1.基本原理

前道的晶圆加工包括十余道工艺，有氧化、扩散、退火、离子注入、薄膜沉积、光刻、刻蚀、化学机械平坦化（CMP）等。其中最关键的三类主设备是光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备，价值占前道设备的近70%。

刻蚀工艺顺序位于镀膜和光刻之后。简单来说，刻蚀机的作用就好像是雕刻中的刻刀一样，利用光学-化学反应原理和化学、物理等刻蚀方法，将晶圆表面附着的不必要的材质进行去除，留下的就是晶圆所需要的材质和附着在其上的光刻胶。然后再多次重复上述步骤，就可得到构造复杂的集成电路。

按照刻蚀工艺划分，其主要分为干法刻蚀以及湿法刻蚀。由于干法刻蚀可以实现各向异性刻蚀，符合现阶段半导体制造的高精准、高集成度的需求，因此在小尺寸的先进工艺中，基本采用干法刻蚀工艺，导致干法刻蚀机在半导体刻蚀市场中占据绝对主流地位。

而按照被刻蚀材料划分，可以分为硅刻蚀、介质刻蚀以及金属刻蚀。目前由于下游的需求场景较多，介质刻蚀机与硅刻蚀机的市场占比较高，成为市场主流。

2.刻蚀与光刻的区别

有些对工艺不熟悉的业者，很容易将刻蚀机与光刻机混淆。事实上，这两款设备的工序和作用完全不同。

业界有个简单的比喻：如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻机是打草稿的画笔，刻蚀机是雕刻刀，沉积的薄膜则是用来雕刻的基础材料。光刻的精度直接决定了电路的走向和尺寸，而刻蚀和薄膜沉积的精度则决定了光刻的尺寸能否实际加工。

原理说来简单，但设备的实际研发难度还是很高的。不仅因为芯片制造工序多、精度要求高，还因为电路之间是立体存在的，上下堆叠、左右间隔，而宽度也小到纳米级别，其结构放大无数倍来看比整个北京城的街道都复杂。

全球刻蚀设备的竞争格局

近年来全球刻蚀机市场规模有显著提升。从SEMI的数据来看（图1），2016年以来全球刻蚀机市场持续增长，其中2018年市场规模已经超过百亿美元，达到103亿美元，同比增长11.96%。预计2019年全球刻蚀设备市场仍会以十位数以上的同比增速发展。

刻蚀设备市场规模显著提升的原因有多方面，其中最关键的两点：一是全球半导体产线资本开支提升，尤其是中国近年来建设大量晶圆厂以及存储产线，带来大量刻蚀机需求；二是由于晶圆代工以及存储产线工艺优化，带来刻蚀工艺需求的持续提升，进而对刻蚀机本身需求增长。

市场的强健增长，自然会吸引不少厂商来分一杯羹。但事实上，刻蚀机与大多数半导体设备一样，一直以来就是一个高度集中的行业，市场高度垄断。

1.国际巨头的成长路径

根据预测，2019年全球刻蚀机市场份额由三家国际厂商瓜分，来自美国硅谷的泛林半导体（Lam Research）占53%，位于日本的东京电子东京电子（Tokyo Electron）占19%，同样是美国硅谷的应用材料（Applied Materials）占18%。尽管近年来刻蚀行业的后起之秀如雨后春笋，但这三家国际巨头仍共占全球九成以上的市场份额。

总体来看，这些国际巨头通常专注某一领域做大做强，再并购整合其他业务，从而日积月累拥有较高的市场份额。

（1）泛林半导体

1980年华人工程师David Lam创办了Lam Research。从公司名就可以看出，泛林具有与生俱来的研发基因。凭借对最先进技术和产品的单纯追求，泛林在创办第二年就推出了第一款刻蚀机产品——AutoEtch；第四年便在纳斯达克IPO上市。

但“巨大的成功”也让公司过早地走向了多样化的道路。在90年代，泛林将业务拓展至CVD和FPD（显示面板）领域。这并没有让公司做大做强，反而分散了公司的业务焦点。泛林的市值从1995年的30亿美金跌到了1998年的4.5亿美金。

痛定思痛！1998年后，泛林将重心重新放在了刻蚀设备优势的夯实上，同时兼顾多产品的研发，最终逐步走出阴霾。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。2019年泛林全年营收约95亿美元。

（2）应用材料

同样位于美国硅谷的应用材料也具有极强的研发能力。官方资料显示，应用材料每年在研发上投入20亿美元，团队成员中30%为专业研发人员，平均每天（包括星期六和星期日）要申请四个以上的新专利。

作为半导体设备领域的老大哥，应用材料在1974年通过收购企业，将业务拓展至硅片制造领域后，也经历了连续三年亏损的“滑铁卢”。 所幸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，公司才重回增长轨道。直到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，成为拥有产品线最全面的半导体设备龙头。2019年应用材料的营收为146亿美元。

（3）东京电子

东京电子是日本第一家半导体制造设备厂商，最初的定位是实现国产化。虽然东京电子的成长路径远不如前两家波澜壮阔，但它们对于研发的投入绝不缩水。2018财年东京电子研发费用约1200亿日元（约合80亿人民币）。

足以见得，在半导体设备行业中，相比于全平台式布局，深耕细作的策略更具成效。因为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，甚至更容易地影响客户对其他设备的采购。

2.中国厂商后来居上

事实上，我国企业在入局刻蚀设备之初，一定程度上参照了国际巨头的成长模式，集中力量专注于某一领域的研究。目前来看，刻蚀机尤其是介质刻蚀机，是我国最具优势的半导体设备领域，也是国产替代占比最高的重要半导体设备之一。

此外，国内存储产线的大举兴建以及“大基金”的持续投入，预计刻蚀设备有望率先完成国产替代。

一方面，以长江存储、紫光集团、合肥长鑫、福建晋华等为代表的国内存储企业正不断扩大相关产线，在各类设备采购上有大量的资本支出，并且越来越青睐于国产设备。例如长江存储在介质刻蚀机、氧化设备、清洗设备等都有高于15%的采购比例。

另一方面，虽然“大基金”一期投资相对集中在晶圆制造（代工）、芯片设计等中游领域，但国内主要的刻蚀设备企业均得到大基金一期投资，因此业界均期待大基金随后在刻蚀设备领域的投资。

值得提醒的是，5nm刻蚀机的成功并不意味着国产5nm芯片可实现全面量产。因为刻蚀的前一道工序——光刻，其国产设备仍然处于90 nm光刻的水平，与世界最先进的7nm制程相距甚远。因此，想要打造一个全制程国产化的 “中国芯”，光刻与刻蚀工艺的齐头并进尤为重要。