這種半導體設備即將實現100%國產替代！揭秘背后的刻蝕工藝

目前，國內晶圓廠仍在一定程度上依賴國外半導體設備，但在一些細分產品領域，中國本土設備的市占率已相當可觀。

刻蝕設備領域，北方華創和中微公司近年來取得了令人矚目的進展。中微公司的介質刻蝕機已進入臺積電5nm產線，而北方華創則在ICP刻蝕方面表現出色，相關設備已經進入中芯國際的產線驗證階段。

8月初，被譽為 “中國刻蝕機之父”的中微公司董事長尹志堯預計，在未來幾個季度，中國本土CCP刻蝕設備市場，自給率將達到60%，ICP刻蝕設備市場，計劃以同樣快的速度占有中國本土75%的市場份額。

8月25日，據南華早報報道，尹志堯在與分析師舉行的電話會議上表示，中微半導體80%的限制進口零部件可在國內替代，明年下半年實現100%國產！

刻蝕機制造的挑戰與難度

如果說，刻機的工作就好像木匠用墨線在木板上畫線，而刻蝕機的工作則是木匠在木板上按照墨線的痕跡雕花。光刻決定了水平的精度，那么刻蝕就決定了垂直的精度，這兩個工藝都是在挑戰制造的極限。

刻蝕技術作為微電子制造中的重要環節，在集成電路、光學器件、微納加工等領域發揮著關鍵作用。

精密控制：刻蝕過程需要高度精密的控制，以確保在微納尺度下實現準確的結構刻畫。因此制造過程需要嚴格控制參數、溫度、壓力等因素，以保持刻蝕的精確性；

材料選擇：刻蝕機制造要考慮不同材料的適應性，因為不同的材料對刻蝕過程的反應各不相同。同時，材料的選擇也會影響刻蝕機的設計和材質，需要平衡性能、耐用性以及生產成本；

化學反應與物理過程：刻蝕既涉及化學反應，也包括物理過程，如離子束刻蝕、等離子體刻蝕等。將這些復雜的反應與過程結合在一臺設備中，要求綜合考慮不同機制的相互作用，確保刻蝕效果穩定可控；

設備穩定性：刻蝕過程往往需要長時間的運行，因此設備的穩定性和可靠性至關重要。振動、溫度變化、氣壓等外部因素都可能影響刻蝕的結果，因此需要設計穩定的機械結構和精確的控制系統；

維護和保養：刻蝕機作為高科技設備，需要定期的維護和保養，以確保其長期穩定運行。維護人員需要具備專業知識，能夠及時發現并解決設備中的問題，以降低生產中斷的風險。

根據等離子體產生和控制技術的不同，又分為電容耦合等離子體 CCP刻蝕機和電感耦合等離子體ICP刻蝕機。

目前，全球刻蝕設備市場呈現壟斷格局，泛林半導體、東京電子和應用材料公司占據主要市場份額。其中泛林半導體占據46.7%的市場份額，東京電子和應用材料分別占據26.6%和16.7%。我國刻蝕設備廠商中微公司和北方華創分別占1.4%和0.9%。

什么是刻蝕？

刻蝕是利用化學或者物理的方法將晶圓表面附著的不必要的材質進行去除的過程。刻蝕工藝順序位于鍍膜和光刻之后，即在晶圓上先將用于刻畫電路的材料進行薄膜沉積，其上沉積光刻膠。

光刻機和刻蝕機的用途，很多人不是太清楚。簡單的來說，光刻機又叫掩模對準曝光機，就是用光將掩膜上的電路結構復制到硅片上，刻蝕機很多人喜歡叫蝕刻機，這樣和光刻機就一字之差，更好的理解。刻蝕機就是把復制到硅片上的電路結構進行微雕，雕刻出溝槽和接觸點，好讓線路能夠放進去，這就是刻蝕機最牛的地方。

刻蝕的材質包括硅及硅化物、氧化硅、氮化硅、金屬及合金、光刻膠等，刻蝕按照被刻蝕材料劃分，主要分為硅刻蝕、介質刻蝕以及金屬刻蝕，其中介質刻蝕與硅刻蝕機占比分別為 49%和 48%，金屬刻蝕占比僅為3%。通過有針對性的對特定材質進行刻蝕，才能使得晶圓制造不同的步驟所制造的電路之間相互影響降至最低，使芯片產品具有良好的性能。

按照刻蝕工藝劃分，主要分為干法刻蝕以及濕法刻蝕，干法刻蝕主要利用反應氣體與等離子體進行刻蝕，濕法刻蝕工藝主要是將刻蝕材料浸泡在腐蝕液內進行腐蝕。目前來看，干法刻蝕在半導體刻蝕中占據絕對主流地位，市場占比達到95%。事實上，成為主流工藝方式是有原因的，干法刻蝕的最大優勢在于能夠實現各向異性刻蝕，即刻蝕時可控制僅垂直方向的材料被刻蝕，而不影響橫向材料，從而保證細小圖形轉移后的保真性。濕法刻蝕由于刻蝕方向的不可控性，導致其在高制程很容易降低線寬寬度，甚至破壞線路本身設計，導致生產芯片品質變差。

近年來全球刻蝕機市場規模有顯著提升，原因有二：第一，全球半導體產線資本開支提升，尤其是我國近年來建設大量晶圓廠以及存儲產線，帶來大量刻蝕機需求；第二，制程提升帶動刻蝕機加工時長提升，對刻蝕機本身需求增長。由于光刻機在20nm 以下光刻步驟受到光波長度的限制，因此無法直接進行光刻與刻蝕步驟，而是通過多次光刻、刻蝕生產出符合人們要求的更微小的結構。


刻蝕工藝的特性

“刻蝕”工藝具有很多重要的特性。所以，在了解具體工藝之前，有必要先梳理一下刻蝕工藝的重要術語，請見下圖：

第一個關鍵術語就是“選擇比”，該參數用于衡量是否只刻蝕了想刻蝕的部分。在反應過程中，一部分光刻膠也會被刻蝕，因此在實際的刻蝕工藝中，不可能100%只刻蝕到想移除的部分。一個高選擇比的刻蝕工藝，便是只刻蝕了該刻去的部分，并盡可能少地刻蝕到不應該刻蝕材料的工藝。

第二個關鍵詞，就是“方向的選擇性”。顧名思義，方向的選擇性是指刻蝕的方向。該性質可分為等向性（Isotropic）和非等向性（Anisotropic）刻蝕兩種：等向性刻蝕沒有方向選擇性, 除縱向反應外，橫向反應亦同時發生；非等向性刻蝕則是借助具有方向性的離子撞擊來進行特定方向的刻蝕，形成垂直的輪廓。試想一個包裹糖果的包裝袋漏了一道口子，如果把整塊糖連包裝袋一起放入水中，一段時間后，糖果就會被溶解。可如果只向破口處照射激光，糖果就會被燒穿，形成一個洞，而不是整塊糖果被燒沒。前一現象就好比等向性刻蝕，而后一現象就如同非等向性刻蝕。

第三個關鍵詞，就是表明刻蝕快慢的“刻蝕速率（Etching Rate）”。如果其他參數不變，當然速率越快越好，但一般沒有又快又準的完美選擇。在工藝研發過程中，往往需要在準確度等參數與速率間權衡。比如，為提高刻蝕的非等向性，需降低刻蝕氣體的壓力，但降壓就意味著能夠參與反應的氣體量變少，這自然就會帶來刻蝕速率的放緩。

最后一個關鍵詞就是“均勻性”。均勻性是衡量刻蝕工藝在整片晶圓上刻蝕能力的參數，反映刻蝕的不均勻程度。刻蝕與曝光不同，它需要將整張晶圓裸露在刻蝕氣體中。該工藝在施加反應氣體后去除副產物，需不斷循環物質，因此很難做到整張晶圓的每個角落都是一模一樣。這就使晶圓不同部位出現了不同的刻蝕速率。


濕法刻蝕和干法刻蝕的優缺點

濕法刻蝕因為使用液體速度更快，每分鐘去除的深度更大，但不會形成類似于直方的結構。濕法刻蝕會均勻地刻蝕所有方向，從而導致橫向方向上的損耗，而對于CD小型化應該避免這種現象。相反，干法刻蝕可以在某一特定方向上進行切割，使得實現理想中納米（nm）級的超精細圖案輪廓。

此外，濕法刻蝕會產生環境污染，因為使用過的液體溶液需在此工藝完成后進行丟棄處理。相比之下，采用干法刻蝕時，排放管線中會布置洗滌器，這能夠在向大氣中排放廢氣之前經過中和過程，從而減少對環境的影響。

然而，由于晶圓上方數多層復雜地纏繞在一起，所以在采用干法刻蝕過程中很難瞄準某一特定的層（膜）。在針對某一特定層進行刻蝕時，采用濕法刻蝕會更容易進行，因為它采用化學反應進行刻蝕。而在進行選擇性刻蝕時使用干法并不容易，因為需要結合物理和化學技術。


選干法還是選濕法？

首先，根據芯片產品的制程要求，如果只有干法刻蝕能勝任刻蝕任務，選干法；如果干濕法刻蝕都能勝任的，一般選濕法，因為濕法較經濟；如果想精確控制線寬或刻垂直/錐形角度，則選干法。

當然還有一些特殊的結構是必須要用濕法刻蝕的。比如MEMS中刻硅的倒金字塔結構，則只能用濕法刻蝕來完成。