本文来自微信公众号“半导体产业纵横”，【作者】丰宁。
“它不是光刻机，但重要性仅次于光刻机。”“蚀刻技术将取代光刻成为芯片制造核心。”
半导体市场的两则言论，直接将刻蚀设备的热潮推向高点。
01
光刻机，不再是唯一解
上述言论中的后一句，来自英特尔的一位高管。
目前，ASML的极紫外（EUV）光刻机是制造高端芯片（如7nm及以下节点）的关键设备。
然而，该董事认为，像环绕栅极场效应晶体管（GAAFET）和互补场效应晶体管（CFET）这样的新型设计，将显著增加光刻之后制造步骤（特别是刻蚀技术）的重要性，从而削弱光刻在整体工艺中的主导地位。
具体来看，新型晶体管设计的核心在于“包裹”栅极结构（GAAFET）或堆叠晶体管组（CFET）。这种三维结构的复杂性对精确刻蚀提出了更高要求。为了从各个方向“包裹”栅极或创建堆叠结构，芯片制造商需要更精细地、特别是横向地去除晶圆上的多余材料。
因此，该董事指出，未来的重点可能从单纯依赖光刻机缩小特征尺寸，转向更复杂、更关键的刻蚀工艺。
半导体设备市场的下一个风口将吹向哪里？答案或许藏在刻蚀设备的技术突破里。
那么刻蚀技术在当前的芯片制造中正在发挥哪些作用？在未来的芯片制造中又需要怎样的刻蚀技术？
02
刻蚀设备，逆袭的黑马
在全球晶圆制造中，光刻、刻蚀和薄膜沉积技术被称为半导体制造的“三驾马车”。这三者的价值量占比分别为22%、21%和21%。
光刻环节将电路图形转移到覆盖于硅片表面的光刻胶上，通过光照和显影实现。
刻蚀环节是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程，其基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形。
如果将光刻机简单比喻为芯片电路中的“投影仪”，那么刻蚀机便可视为芯片结构的"雕刻刀”。
03
刻蚀设备，两大重要应用
刻蚀设备的重要性，正从两个维度清晰显现。
这不是突发的行业热点，而是制造逻辑演变的必然。
第一点，随着制程节点的缩小，刻蚀工艺的复杂性正呈现指数级增长。
中微公司董事长尹志尧曾表示：“14nm以下芯片，刻蚀机的作用越来越重要。”
因为尽管是光刻机，也并非“常胜将军”，它也存在它的极限。目前EUV光刻机的波长限制在13.5nm，它做出来的线条只能做到14nm，10nm、7nm、5nm芯片要通过多重模版的方法，把20nm光刻机线条翻版成两个10nm线条，再翻版成5nm的线条，这一过程中，刻蚀设备作用巨大。
当芯片制程来到0.5nm以下，尽管是EUV光刻机，也难以为继。
SEMI数据显示，在芯片制造流程里，从65nm制程演进至7nm制程，光刻步骤数量仅增加了约30%，但刻蚀步骤数量却激增了超过300%。足以见得，如今的刻蚀环节已不再仅仅是光刻之后的辅助工序，而是成为决定芯片性能、良品率及先进制程实现的核心环节。
第二点，刻蚀设备的应用贯穿半导体制造全流程，尤其在逻辑芯片、存储芯片（如DRAM、3D NAND）及先进封装中发挥关键作用。
如今，随着集成电路2D存储器件的线宽已接近物理极限，NAND闪存已进入3D时代。而在3D NAND存储芯片制造中，每片晶圆的刻蚀工序占比从2D NAND时代的约25%提升至如今超过50%。这清晰表明，随着芯片从平面走向立体堆叠，“雕刻”工序的复杂度和重要性不亚于“投影”工序。
同理，先进封装技术也对刻蚀设备提出更高的诉求。比如在Chiplet集成中，刻蚀设备需同时处理硅、介质与金属多种材料，其选择性刻蚀能力（如对铜的刻蚀速率是介质的100倍以上）直接决定了不同芯粒间的互联良率。
04
国产刻蚀设备，已有佼佼者
目前，由于刻蚀工艺复杂、技术壁垒高，全球刻蚀设备市场集中度高。国际巨头泛林科技、应用材料和东京电子等占据市场的主导地位。
按照刻蚀方式分类，刻蚀设备可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀由于刻蚀的精度较低，在制程不断微缩的情境下，逐渐被干法刻蚀取代，在部分制程要求不太精密的芯片上在使用湿法刻蚀。
按照被刻蚀材料划分，主要分为硅刻蚀、介质刻蚀以及金属刻蚀。不同的刻蚀材质其所使用的刻蚀机差距较大。
对中国半导体而言，光刻机的价值毋庸置疑，刻蚀机的分量同样不可轻估。
对于国产芯片制造来说，FinFET工艺仍是先进制程的主流选择。受限于部分设备性能，国内先进制程要实现更小尺寸，不得不依赖多重曝光技术—这一现实，正让刻蚀技术及相关设备的需求与重要性持续攀升。
目前国内已有两大半导体设备公司崭露头角，分别为北方华创和中微公司。
北方华创作为半导体设备领域的平台型企业，其半导体设备品类数量在国内同类型厂商中位居前列，覆盖光胶处理、刻蚀、清洗、热处理、化学气相沉积、物理气相沉积等多个集成电路生产环节。中微半导体则不同，属于半导体专业型设备商，其半导体设备仅聚焦刻蚀工艺环节。
在具体的刻蚀设备上，这两家公司也各有侧重。北方华创主营硅刻蚀设备，中微半导体专攻介质刻蚀设备。
若论刻蚀设备细分赛道的热门公司，中微公司的看点相对较多。其在CCP、ICP设备领域均拥有强大的产品实力，部分产品已经进入海外产线，批量应用于5nm及以下先进制程生产线。
但是从整个半导体设备市场来看，北方华创的关注度则更高。
至于国产半导体市场，需要何种刻蚀设备？又对这些半导体设备公司提出了哪些要求？
目前，国产半导体对刻蚀设备的需求主要呈现两大特征，分别为：“全链条覆盖”与“尖端突破”。
在技术维度，既需要能覆盖成熟制程全流程的综合型设备能力——如支持14nm及以上逻辑芯片、3D NAND存储芯片制造的ICP/CCP刻蚀设备，以满足国内晶圆厂大规模扩产对稳定供应链的需求；更渴求突破5nm及以下先进制程的尖端设备，尤其是在高深宽比刻蚀（深宽比≥90:1）、原子层刻蚀等关键技术上实现自主可控，从而摆脱对多重曝光工艺的过度依赖，支撑FinFET向更先进架构演进。
上述这几点，中微公司已展开布局。
从应用场景看，需求呈现明显的分层特征：成熟制程领域需要高性价比、高稳定性的设备，以适配汽车电子、工业控制等领域的大规模生产；先进封装与Chiplet集成领域则要求设备支持不同工艺的高精度加工；而逻辑芯片前沿制程更依赖刻蚀设备的“选择性刻蚀”与“三维结构加工”能力，以满足GAAFET、CFET等新型器件对微观结构的严苛要求。
在这一点上，北方华创与中微公司均在持续突破。
05
刻蚀设备，后起之秀
近日，在半导体刻蚀设备市场，迎来一位“后起之秀”。
7月8日，屹唐半导体正式在科创板敲响上市钟声。
屹唐半导体前身为美国应用材料公司旗下的半导体湿法设备业务部门，2015年通过国产化收购重组成立，目前已形成刻蚀、薄膜沉积、快速热处理等三大类核心设备产品线，客户覆盖中芯国际、以及国内两大存储芯片龙头。
该公司干法刻蚀设备起步较晚，占主营收入比重不足15%，但作为国内为数不多可以量产刻蚀设备的厂商，2021~2023年市占率始终为全球前十。
屹唐半导体已进入三星、SK海力士国际大厂供应链。此外，其自主研发的14nm刻蚀设备已通过客户端验证。
屹唐股份副总裁兼财务总监谢妹在近期举办的投资者交流会上表示，该公司干法刻蚀设备处于市场开拓阶段，毛利率尚处于相对较低的水平。随着公司技术逐步突破，在不断通过客户端验证后，干法刻蚀设备可以按照市场价格逐步形成规模化的销售，毛利率水平及毛利金额占比相较以前年度均有所提升。
06
原子层刻蚀，未来已来
至于未来的芯片制造中将需要何种刻蚀技术？
随着半导体技术的发展，芯片关键尺寸不断缩小，FinFET和三维NAND闪存等复杂三维结构对刻蚀工艺提出了高精度、低损伤和高选择性的要求。传统干法刻蚀技术在这些方面已难以满足需求，而原子层刻蚀（Atomic Layer Etching,ALE）作为一种高精度原子尺度微加工技术，逐渐成为半导体制造中的关键技术之一。
这一技术的特性与英特尔所提及的未来芯片制造趋势也高度契合。
早在2018年，业内专家就曾对刻蚀设备的未来发展做出清晰预测。
Richard Gottscho博士曾表示，如今晶体管微缩面临的最大挑战是均匀性问题。例如：把一个10纳米的芯片进行微缩，它的均匀度要求通常在10%，即要维持在1个纳米；同样的原理应用到3纳米上，10%就是0.3纳米，就是三个埃，也就是一个原子的尺寸。
也就是说，未来我们需要对工厂里的产品在原子尺寸上进行毫无差别的掌控，并保证其结果一致，这就是最大的挑战。从晶圆制造的过程看，过往的沉积和刻蚀技术已无法发挥原有的作用，探索新的解决方案成为了厂商工作的重点，而包括原子层刻蚀在内的原子层技术就是其中的一个选择。
那么什么是原子层刻蚀？
ALE能够将刻蚀精确到一个原子层（相当于0.4nm），要求刻蚀过程均匀地、逐个原子层地进行，并停止在适当的时间或位置，从而获得极高的刻蚀选择率。
不仅如此，ALE刻蚀速率的微负载（Microloading）效应也因为自饱和效应的保证而几乎为零——不论在反应快的部位还是反应慢的部位，每个周期仅完成一个原子层的刻蚀。另外，ALE所用到的等离子体相当弱，有的甚至采用远程等离子体源，等离子体携带的紫外辐射和电荷量都很小，因此对器件的电学损伤非常小。
凭借精确的刻蚀控制、良好的均匀性、微小的负载效应等优点，ALE越来越受到重视，重新成为研究热点。不过，目前ALE的应用还处于初级阶段，相应的设备也仍不成熟。
在这一技术的产业化进程中，国际厂商已先行布局。泛林对ALE的布局已持续十年：2014年在Sematech研讨会上定义ALE工艺，2016年推出Flex系列系统，实现业界首个用于高产量制造的等离子体增强ALE（PE-ALE）功能，推动该技术进入商业化应用的新阶段。
国内头部刻蚀设备公司也及时捕捉到这一趋势。中微公司关于原子层刻蚀的相关研究进程未曾公布。但北方华创在2019年就曾披露其自主研发的原子层刻蚀设备成功进入行业知名客户的生产线，为国产设备在先进制造、高端装备领域的突破再添助力。
07
结语
当光刻的“极限”逐渐显现，刻蚀设备正从芯片制造的“关键配角”走向舞台中央。从英特尔高管预言刻蚀技术将提升权重，到3D NAND、GAAFET等新型结构对刻蚀精度提出原子级要求，这条赛道的热度并非偶然，而是半导体制造逻辑演进的必然结果。
国内市场已给出清晰答案：中微公司在介质刻蚀领域的尖端突破、北方华创在全链条设备上的平台优势、屹唐半导体作为后起之秀的快速拓展，共同勾勒出国产刻蚀设备的“梯队成长”格局。它们的竞争与协作，既在回应成熟制程扩产的规模化需求，也在攻坚5nm以下先进制程、原子层刻蚀等技术高地。
