大年夜国重器之国产刻蚀机：中国芯片燎原火_半导体_光刻

本日汐元就和大家讲一讲刻蚀机的那些事吧。

在开始之前先统一一下名称，“刻蚀机”和“蚀刻机”都是精确的叫法。
海内两家主要的厂家中微半导体和北方华创用的都是“刻蚀机”，本文也统一利用“刻蚀机”。

刻蚀机，顾名思义，对应的是芯片制造中的“刻蚀”这一步。

在芯片制造中，“光刻”和“刻蚀”是两个紧密相连的步骤，也是非常关键的步骤。

回顾IT之家之前先容光刻机的文章，我们知道，“光刻”就相称于用投影的办法把电路图“画”在晶圆上。
把稳，这个时候，电路图实在不是真的被画在了晶圆上，而是被画在了晶圆表面的光刻胶上。

光刻胶表层是光阻，一种光敏材料，被曝光后会消解。

而“刻蚀”，才是真正沿着光刻胶表面显影的图案，将电路图刻在晶圆上。

打一个不怎么精确的比方。

比如我们想在墙上刻出“IT之家”四个字，我们不是直接操起刀子就刻，而是先在墙上用笔描出“IT之家”的图案。
这一步，是光刻。

接着，我们才拿起刀子，沿着刚才在墙上描出的图案来雕刻。
这一步，是刻蚀。
而刻蚀机，便是专业干这个活的。

基于此，我们再来理解刻蚀的准确定义，就比较随意马虎理解了：

刻蚀，是用化学或物理方法对衬底表面或表面覆盖薄膜进行选择性堕落或剥离的过程，进而形成光刻定义的电路图形。

在芯片制造中，有三个核心的环节，分别是薄膜沉积、光刻、和刻蚀。

个中，光刻是最繁芜、最关键、本钱最高、耗时最高的环节；刻蚀的本钱仅次于光刻，主要性也在不断上升；而薄膜沉积也是必不可少的主要工序，在制造中，为了实现大型集成电路的分层构造，须要反复进行沉积-刻蚀-沉积的过程。

从下面的图也可以看出刻蚀在芯片制造中的主要地位。

二、刻蚀机的技能细节

1、湿法刻蚀和干法刻蚀

从刻蚀的定义和事理上我们知道，它实在便是在晶圆上刻画电路图的过程。

相信这时候广大IT之家小伙伴们第一个想到的问题便是：用什么刻？尖刀？锥子？

哈哈，肯定不可能是用刀子去刻，毕竟这可是纳米级别的工艺。

实际上，刻蚀总体可分两种技能方案：湿法刻蚀和干法刻蚀。

所谓湿法刻蚀，很随意马虎理解，便是用液体的化学试剂去堕落、消解晶圆表面我们须要去除的纹理图案。

▲资料来源：Photofabrication

而干法刻蚀，这部分就比较繁芜了，汐元在后面会重点讲。

干法刻蚀，很显然，用的就不是化学试剂之类的液体了，它采取的一样平常是能量束，如离子束、电子束、激光束等等。

而目前用的最多的，是离子束，准确说是等离子体，将等离子体打到晶圆表面，与晶圆产生化学反应或物理反应（或者化学和物理两种反应），达到刻蚀的目的。

▲等离子刻蚀，资料来源：央视《大国重器》第二季第六集

▲等离子刻蚀，资料来源：Lam Research

目前刻蚀机领域，采取的主流方案都是干法刻蚀，占比至少90%。

这紧张是由于湿法刻蚀存在一些毛病。

首先，湿法刻蚀由于须要大量对人体和环境有害的堕落性化学试剂，以是在大规模集成电路制造中，正逐渐被淘汰。

其次，湿法刻蚀存在一个各向同性的问题，意思便是说，由于湿法刻蚀采取的是化学试剂，是液体，以是在进行化学反应的时候，方向性不太好掌握，在蚀刻的时候，可能会把图案底部周边的部分也反应掉，乃至掏空，这不是人们想看到的。

▲资料来源：国泰君安证券研究

由于这个问题，湿法刻蚀在次微米级（小于1μm）的半导体中就很难用得上了，得采取干法刻蚀。

干法刻蚀的精准度高，并且没有污染物残留，总之便是更前辈。

不过，湿法刻蚀也没有被放弃，由于本钱低，工艺大略，以是目前还是会用在一些低端产品或非半导体产品上。

2、干法刻蚀的技能细节

鉴于目前主流的刻蚀机采取的都是干法刻蚀，而且干法刻蚀的技能也比较繁芜，以是这里单独讲，避免广大IT之家小伙伴们看乱了。

在干法刻蚀中，最主流的方案是采取等离子体，以是我们紧张讲这一类技能。

首先我们须要明白什么是等离子体。

中学物理我们学过，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是由原子核以及外围的电子构成的。

当物质被加热到一定温度后，原子核外层的电子就会摆脱原子核的束缚，成为自由的电子，而原子失落去电子，成为离子。

这个时候，物质变成了由大量电子、离子以及少量没有电离的气体分子和原子组成的类似气体的物质，这就叫等离子体。

等离子体又被称作电浆，你可以理解为这时候状态就像一团浆糊，手动眼斜。

在干法刻蚀中，常日利用含有卤素原子的等离子体活化气体，例如氟化气体的一种，氟化氢。

说到氟化氢，前面讲到的湿法刻蚀中用的化学试剂，最常用的实在便是高纯度的氟化氢水溶液。

关注时势的小伙伴可能知道，日本和韩国的贸易战还没结束。
2019年7月，日本曾宣告对韩出口管控的3种关键半导体材料中，就有高纯度氟化氢。

在那之前，韩国的高纯度氟化氢险些100%入口自日本。
不过，并不是韩国本土没有生产的高纯度氟化氢的技能，而是长期以来日本的纯度更高，并且也形成了完全的家当链。

中国也是如此，生产高纯度氟化氢是有能力的，但也须要永劫光的测试和家当链积淀，以是目前还是紧张靠入口。
在这一方面，汐元以为我们也须要逐步培养自己的家当链，摆脱对日本和欧美的依赖。

这里我们重点讲的是氟化氢气体中产生等离子体的方案。

但实在，在等离子体刻蚀中，等离子体的产生方法不止这一种。
目前紧张有ICP（电感耦合等离子体）、CCP（电容耦合等离子体）、还有和ICP差不多的TCP等等，详细的技能事理太专业，大家就没有必要理解了。

值得一说的是，这些技能都是国外刻蚀机巨子企业们研发的，但海内的紧张刻蚀机设备供应商也都能够节制，并有自己的设备。

还有一种属于未来的前辈技能：原子层刻蚀（ALE），它能够精密掌握被刻蚀的材料量，目前国外的巨子已经有干系的设备，海内则还在秘密研发中。

▲原子层刻蚀，资料来源：Lam Research

干法刻蚀的技能门类除了按的等离子体产生的方法，还有其他的种别之分，这里就不一一解释了。

但须要一说的是，如果根据被刻蚀的材料不同，又可以分为三种：金属刻蚀、介质刻蚀和硅刻蚀。

个中，金属蚀刻工艺在连接形成集成电路的各个部件中起关键浸染；介质刻蚀的浸染则是在绝缘材料中雕刻图案以将半导体器件的导电部分分别隔；而硅刻蚀紧张用于须要去除硅的场合。

这三种不同的干法刻蚀工艺对付不同的刻蚀机厂商来说，会各有善于。
这个我们后面再说。

虽然都是半导系统编制造的主要工具，但刻蚀机的制造难度是明显低于光刻机的。

目前刻蚀机的刻蚀精度已经显著超过光刻机的光刻精度。

不过，这也并不是说刻蚀机在未来发展中没有任何寻衅，更不是任何一个企业说造就能造的。

上面汐元已经说到干法刻蚀是刻蚀机的主流，以是这里我们也紧张以干法刻蚀为主。

实在，刻赔本身并不是一件难事，人类很早就懂得用强酸去刻蚀金属，现在做玻璃雕刻、金属雕刻之类的，也须要用到刻蚀。

但是，对付半导体家当来说，它的难点在于，工艺制程实在是太眇小、繁芜了。
以是，刻蚀机的技能难度和半导体工艺是直接干系的。

总得来说，半导体工艺制程的进化和设计构造的更新，是刻蚀机制造难度增加的紧张成分。

由于半导体逻辑电路的不断微缩，包括技能本身进化的需求，刻蚀工艺在不断迭代，像Multiple Patterning技能、基于金属硬掩模的双大马士革工艺等等，这些工艺大家不须要理解，只须要知道它们都提高了刻蚀的难度，增加可刻蚀的步骤，相应的，刻蚀机制造的难度也随之增加。

还有便是，半导体工艺制程的推进，其设计构造也越来越繁芜，这些都极大增加了刻蚀的难度。

例如存储芯片DRAM电路图形密度增大，刻蚀重复次数增加；3D NAND比较2D NAND在垂直方向增加了闪存颗粒的排列堆叠，大大增加了刻蚀步骤和难度；还有Intel在22nm第三代酷睿处理器上开始利用的FinFET工艺，也是让刻蚀难度增加的“元勋”……

▲3D NAND的刻蚀相称繁芜，资料来源：Lam Research

当然啦，半导体家当是一个高下游联动非常密切的家当，正是由于逻辑电路制程和构造的不断升级，才推动了刻蚀机设备的不断迭代，以及市场的不断繁荣。

从环球角度来看，刻蚀机市场虽然不像光刻机市场那样有ASML这样一家独大的公司，但也相比拟较集中。

从一份对2017年环球刻蚀设备市场份额的统计中可以看出，美国Lam Research（拉姆研究）霸占了55%的市场份额，第二名东京电子也只有20%，美国的运用材料公司排第三。

中国方面，由于半导体家当起步比较晚，就刻蚀机设备来说，目前国产化率实在还不高。

以2017年到2018年海内存储产线和代工产线代表企业长江存储和华力微电子采购的刻蚀设备来说，来自国产的设备分别只有9%和17%。

情形便是这样，不过，好是海内的刻蚀机设备制造商这几年正在奋起直追，并且已经取得了非常可喜的成果。

个中有代表性的是上海中微半导体公司和北京的北方华创科技公司。
他们在国产刻蚀机设备技能打破方面有主要的贡献。

在2017年，中微半导体研发的7nm等离子体刻蚀机已经在国际一流的集成电路生产线上量产利用，而2019年12月，中微半导体CEO尹志尧也曾透露，他们5nm蚀刻机已经得到了台积电认可，将用于台积电5nm芯片的产线。

▲图片来源：中微半导体官网

如果仅从刻蚀机领域来看，这在技能上确实也是天下领先的水平了，在中国更是一骑绝尘的存在。

中微半导体在2004年8月于上海成立，董事长尹志尧曾在Intel公司、LAM研究所、运用材料公司等公司供职，主攻的便是等离子体刻蚀。
中微半导体的创业团队中，绝大部分也是在硅谷主流半导体公司担当过工程师和技能管理者的资深专家。

▲资料来源：央视《大国重器》第二季第六集

目前，中微半导体在芯片介质刻蚀设备、硅通孔刻蚀设备、MOCVD设备三大细分领域处于天下三强的水平，也是海内刻蚀设备领域毫无疑问的龙头企业。

特殊是在介质刻蚀设备领域，中微半导体的电容型介质刻蚀设备已进入环球这个市场的前三名，仅次于东京电子和Lam Research。

北方华创方面，它是由北京七星电子和北京北方微电子两家公司在2015年重组而来，2017年才更名为北方华创。

北方华创旗下有半导体装备、真空装备、新能源锂电设备及精密元器件四个奇迹群，并非像中微半导体那样专注于半导体IC和LED的领域。

▲图片来源：北方华创官网

在刻蚀机设备方面，北方华创紧张研究的是硅刻蚀和金属刻蚀方向，个中硅刻蚀机目前是打破14nm技能的水平。

▲图片来源：北方华创官网

值得一提的是，中国第一台自主研发的干法刻蚀机便是北方华创的前身之一北方微电子在2005研发成功并交付的。

还有，2016年，由北方微电子自主研发的海内首台12英寸14纳米FinFET ICP等离子硅刻蚀机NMC612D出货到上海集成电路研发中央，并在2019年12月成功帮助上海集成电路研发中央完成了14nm FinFET自对准双重图形干系工艺的自主开拓。

▲图片来源：北方华创官网

这里为IT之家小伙伴们阐明一下，14nm FinFET自对准双重图形工艺，是目前主流的14nm FinFET制造中的关键工序，也是由DUV向极紫外光EUV光刻技能过渡须要用到的关键工艺。
在那之前，半导体厂商们在这道工序上还没有用过国产设备，NMC612D可以说是补充了空缺，也达到了天下前辈的水平。

目前，北方华创正在开展10nm刻蚀设备的研发进程，同时也在关注原子层刻蚀（ALE）技能的研发。

目前，中国半导体家当正处于一个大规模建厂潮中，就海内刻蚀设备市场而言，发展的潜在空间也是巨大的。

▲资料来源：国泰君安证券研究所

国泰君安证券在2018年对刻蚀设备行业做的一份报告中显示，海内刻蚀设备厂商正面临20.08亿美元的生产需求，加上半导体刻蚀设备较低的国产化率以及半导系统编制造工艺日益繁芜对刻蚀设备需求的拉动浸染，目前海内刻蚀机市场的前景，还是值得看好的。

在IT之家先容光刻机的文章中，汐元讲到，半导体行业是一个必须积跬步才能致千里的领域，哪怕是已经“致千里”，也基本没有什么欢迎鲜花和掌声的韶光，还是要一步一步往前走。
这是半导体行业的特点决定的。

比较光刻机领域，中国在半导体刻蚀设备领域的水平还是很不错的，至少在技能方面，已经靠近乃至达到国际领先的水平。

但是，我们仍旧须要戒骄戒躁。
通过本篇文章的剖析，相信大家也能够看到，只管在刻蚀设备技能方面，我国已经达到了前辈水平，但是在完全、成熟的家当链体系打造上，我们还有很大的追赶空间。

同时，客不雅观上，刻蚀机领域的技能壁垒也并没有光刻机那么高，在芯片制造中也并不是绝对主角，从芯片半导体家当的整体看，我们仍旧有很长的路要走。

而像本文提到的中微半导体、北方华创等企业，更该当称为海内半导体行业学习借鉴的优质样本，也愿海内半导体家当能够早日打破技能封锁，实现独立自主。

参考