在此前IT之家《兵進(jìn)光刻機(jī)，中國芯片血勇突圍戰(zhàn)》一文中，有網(wǎng)友表示除了光刻機(jī)，對刻蝕機(jī)也比較感興趣。
今天汐元就和大家講一講刻蝕機(jī)的那些事吧。
在開始之前先統(tǒng)一一下名稱，“刻蝕機(jī)”和“蝕刻機(jī)”都是正確的叫法。國內(nèi)兩家重要的廠家中微半導(dǎo)體和北方華創(chuàng)用的都是“刻蝕機(jī)”，本文也統(tǒng)一使用“刻蝕機(jī)”。
一、刻蝕機(jī)是用來做什么的
刻蝕機(jī)，顧名思義，對應(yīng)的是芯片制造中的“刻蝕”這一步。
在芯片制造中，“光刻”和“刻蝕”是兩個(gè)緊密相連的步驟，也是非常關(guān)鍵的步驟。
回顧IT之家之前介紹光刻機(jī)的文章，我們知道，“光刻”就相當(dāng)于用投影的方式把電路圖“畫”在晶圓上。注意，這個(gè)時(shí)候，電路圖其實(shí)不是真的被畫在了晶圓上，而是被畫在了晶圓表面的光刻膠上。
光刻膠表層是光阻，一種光敏材料，被曝光后會消解。
而“刻蝕”，才是真正沿著光刻膠表面顯影的圖案，將電路圖刻在晶圓上。
打一個(gè)不怎么精確的比方。
比如我們想在墻上刻出“IT之家”四個(gè)字，我們不是直接操起刀子就刻，而是先在墻上用筆描出“IT之家”的圖案。這一步，是光刻。
接著，我們才拿起刀子，沿著剛才在墻上描出的圖案來雕刻。這一步，是刻蝕。而刻蝕機(jī)，就是專業(yè)干這個(gè)活的。
基于此，我們再來理解刻蝕的準(zhǔn)確定義，就比較容易理解了：
刻蝕，是用化學(xué)或物理方法對襯底表面或表面覆蓋薄膜進(jìn)行選擇性腐蝕或剝離的過程，進(jìn)而形成光刻定義的電路圖形。
在芯片制造中，有三個(gè)核心的環(huán)節(jié)，分別是薄膜沉積、光刻、和刻蝕。
其中，光刻是最復(fù)雜、最關(guān)鍵、成本最高、耗時(shí)最高的環(huán)節(jié)；刻蝕的成本僅次于光刻，重要性也在不斷上升；而薄膜沉積也是必不可少的重要工序，在制造中，為了實(shí)現(xiàn)大型集成電路的分層結(jié)構(gòu)，需要反復(fù)進(jìn)行沉積-刻蝕-沉積的過程。
從下面的圖也可以看出刻蝕在芯片制造中的重要地位。
二、刻蝕機(jī)的技術(shù)細(xì)節(jié)
1、濕法刻蝕和干法刻蝕
從刻蝕的定義和原理上我們知道，它其實(shí)就是在晶圓上刻畫電路圖的過程。
相信這時(shí)候廣大IT之家小伙伴們第一個(gè)想到的問題就是：用什么刻？尖刀？錐子？
哈哈，肯定不可能是用刀子去刻，畢竟這可是納米級別的工藝。
實(shí)際上，刻蝕總體可分兩種技術(shù)方案：濕法刻蝕和干法刻蝕。
所謂濕法刻蝕，很容易理解，就是用液體的化學(xué)試劑去腐蝕、消解晶圓表面我們需要去除的紋理圖案。
▲資料來源：Photofabrication
而干法刻蝕，這部分就比較復(fù)雜了，汐元在后面會重點(diǎn)講。
干法刻蝕，很顯然，用的就不是化學(xué)試劑之類的液體了，它采用的一般是能量束，如離子束、電子束、激光束等等。
而目前用的最多的，是離子束，準(zhǔn)確說是等離子體，將等離子體打到晶圓表面，與晶圓產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或物理反應(yīng)（或者化學(xué)和物理兩種反應(yīng)），達(dá)到刻蝕的目的。
▲等離子刻蝕，資料來源：央視《大國重器》第二季第六集
▲等離子刻蝕，資料來源：Lam Research
目前刻蝕機(jī)領(lǐng)域，采用的主流方案都是干法刻蝕，占比至少90%。
這主要是因?yàn)闈穹涛g存在一些缺陷。
首先，濕法刻蝕因?yàn)樾枰罅繉θ梭w和環(huán)境有害的腐蝕性化學(xué)試劑，所以在大規(guī)模集成電路制造中，正逐漸被淘汰。
其次，濕法刻蝕存在一個(gè)各向同性的問題，意思就是說，因?yàn)闈穹涛g采用的是化學(xué)試劑，是液體，所以在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候，方向性不太好控制，在蝕刻的時(shí)候，可能會把圖案底部周邊的部分也反應(yīng)掉，甚至掏空，這不是人們想看到的。
▲資料來源：國泰君安證券研究
因?yàn)檫@個(gè)問題，濕法刻蝕在次微米級（小于1μm）的半導(dǎo)體中就很難用得上了，得采用干法刻蝕。
干法刻蝕的精準(zhǔn)度高，并且沒有污染物殘留，總之就是更先進(jìn)。
不過，濕法刻蝕也沒有被放棄，因?yàn)槌杀镜?，工藝簡單，所以目前還是會用在一些低端產(chǎn)品或非半導(dǎo)體產(chǎn)品上。
2、干法刻蝕的技術(shù)細(xì)節(jié)
鑒于目前主流的刻蝕機(jī)采用的都是干法刻蝕，而且干法刻蝕的技術(shù)也比較復(fù)雜，所以這里單獨(dú)講，避免廣大IT之家小伙伴們看亂了。
在干法刻蝕中，最主流的方案是采用等離子體，所以我們主要講這一類技術(shù)。
首先我們需要明白什么是等離子體。
中學(xué)物理我們學(xué)過，物質(zhì)是由分子構(gòu)成的，分子是由原子構(gòu)成的，原子是由原子核以及外圍的電子構(gòu)成的。
當(dāng)物質(zhì)被加熱到一定溫度后，原子核外層的電子就會擺脫原子核的束縛，成為自由的電子，而原子失去電子，成為離子。
這個(gè)時(shí)候，物質(zhì)變成了由大量電子、離子以及少量沒有電離的氣體分子和原子組成的類似氣體的物質(zhì)，這就叫等離子體。
等離子體又被稱作電漿，你可以理解為這時(shí)候狀態(tài)就像一團(tuán)漿糊，手動眼斜。
在干法刻蝕中，通常使用含有鹵素原子的等離子體活化氣體，例如氟化氣體的一種，氟化氫。
說到氟化氫，前面講到的濕法刻蝕中用的化學(xué)試劑，最常用的其實(shí)就是高純度的氟化氫水溶液。
關(guān)注時(shí)事的小伙伴可能知道，日本和韓國的貿(mào)易戰(zhàn)還沒結(jié)束。2019年7月，日本曾宣布對韓出口管控的3種關(guān)鍵半導(dǎo)體材料中，就有高純度氟化氫。
在那之前，韓國的高純度氟化氫幾乎100%進(jìn)口自日本。不過，并不是韓國本土沒有生產(chǎn)的高純度氟化氫的技術(shù)，而是長期以來日本的純度更高，并且也形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈。
中國也是如此，生產(chǎn)高純度氟化氫是有能力的，但也需要長時(shí)間的測試和產(chǎn)業(yè)鏈積淀，所以目前還是主要靠進(jìn)口。在這一方面，汐元覺得我們也需要逐步培養(yǎng)自己的產(chǎn)業(yè)鏈，擺脫對日本和歐美的依賴。
這里我們重點(diǎn)講的是氟化氫氣體中產(chǎn)生等離子體的方案。
但其實(shí)，在等離子體刻蝕中，等離子體的產(chǎn)生方法不止這一種。目前主要有ICP（電感耦合等離子體）、CCP（電容耦合等離子體）、還有和ICP差不多的TCP等等，具體的技術(shù)原理太專業(yè)，大家就沒有必要了解了。
值得一說的是，這些技術(shù)都是國外刻蝕機(jī)巨頭企業(yè)們研發(fā)的，但國內(nèi)的主要刻蝕機(jī)設(shè)備供應(yīng)商也都能夠掌握，并有自己的設(shè)備。
還有一種屬于未來的先進(jìn)技術(shù)：原子層刻蝕（ALE），它能夠精密控制被刻蝕的材料量，目前國外的巨頭已經(jīng)有相關(guān)的設(shè)備，國內(nèi)則還在秘密研發(fā)中。
▲原子層刻蝕，資料來源：Lam Research
干法刻蝕的技術(shù)門類除了按的等離子體產(chǎn)生的方法，還有其他的類別之分，這里就不一一說明了。
但需要一說的是，如果根據(jù)被刻蝕的材料不同，又可以分為三種：金屬刻蝕、介質(zhì)刻蝕和硅刻蝕。
其中，金屬蝕刻工藝在連接形成集成電路的各個(gè)部件中起關(guān)鍵作用；介質(zhì)刻蝕的作用則是在絕緣材料中雕刻圖案以將半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電部分分隔開；而硅刻蝕主要用于需要去除硅的場合。
這三種不同的干法刻蝕工藝對于不同的刻蝕機(jī)廠商來說，會各有擅長。這個(gè)我們后面再說。
三、刻蝕機(jī)制造的難點(diǎn)
雖然都是半導(dǎo)體制造的重要工具，但刻蝕機(jī)的制造難度是明顯低于光刻機(jī)的。
目前刻蝕機(jī)的刻蝕精度已經(jīng)顯著超過光刻機(jī)的光刻精度。
不過，這也并不是說刻蝕機(jī)在未來發(fā)展中沒有任何挑戰(zhàn)，更不是任何一個(gè)企業(yè)說造就能造的。
上面汐元已經(jīng)說到干法刻蝕是刻蝕機(jī)的主流，所以這里我們也主要以干法刻蝕為主。
其實(shí)，刻蝕本身并不是一件難事，人類很早就懂得用強(qiáng)酸去刻蝕金屬，現(xiàn)在做玻璃雕刻、金屬雕刻之類的，也需要用到刻蝕。
但是，對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，它的難點(diǎn)在于，工藝制程實(shí)在是太微小、復(fù)雜了。所以，刻蝕機(jī)的技術(shù)難度和半導(dǎo)體工藝是直接相關(guān)的。
總得來說，半導(dǎo)體工藝制程的進(jìn)化和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的更新，是刻蝕機(jī)制造難度增加的主要因素。
因?yàn)榘雽?dǎo)體邏輯電路的不斷微縮，包括技術(shù)本身進(jìn)化的需求，刻蝕工藝在不斷迭代，像Multiple Patterning技術(shù)、基于金屬硬掩模的雙大馬士革工藝等等，這些工藝大家不需要了解，只需要知道它們都提高了刻蝕的難度，增加可刻蝕的步驟，相應(yīng)的，刻蝕機(jī)制造的難度也隨之增加。
還有就是，半導(dǎo)體工藝制程的推進(jìn)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，這些都極大增加了刻蝕的難度。
例如存儲芯片DRAM電路圖形密度增大，刻蝕重復(fù)次數(shù)增加；3D NAND相比2D NAND在垂直方向增加了閃存顆粒的排列堆疊，大大增加了刻蝕步驟和難度；還有Intel在22nm第三代酷睿處理器上開始使用的FinFET工藝，也是讓刻蝕難度增加的“功臣”……
▲3D NAND的刻蝕相當(dāng)復(fù)雜，資料來源：Lam Research
當(dāng)然啦，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一個(gè)上下游聯(lián)動非常密切的產(chǎn)業(yè)，正是因?yàn)檫壿嬰娐分瞥毯徒Y(jié)構(gòu)的不斷升級，才推動了刻蝕機(jī)設(shè)備的不斷迭代，以及市場的不斷繁榮。
四、國產(chǎn)刻蝕機(jī)的發(fā)展情況
從全球角度來看，刻蝕機(jī)市場雖然不像光刻機(jī)市場那樣有ASML這樣一家獨(dú)大的公司，但也相對比較集中。
從一份對2017年全球刻蝕設(shè)備市場份額的統(tǒng)計(jì)中可以看出，美國Lam Research（拉姆研究）占據(jù)了55%的市場份額，第二名東京電子也只有20%，美國的應(yīng)用材料公司排第三。
中國方面，由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)起步比較晚，就刻蝕機(jī)設(shè)備來說，目前國產(chǎn)化率其實(shí)還不高。
以2017年到2018年國內(nèi)存儲產(chǎn)線和代工產(chǎn)線代表企業(yè)長江存儲和華力微電子采購的刻蝕設(shè)備來說，來自國產(chǎn)的設(shè)備分別只有9%和17%。
情況就是這樣，不過，好消息是國內(nèi)的刻蝕機(jī)設(shè)備制造商這幾年正在奮起直追，并且已經(jīng)取得了非?？上驳某晒?/p>
其中有代表性的是上海中微半導(dǎo)體公司和北京的北方華創(chuàng)科技公司。他們在國產(chǎn)刻蝕機(jī)設(shè)備技術(shù)突破方面有重要的貢獻(xiàn)。
在2017年，中微半導(dǎo)體研發(fā)的7nm等離子體刻蝕機(jī)已經(jīng)在國際一流的集成電路生產(chǎn)線上量產(chǎn)使用，而2019年12月，中微半導(dǎo)體CEO尹志堯也曾透露，他們5nm蝕刻機(jī)已經(jīng)得到了臺積電認(rèn)可，將用于臺積電5nm芯片的產(chǎn)線。
▲圖片來源：中微半導(dǎo)體官網(wǎng)
如果僅從刻蝕機(jī)領(lǐng)域來看，這在技術(shù)上確實(shí)也是世界領(lǐng)先的水平了，在中國更是一騎絕塵的存在。
中微半導(dǎo)體在2004年8月于上海成立，董事長尹志堯曾在Intel公司、LAM研究所、應(yīng)用材料公司等公司供職，主攻的就是等離子體刻蝕。中微半導(dǎo)體的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)中，絕大部分也是在硅谷主流半導(dǎo)體公司擔(dān)任過工程師和技術(shù)管理者的資深專家。
▲資料來源：央視《大國重器》第二季第六集
目前，中微半導(dǎo)體在芯片介質(zhì)刻蝕設(shè)備、硅通孔刻蝕設(shè)備、MOCVD設(shè)備三大細(xì)分領(lǐng)域處于世界三強(qiáng)的水平，也是國內(nèi)刻蝕設(shè)備領(lǐng)域毫無疑問的龍頭企業(yè)。
特別是在介質(zhì)刻蝕設(shè)備領(lǐng)域，中微半導(dǎo)體的電容型介質(zhì)刻蝕設(shè)備已進(jìn)入全球這個(gè)市場的前三名，僅次于東京電子和Lam Research。
北方華創(chuàng)方面，它是由北京七星電子和北京北方微電子兩家公司在2015年重組而來，2017年才更名為北方華創(chuàng)。
北方華創(chuàng)旗下有半導(dǎo)體裝備、真空裝備、新能源鋰電設(shè)備及精密元器件四個(gè)事業(yè)群，并非像中微半導(dǎo)體那樣專注于半導(dǎo)體IC和LED的領(lǐng)域。
▲圖片來源：北方華創(chuàng)官網(wǎng)
在刻蝕機(jī)設(shè)備方面，北方華創(chuàng)主要研究的是硅刻蝕和金屬刻蝕方向，其中硅刻蝕機(jī)目前是突破14nm技術(shù)的水平。
▲圖片來源：北方華創(chuàng)官網(wǎng)
值得一提的是，中國第一臺自主研發(fā)的干法刻蝕機(jī)就是北方華創(chuàng)的前身之一北方微電子在2005研發(fā)成功并交付的。
還有，2016年，由北方微電子自主研發(fā)的國內(nèi)首臺12英寸14納米FinFET ICP等離子硅刻蝕機(jī)NMC612D出貨到上海集成電路研發(fā)中心，并在2019年12月成功幫助上海集成電路研發(fā)中心完成了14nm FinFET自對準(zhǔn)雙重圖形相關(guān)工藝的自主開發(fā)。
▲圖片來源：北方華創(chuàng)官網(wǎng)
這里為IT之家小伙伴們解釋一下，14nm FinFET自對準(zhǔn)雙重圖形工藝，是目前主流的14nm FinFET制造中的關(guān)鍵工序，也是由DUV向極紫外光EUV光刻技術(shù)過渡需要用到的關(guān)鍵工藝。在那之前，半導(dǎo)體廠商們在這道工序上還沒有用過國產(chǎn)設(shè)備，NMC612D可以說是填補(bǔ)了空白，也達(dá)到了世界先進(jìn)的水平。
目前，北方華創(chuàng)正在開展10nm刻蝕設(shè)備的研發(fā)進(jìn)程，同時(shí)也在關(guān)注原子層刻蝕（ALE）技術(shù)的研發(fā)。
目前，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正處于一個(gè)大規(guī)模建廠潮中，就國內(nèi)刻蝕設(shè)備市場而言，成長的潛在空間也是巨大的。
▲資料來源：國泰君安證券研究所
國泰君安證券在2018年對刻蝕設(shè)備行業(yè)做的一份報(bào)告中顯示，國內(nèi)刻蝕設(shè)備廠商正面臨20.08億美元的生產(chǎn)需求，加上半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備較低的國產(chǎn)化率以及半導(dǎo)體制造工藝日益復(fù)雜對刻蝕設(shè)備需求的拉動作用，目前國內(nèi)刻蝕機(jī)市場的前景，還是值得看好的。
五、總結(jié)
在IT之家介紹光刻機(jī)的文章中，汐元講到，半導(dǎo)體行業(yè)是一個(gè)必須積跬步才能致千里的領(lǐng)域，哪怕是已經(jīng)“致千里”，也基本沒有什么迎接鮮花和掌聲的時(shí)間，還是要一步一步往前走。這是半導(dǎo)體行業(yè)的特點(diǎn)決定的。
相比光刻機(jī)領(lǐng)域，中國在半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備領(lǐng)域的水平還是很不錯(cuò)的，至少在技術(shù)方面，已經(jīng)接近甚至達(dá)到國際領(lǐng)先的水平。
但是，我們?nèi)匀恍枰潋溄湓?。通過本篇文章的分析，相信大家也能夠看到，盡管在刻蝕設(shè)備技術(shù)方面，我國已經(jīng)達(dá)到了先進(jìn)水平，但是在完整、成熟的產(chǎn)業(yè)鏈體系打造上，我們還有很大的追趕空間。
同時(shí)，客觀上，刻蝕機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)壁壘也并沒有光刻機(jī)那么高，在芯片制造中也并不是絕對主角，從芯片半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的整體看，我們?nèi)匀挥泻荛L的路要走。
而像本文提到的中微半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)等企業(yè)，更應(yīng)該稱為國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)學(xué)習(xí)借鑒的優(yōu)質(zhì)樣本，也愿國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能夠早日突破技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主。
參考
與非網(wǎng)，2019-02-15，《光刻機(jī)VS蝕刻機(jī)：同是芯片制造機(jī)，命運(yùn)分兩極》
曲博科技教室 Drj.Class，2012-10-24，《A3-15刻蝕技術(shù)》
觀察者網(wǎng)，2019-02-13，《專家：國產(chǎn)刻蝕機(jī)很棒，但只是造芯片的“配角”》
國泰君安證券，2018-09-26，《半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備行業(yè)深度報(bào)告》
華泰證券，2018-09-17，《刻蝕設(shè)備：半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化的前沿陣地》
面包芯語，2019-07-19，《NAND漲價(jià)都怪氟化氫，它對半導(dǎo)體制造有什么用？》
北方華創(chuàng)，2017-06-15，《一篇文章讀懂等離子體刻蝕》
全球半導(dǎo)體觀察，2016-08-05，《北方微電子NMC 14納米等離子硅刻蝕機(jī)出貨》
淡江大學(xué)開放式課程，2019-04-14，《半導(dǎo)體制程與設(shè)備》
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