有一些急单价格较平时会略有上浮。2、全球刻蚀龙头：泛林半导体刻蚀起家，内生外延快速发展泛林半导体1980年成立，从刻蚀设备起家，凭借刻蚀设备的专精，从65nm、45nm设备市场开始逐步成为刻蚀设备行业龙头。2007年开始，泛林半导体刻蚀设备份额均在40%以上，大幅领先于应用材料及东京电子。在收购诺发后薄膜沉积设备份额不断提升。凭借刻蚀设备+外延内生形成“平台化”布局，泛林半导体全球排名已超越东京电子、与应用材料差距逐渐缩小。相比应用材料和东京电子两大巨头，泛林半导体成立较晚，作为业内“新秀”，公司成长迅速，成立十多年便进入全球半导体设备前十名。泛林半导体最初以刻蚀设备起家，并且从上世纪 90 年代起通过快速的全球业务扩张，以及横向收购，丰富业务布局，公司先后于 1997 年，收购了专门从事化学机械平面化（CMP）清洗的芯片设备制造商 On Trak Systems；2006 年，收购了 Bullen Semiconductor，现为 Silfex；2008 年，收购了 SEZ AG，并作为自己的一个分部门 Lam Research AG；2012 年兼并加州圣何塞芯片设备制造商 Novellus Systems；2017 年拉姆研究收购半导体工艺技术、MEMS及物联网（IoT）仿真软件和建模解决方案厂商 Coventor。泛林半导体的营业收入总体呈上升趋势，尤其是 2010 财年以后营收进入快速增长阶段。第一阶段：1987-1993 财年是缓慢增长期，七年内营业收入均保持在 3 亿美元以内。第二阶段：1994-2009 财年是波动增长期，营业收入呈现三次周期性波动，从 5 亿美元增长到 20 亿美元左右，该阶段复合增长率为 6%。第三阶段：2010-2018 财年是快速增长期，营业收入稳定地维持高速增长，八年内从 20 亿美元达到 110 亿美元，该阶段复合增长率高达 23%。经历过2019年行业周期低谷后，2020-2022材料公司恢复快速增长，2023财年增速放缓。除了产品不断升级迭代和外部收购之外，泛林半导体2018年以来快速突破中国大陆市场，带来最近几年的快速增长。公司来源于中国大陆的收入占比2018-2021财年快速提升，从16%提升至25%，之后22-23财年受到出口管制的影响呈现下降趋势，而后在2023年第三季度快速反弹，之前的进口数据同样可以说明，23年下半年以来中国大陆进口海外设备规模快速提升。
