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科普|半导体刻蚀设备国产化

作为半导体制造工艺的核心设备之一,刻蚀设备也是掌握半导体市场命脉的关键点。然而,根据Gartner数据显示,刻蚀设备由Lam Research、TEL、AMAT三大巨头把控,合计全球市场占有率高达91%。国内刻蚀设备虽然占比甚微,但好在有所依托。当前,中国刻蚀设备国产化重任由中微公司、北方华创、屹唐半导体共同担起,根据三方数据,2020年国内刻蚀龙头中微公司、北方华创的刻蚀业务都取得了较高收入增长。

刻蚀原理及分类

刻蚀是用化学、物理或两者结合的方法有选择地去除没有被抗蚀剂掩蔽的薄膜层,从而将图形从光刻胶转移到待刻蚀的薄膜上。按照工艺划分,刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀,由于湿法刻蚀在小尺寸及复杂结构应用中的局限性,当前市场应用以干法刻蚀为主,市占率高达90%以上。湿法刻蚀是用液体化学剂去除衬底表面的材料,各向异性差,随着器件特征尺寸缩小、结构愈加复杂,刻蚀精度难以保证。目前,湿法刻蚀主要用于清洗干法刻蚀残留物。干法刻蚀则是利用等离子体实现化学或物理反应来实现刻蚀。

按照刻蚀材料划分,刻蚀可分为介质刻蚀、硅刻蚀和金属刻蚀。

刻蚀设备技术发展方向

电容性等离子体刻蚀CCP:将施加在极板上的射频或直流电源通过电容耦合的方式在反应腔内形成等离子。能量高、精度低,主要用于介质材料刻蚀。

电感性等离子体刻蚀ICP:将射频电源的能量经由电感线圈,以磁场耦合的形式进入反应腔内部,从而产生等离子体并用于刻蚀。能量低、精度高,主要用于硅刻蚀和金属刻蚀。

电子回旋共振刻蚀ECR:使用带电粒子在磁场中回旋转动获得能量,继而电子碰撞增加产生高密度的等离子体。

变压器耦合等离子体源TCP:TCP原理与ICP相似,区别是ICP为立体式电感线圈,而TCP为平面式。

ALE原子层刻蚀:通过一系列自限制反应去除单个原子层,颗将刻蚀精度精确到一个原子层,即0.4nm,具有超高选择率和均匀性,且微负载效应可以忽略不计。

刻蚀设备市场趋势

近年来,5G、AIoT等新兴技术合力推动下,产业智能化进程加速,下游应用市场需求迸发,拉动着全球半导体需求放量上涨,反向驱动上游半导体制造设备需求和技术更迭。据方正证券报告预计,全球晶圆制造设备(WFE)市场规模将达到850亿美元量级。根据SEMI数据显示,预计至2025年,全球刻蚀设备市场规模将增长至155亿美元,年复合增长率约为5%。全球半导体成长空间有望进一步拉大,刻蚀设备市场规模也将随之进一步提升。

随着先进制程线宽进一步缩小,对包括刻蚀在内的半导体制造技术对精确度和重复性有着更高的要求。单论刻蚀技术,速率、各向异性、刻蚀偏差等指标都将成为影响芯片制造良率的因素,刻蚀设备的重要性日益突显。

近年来,国产设备厂商迈入技术迅速发展、市场生态拓宽的全新发展期,国产设备逐渐受到产业链上下游的认可和采纳。虽然国产半导体设备已经逐渐走上发展正轨,但国产化率仍然处于较低水平,技术和产业生态建设距离国际水准也还存在着不小的差距。据国盛证券估算,中国刻蚀市场需求预计在200亿元以上,国产化率不超过20%,仍然拥有较大的国产替代空间。

国内刻蚀设备龙头

中微公司

中微公司CCP刻蚀设备已经顺利交付1500台,ICP设备也已累计交付100台反应腔。CCP刻蚀设备包括双反应台Primo AD-RIE和单反应台HD-RIE,广泛应用于国际一线客户从65nm至5nm、64层及128层3D NAND晶圆产线及先进封装生产线。

北方华创

自2005年第一台8英寸ICP刻蚀机进入生产线,北方华创ICP刻蚀机已经取得国内领先地位。截至2020年底,北方华创ICP刻蚀机交付突破1000台。而2017年,该公司8英寸金属刻蚀设备进入国内主流代工产线,打破了8英寸刻蚀机长期由国际垄断的局面。

屹唐半导体

屹唐半导体产品包括干法刻蚀设备paradigmE系列,可用于65nm到5nm逻辑芯片、10nm系列DRAM芯片以及32层到128层闪存芯片制造中若干关键步骤的大规模量产。

参考资料:

1.半导体刻蚀机研究框架

2.半导体设备系列:刻蚀主赛道,有望加速导入国产设备


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