半导体设备刻蚀从湿法转向干法,是全球晶圆制造工艺演进的核心脉络之一。当前全球干法刻蚀设备市场高度集中,泛林半导体(拉姆研究)、东京电子、应用材料三家合计份额约90%,其中泛林半导体以46.71%的份额居首;中国厂商中微公司全球份额约1.37%,但在中国大陆市场占有率达20%,北方华创在大陆市场约占6%,国产替代已取得实质性进展,但在先进制程领域仍处于追赶阶段。
从湿法到干法:技术迭代的必然
刻蚀工艺在晶圆制造中紧随光刻之后,目的是将电路图形从光刻胶转移到硅片表面。行业发展早期,湿法刻蚀是主流,利用溶液与材料发生化学反应实现去除,优点是工艺简单、成本低、产能高,但溶液反应没有方向性,刻蚀时会钻蚀侧面导致制程失真,且制程越缩小影响越明显。因此,干法刻蚀(等离子体刻蚀)逐渐成为主导,目前湿法刻蚀占比仅约10%,多用于清洗环节。
干法刻蚀内部又分为两大技术路线:电感性等离子体刻蚀(ICP)和电容性等离子体刻蚀(CCP)。两者最根本的差异在于刻蚀对象不同——硅刻蚀对精确度要求高,一般使用ICP;介质材料(氧化硅、氮化硅)硬度高,需要高离子能量,一般使用CCP。两种设备应用占比接近(ICP约43%、CCP约42%),但ICP单机价值更高,市场规模明显大于CCP。
全球格局:三巨头主导,国产厂商突围
全球干法刻蚀设备市场集中度极高。从市场份额看,泛林半导体占46.71%、东京电子占25.57%、应用材料占16.96%,三家合计约90%,泛林半导体在全球和大陆市场的占比都达到50%左右。
中国大陆市场呈现类似格局但国产化率明显提升:
| 厂商 | 大陆市场份额 |
|---|---|
| 泛林半导体 | 52% |
| 中微公司 | 20% |
| 东京电子 | 9% |
| 北方华创 | 6% |
| 应用材料 | 5% |
| 其他 | 8% |
中微公司是国产刻蚀设备的代表性厂商,其传统优势在CCP领域,制程工艺从65nm一路提升至5nm,覆盖约七成介质刻蚀应用,并进入台积电7nm和5nm产线,是唯一进入台积电供应链的国产刻蚀设备厂商。公司独创的双反应台技术可同时刻蚀两块晶圆,为客户节省约35%的原材料。在CCP领域,中微公司仍有短板,主要是用于逻辑芯片的大马士革刻蚀和用于3D存储芯片的高深宽比刻蚀,这两块目前仍由国外设备公司主导。此外,中微公司已从2012年起布局ICP设备,单台机产品自2020年起获得客户重复订单,双台机也已进入市场,制程上达到28nm,并正在研发面向5nm逻辑芯片及更先进内存芯片的下一代ICP产品。
北方华创是国内设备品类最全的平台性龙头企业,在刻蚀领域专注于硅刻蚀(ICP)和金属刻蚀,核心设备制程达到28nm,14nm工艺处于验证阶段,ICP设备累计出货量已超过1000台。
常见问题
干法刻蚀为什么能取代湿法刻蚀?
因为湿法刻蚀的溶液反应没有方向性,在刻蚀时会钻蚀侧面导致产品制程失真,且制程越缩小影响越明显。干法刻蚀用等离子体放电产生的活性粒子轰击硅片表面并反应生成可挥发气体,能精确控制刻蚀方向,满足先进制程对精度的要求。
中微公司和北方华创的刻蚀设备有何不同?
两家公司的产品路线差异明显:中微公司的核心产品是CCP(电容性等离子体刻蚀),覆盖65nm至5nm制程,主要面向介质刻蚀;北方华创则深耕ICP(电感性等离子体刻蚀),主要用于硅刻蚀和金属刻蚀,核心制程达28nm。近年来中微公司已切入ICP赛道,未来将与北方华创形成正面竞争。
国产刻蚀设备与国外巨头差距有多大?
从全球份额看差距仍然显著:中微公司全球份额约1.37%,而泛林半导体达46.71%。但在中国大陆市场,中微公司份额已达20%,北方华创约6%,国产替代进展明显。在先进制程方面,中微公司CCP设备已进入台积电5nm产线,但ICP设备在14nm/7nm制程仍处于验证阶段,5nm/3nm尚在研发中,追赶仍需时间。