国产刻蚀机的“突围”之路

半导体产业三大生产工艺环节分为：IC设计（电路与逻辑设计）、IC制造（前道工序）和IC封装与测试环节（后道工序）。IC制造环节又分为晶圆制造和晶圆加工两部分。晶圆加工则是指在制备晶圆材料上构建完整的集成电路芯片的过程，包含镀氧化、扩散、退火、离子注入、薄膜沉积、光刻、刻蚀、化学机械平坦化（CMP）等十余道工艺，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%。光刻机已经成为最具关注的话题，其实刻蚀机同为其中重要的一环。刻蚀是在衬底上留下需要的图形电路。刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀，当前干法刻蚀是主流工艺；在干法刻蚀中，反应离子刻蚀应用最广泛。按照被刻蚀材料划分，等离子体刻蚀机分为硅刻蚀机、介质刻蚀机和金属刻蚀机；其中，介质刻蚀与硅刻蚀机分别占比49%以及48%，金属刻蚀仅占3%（数据来源：《半导体系列深度报告：刻蚀设备：最优质半导体设备赛道，技术政策需求多栖驱动》）。

从公开信息可以看到，中国刻蚀设备的工艺节点已经达到5nm，并得到台积电的验证，追赶上主流半导体的步伐；在市场表现上看，国际大厂在中国市场的份额从最初几乎垄断到2019年下降至77%；北方华创的硅刻蚀机、金属刻蚀机，中微公司的介质刻蚀机在国内均已牢牢占据一席之地，并成功进军国际市场。

5nm的刻蚀机照片（中微官网）

曾经让人“绝望”的国际巨头

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。

上世纪70年代，半导体产业大发展，伴随着半导体产业的快速起步发展，相应的半导体设备公司也纷纷成立。1980年泛林半导体公司成立，凭借着对先进技术和产品的单纯追求，第二年便推出了第一款刻蚀机产品—AutoEtch，并于第四年在纳斯达克上市。90年代，泛林将业务拓展到CVD和显示面板领域，反而分散了公司的业务焦点，最终却适得其反市值暴跌。痛定思痛，泛林半导体将研发重心放在刻蚀设备领域，2007年后在刻蚀设备领域终于无可撼动。

应用材料公司成立于1967年，是全球最大的半导体设备公司。公司位于美国硅谷，拥有极强的研发能力，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。1981年应用材料克服了超大规模集成电路离子刻蚀的技术难题，进入刻蚀设备领域，开启了现代刻蚀时代。

1963年，久保德雄和小高敏夫在东京创立了东京电子研究所，注册资本500万日元，员工6人。1968年，东京电子与Thermco Products Corp.合并，成为日本第一家半导体制造设备厂商。1975年，东京电子决定专注于半导体制造设备。1981年，东京电子成为了最顶级半导体制造设备厂商。1989年，半导体制造设备营收额全球第一，并连续三年蝉联冠军，至1991年。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）。

这些巨头都成立于上世纪60-80年代，伴随着半导体产业起步和发展而壮大，积累了强大的技术研发团队和专利壁垒，成为了刻蚀设备领域让人“绝望”的国际巨头。

美国禁运下的“成功突围”

为了阻挠中国半导体产业发展，美国对半导体关键设备实施了禁运，其中包括了等离子体刻蚀机的禁运。从此中国刻蚀机领域开始了漫漫“突围”路。

2004年，尹志尧和16位同仁一起，从美国回到中国，在上海浦东创建了中微。尹志尧曾在硅谷Intel公司、LAM研究所、应用材料公司等电浆蚀刻供职16年。尹志尧曾发起硅谷中国工程师协会并担任主席。尹志尧在硅谷工作的时候，其团队让公司占据全球将近一半的市场，并且在半导体行业拥有多项专利。

为追赶国际先进水平，中微公司成立后采用了全员持股的激励制度，吸引了来自世界各地具有丰富经验的半导体设备专家，形成了技术精湛、勇于创新、专业互补的国际化人才研发队伍，并始终保持大额的研发投入和较高的研发投入占比，2019年净利润同比增长108% 研发投入占营收比为21.81%。

2007年，中微公司首台甚高频去耦合等离子体刻蚀设备Primo D-RIE研制成功。作为中微第一代电介质刻蚀产品，在同年的日本半导体博览会上发布，是12英寸双反应台多反应腔主机系统，用于65nm到16nm技术节点，可以灵活配置多大三个双反应台反应腔。每个反应腔都可以在单晶圆反应环境下，同时加工两片晶圆。刻蚀设备采用了双反应台技术增加了产能输出，可以有效降低客户的成本，相较于同类产品具有很高的性价比优势。

2011年，中微第二代电介质刻蚀产品Primo AD-RIE刻蚀设备研制成功，可用于45nm到14nm后段制程以及10nm前段应用的开发。同时，中微通过建立全球化的采购体系，与供应商密切合作，制造出模块化、易维护、具有成本竞争优势的产品；其通过科学的方法管理库存，有效地降低了公司的运营成本。

2013年，CCP刻蚀设备产品Primo SSC AD-RIE刻蚀设备研制成功，可用于40-7nm工艺。三代刻蚀设备，不断迭代，产品线覆盖了多个制程的微观器件的众多刻蚀应用。

半导体设备产业的波动要大于半导体芯片产业的波动，更大于 GDP 的波动。仅靠单一的设备产品来发展的企业无法抵御市场波动带来的不确定性。为此，中微公司的半导体设备实现了多产品覆盖，2010年，首台深硅刻蚀设备产品研制成功；2012年首台MOCVD设备产品研制成功，产品覆盖集成电路、MEMS、LED 等不同的下游半导体应用市场。

在中微的主要产品线刻蚀设备方面，国际巨头泛林科技、东京电子和应用材料均实现了硅刻蚀、介质刻蚀、金属刻蚀的全覆盖，他们占据了全球干法刻蚀机市场的90%以上份额。即便如此，中微还是在介质刻蚀领域实现了突围，将产品打入台积电、联电、中芯国际等芯片生产商的40多条生产线，并实现了量产。

不同于中微公司从介质刻蚀机入手，北方华创选择从硅刻蚀机入手。在国家02专项的支持下，北方华创在硅刻蚀机领域不断实现突破，先进制程工艺一路上扬，28nm，22nm都实现了突破。

国产刻蚀机的不断突破，最终使得美国在2015年解除了对中国的刻蚀机禁运。国产刻蚀设备的不断进步终于突破了美国的封锁。

“与狼共舞”勇夺“世界三强”一席

伴随着美国解除对中国的刻蚀机禁运，国产刻蚀设备也开始进入国际市场并与世界刻蚀机巨头展开了激烈的竞争。而国内市场也迎来了激烈的角逐。

面对来势汹汹的国际半导体设备巨头，中微公司进一步加大研发投入，提前布局。在2016年成功研制出首台ICP刻蚀设备产品Primo nanova，这是中微基于ICP开发的第一代产品，适用于14-7nm工艺技术节点。可以配置多达6个刻蚀反应腔和两个可选的去胶腔。之后不断改进设备，2018年改进Primo AD-RIE并进入5nm生产线，至今仍不断引领国内半导体设备和技术的发展。目前中微公司在介质刻蚀领域在世界上已获得一席之地，成为介质刻蚀领域的世界三强企业。

于此同时，北方华创也在刻蚀机领域实现了节节突破，2016年研发出了14nm工艺的硅刻蚀机。虽然金属刻蚀市场很小，但在2017年11月，北方华创研发的中国首台适用于8英寸晶圆的金属刻蚀机，也成功搬入中芯国际的产线，这个也是有重大突破意义的。

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