刻蝕是指用化學或物理的方法，有選擇地去除硅表面層材料的過程，其工藝目的是把光刻膠圖形精確的轉移到硅片上，最后達到復制掩模板圖形的目的。刻蝕的微觀機理，可以從字面上拆分：（1）刻，物理作用，宏觀上指用刀刻，微觀上是指有粒子動量（力）去撞；（2）蝕，化學的作用，宏觀上指腐蝕物理，微觀上是指，被激活的分子或原子和目標物質的分子發生反應，異化掉該物質。

    一、刻蝕設備市場規模

    目前刻蝕技術以等離子體干法刻蝕為主導。刻蝕可以分為濕法刻蝕和干法刻蝕，干法刻蝕是目前主流的刻蝕技術，其中以等離子體干法刻蝕為主導。等離子體刻蝕設備原理是利用等離子體放電產生的帶化學活性的粒子，在離子的轟擊下，與表面的材料發生化學反應，產生可揮發的氣體，從而在表面的材料上加工出微觀結構。

    按照刻蝕材料，干法刻蝕包括：1.介質刻蝕，包括氧化硅刻蝕（制作制作接觸孔、通孔），氮化硅刻蝕（形成MOS器件的有源區和鈍化窗口）。介質刻蝕要求刻蝕高深寬比深孔、深槽，同時需要對下層材料有較高的選擇比。2.硅刻蝕，包括多晶硅刻蝕（形成MOS柵電極，是特征尺寸刻蝕）、單晶硅刻蝕（形成IC的STI槽和垂直電容槽），是定義特征尺寸的關鍵工序。對多晶硅刻蝕要求高選擇比，防止柵氧化層穿通，大于150:1；好的均勻性和重復性；高度的各向異性。對單晶硅要求對每個溝槽進行精確的控制，要求有一致的光潔度、接近的垂直側壁、正確的深度和圓滑的溝槽頂角和底角。3.金屬刻蝕。

    包括刻蝕鋁，形成IC的金屬互聯等。

    干法刻蝕的主要內容與刻蝕要求

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    半導體制造業是重資產投入產業，需要大量設備投資，設備投資占整個總體投資比例為70%左右；設備投資中，晶圓處理設備投資額最大，占整體設備投資比例超過80%。2018年晶圓處理設備投資金額占整體設備投資比例達81%，晶圓處理設備中光刻機、刻蝕機和薄膜沉積設備投資金額占比最大，除了光刻機，刻蝕設備價值量最大，占晶圓設備投資的20%左右。

    全球晶圓處理設備市場景氣度向上

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    2018年晶圓處理設備銷售額占總設備銷售額的81%

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    半導體晶圓處理設備價值量占比情況

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    智研咨詢發布的《2020-2026年中國刻蝕設備行業競爭格局分析及投資潛力研究報告》數據顯示：除2008/2009年刻蝕設備銷售額隨著全球經濟形勢出現較大幅度衰退之外，2006年至今，刻蝕設備市場規模一直在60億美元上下波動。全球半導體設備銷售額在2018年創紀錄，2019年重整，預計2020年再創新高。

    全球刻蝕設備市場規模變化

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    中國刻蝕設備市場規模

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    中國半導體投資主力正在改變，中國公司對半導體工廠投資逐漸超越外國公司。從投資方角度看，2017年前，海外國際性公司，如三星、SK海力士、英特爾是國內晶圓工廠建設主力，半導體設備消費也領先于國內其他公司；2017年后，中國公司投資快速增長，預計2019和2020年中國公司對國內晶圓工廠的投資將超越外國公司。

    中/外公司對中國半導體工廠投資額對比

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    二、刻蝕設備呈現趨勢

    1.先進制程與存儲技術推動刻蝕設備投資占比提升。

    一方面，在14納米到10納米、7納米甚至5納米的制程演進中，現在市場上普遍適用色沉浸式光刻機受光波廠的限制，關鍵尺寸無法滿足要求，因此需要通過多次沉積+刻蝕的方式來實現更小的尺寸，多重模板工藝增加了刻蝕設備的需求。同時由于關鍵尺寸的減小，對刻蝕的各種指標的要求也更加苛刻，隨著制程的不斷演進，刻蝕設備的占比近年來也呈現快速提升趨勢。

    另一方面，2D存儲器件線寬接近物理極限，NAND閃存進入3D時代，而3DNAND需要增加堆疊的層數，需要刻蝕加工更深的孔以及更深的挖槽，增加了對刻蝕設備的投資需求。3DNAND中刻蝕設備的支出占比達到50%，遠高于此前工藝NAND的15%。

    刻蝕設備在3DNAND資本開支的份額

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    2.3DNAND要求刻蝕技術實現更高的深寬比

    在平面結構中，對刻蝕設備的要求是滿足精細線寬要求。但在3DNAND中制造工藝中，增加集成度的主要方法不再是縮小單層上線寬而是增加堆疊的層數，對介質刻蝕而言，要在氧化硅和氮化硅一對的疊層結構上，加工40:1到60:1的極深孔或極深的溝槽。3DNAND下，對線寬的要求相對不那么苛刻，而是要求刻蝕設備能穿透多層結構，要求刻蝕技術實現更高的深寬比。

    典型的3DNAND結構示意圖

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    3.刻蝕精度要求提升，推動ICP刻蝕設備占比提升

    刻蝕效果主要包括刻蝕速率和刻蝕精度：（1）刻蝕速率（EtchRate）。用來衡量硅片的產出速度，刻蝕速率越快，產出率越高。提高刻蝕速率要求提高等離子密度。（2）刻蝕精度，主要包括保真度（Profile）、選擇比（Selective）、均勻性（Uniformity）等參數。保真度要求把光刻膠的圖形轉移到其下的薄膜上，即希望只刻蝕所要刻蝕的薄膜，而對其上的掩模和其下的襯底沒有刻蝕。選擇比S=V/U（V為對薄膜的刻蝕速率，U為對掩模或襯底的刻蝕速率），刻蝕薄膜的過程中，掩模或者襯底也會不可避免給刻蝕，只是刻蝕速率不同，S越大選擇比越高。高選擇比在最先進的工藝中為了確保關鍵尺寸和剖面控制是必需的。特別是關鍵尺寸越小，選擇比要求越高。此外，由于跨越整個硅片的薄膜厚度和刻蝕速率不同，從而導致圖形轉移的不均勻，尤其是中心和邊緣相差較大，均勻性成為衡量這一指標的重要參數，刻蝕均勻性與選擇比有密切的關系。

    隨著工藝要求提高，ICP刻蝕由于能實現離子轟擊速度和濃度的分開控制，更好的實現刻蝕速率和刻蝕精度，成為越來越多的選擇。初期刻蝕設備的射頻系統普遍為電容式耦合點射頻系統，為了提高刻蝕速率，通常通過增加RF功率提高電場強度，從而增加離子濃度、加快刻蝕。但離子的能量也會相應增加，損傷硅片表面。為了解決這一問題，半導體設備廠商普遍采用了雙射頻系統設計，就是在原有基礎上，增加一個置于腔體頂部的射頻感應電場來增加離子濃度。該電場加速產生更多離子，但又不直接轟擊硅片。Icp既可以產生很高的等離子體密度，又可以維持較低的離子轟擊能量，解決了高刻蝕速率和高選擇比兩個原來互相矛盾的問題。