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大国重器之国产刻蚀机:中国芯片燎原火

2020/2/12 18:30:07来源:IT之家作者:汐元责编:汐元评论:

在此前IT之家《兵进光刻机,中国芯片血勇突围战》一文中,有网友表示除了光刻机,对刻蚀机也比较感兴趣。

今天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”都是正确的叫法。国内两家重要的厂家中微半导体和北方华创用的都是“刻蚀机”,本文也统一使用“刻蚀机”。

一、刻蚀机是用来做什么的

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之家之前介绍光刻机的文章,我们知道,“光刻”就相当于用投影的方式把电路图“画”在晶圆上。注意,这个时候,电路图其实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,就是专业干这个活的。

基于此,我们再来理解刻蚀的准确定义,就比较容易理解了:

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腐蚀或剥离的过程,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。

其中,光刻是最复杂、最关键、成本最高、耗时最高的环节;刻蚀的成本仅次于光刻,重要性也在不断上升;而薄膜沉积也是必不可少的重要工序,在制造中,为了实现大型集成电路的分层结构,需要反复进行沉积-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重要地位。

二、刻蚀机的技术细节

1、湿法刻蚀和干法刻蚀

从刻蚀的定义和原理上我们知道,它其实就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就是: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术方案:湿法刻蚀和干法刻蚀。

所谓湿法刻蚀,很容易理解,就是用液体的化学试剂去腐蚀、消解晶圆表面我们需要去除的纹理图案。

▲资料来源:Photofabrication

而干法刻蚀,这部分就比较复杂了,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,它采用的一般是能量束,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,采用的主流方案都是干法刻蚀,占比至少90%。

这主要是因为湿法刻蚀存在一些缺陷。

首先,湿法刻蚀因为需要大量对人体和环境有害的腐蚀性化学试剂,所以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,意思就是说,因为湿法刻蚀采用的是化学试剂,是液体,所以在进行化学反应的时候,方向性不太好控制,在蚀刻的时候,可能会把图案底部周边的部分也反应掉,甚至掏空,这不是人们想看到的。

▲资料来源:国泰君安证券研究

因为这个问题,湿法刻蚀在次微米级(小于1μm)的半导体中就很难用得上了,得采用干法刻蚀。

干法刻蚀的精准度高,并且没有污染物残留,总之就是更先进。

不过,湿法刻蚀也没有被放弃,因为成本低,工艺简单,所以目前还是会用在一些低端产品或非半导体产品上。

2、干法刻蚀的技术细节

鉴于目前主流的刻蚀机采用的都是干法刻蚀,而且干法刻蚀的技术也比较复杂,所以这里单独讲,避免广大IT之家小伙伴们看乱了。

在干法刻蚀中,最主流的方案是采用等离子体,所以我们主要讲这一类技术。

首先我们需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,通常使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,最常用的其实就是高纯度的氟化氢水溶液。

关注时事的小伙伴可能知道,日本和韩国的贸易战还没结束。2019年7月,日本曾宣布对韩出口管控的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几乎100%进口自日本。不过,并不是韩国本土没有生产的高纯度氟化氢的技术,而是长期以来日本的纯度更高,并且也形成了完整的产业链。

中国也是如此,生产高纯度氟化氢是有能力的,但也需要长时间的测试和产业链积淀,所以目前还是主要靠进口。在这一方面,汐元觉得我们也需要逐步培养自己的产业链,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。

但其实,在等离子体刻蚀中,等离子体的产生方法不止这一种。目前主要有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,具体的技术原理太专业,大家就没有必要了解了。

值得一说的是,这些技术都是国外刻蚀机巨头企业们研发的,但国内的主要刻蚀机设备供应商也都能够掌握,并有自己的设备。

还有一种属于未来的先进技术:原子层刻蚀(ALE),它能够精密控制被刻蚀的材料量,目前国外的巨头已经有相关的设备,国内则还在秘密研发中。

▲原子层刻蚀,资料来源:Lam Research

干法刻蚀的技术门类除了按的等离子体产生的方法,还有其他的类别之分,这里就不一一说明了。

但需要一说的是,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。

其中,金属蚀刻工艺在连接形成集成电路的各个部件中起关键作用;介质刻蚀的作用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隔开;而硅刻蚀主要用于需要去除硅的场合。

这三种不同的干法刻蚀工艺对于不同的刻蚀机厂商来说,会各有擅长。这个我们后面再说。

三、刻蚀机制造的难点

虽然都是半导体制造的重要工具,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挑战,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,所以这里我们也主要以干法刻蚀为主。

其实,刻蚀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,也需要用到刻蚀。

但是,对于半导体产业来说,它的难点在于,工艺制程实在是太微小、复杂了。所以,刻蚀机的技术难度和半导体工艺是直接相关的。

总得来说,半导体工艺制程的进化和设计结构的更新,是刻蚀机制造难度增加的主要因素。

因为半导体逻辑电路的不断微缩,包括技术本身进化的需求,刻蚀工艺在不断迭代,像Multiple Patterning技术、基于金属硬掩模的双大马士革工艺等等,这些工艺大家不需要了解,只需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。

还有就是,半导体工艺制程的推进,其设计结构也越来越复杂,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相比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使用的FinFET工艺,也是让刻蚀难度增加的“功臣”……

▲3D NAND的刻蚀相当复杂,资料来源:Lam Research

当然啦,半导体产业是一个上下游联动非常密切的产业,正是因为逻辑电路制程和结构的不断升级,才推动了刻蚀机设备的不断迭代,以及市场的不断繁荣。

四、国产刻蚀机的发展情况

从全球角度来看,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,但也相对比较集中。

从一份对2017年全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)占据了55%的市场份额,第二名东京电子也只有20%,美国的应用材料公司排第三。

中国方面,由于半导体产业起步比较晚,就刻蚀机设备来说,目前国产化率其实还不高。

以2017年到2018年国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%。

情况就是这样,不过,好消息是国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。

其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术突破方面有重要的贡献。

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使用,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,这在技术上确实也是世界领先的水平了,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、应用材料公司等公司供职,主攻的就是等离子体刻蚀。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任过工程师和技术管理者的资深专家。

▲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世界三强的水平,也是国内刻蚀设备领域毫无疑问的龙头企业。

特别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全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事业群,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,北方华创主要研究的是硅刻蚀和金属刻蚀方向,其中硅刻蚀机目前是突破14nm技术的水平。

▲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就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国内首台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心,并在2019年12月成功帮助上海集成电路研发中心完成了14nm FinFET自对准双重图形相关工艺的自主开发。

▲图片来源:北方华创官网

这里为IT之家小伙伴们解释一下,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光刻技术过渡需要用到的关键工艺。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可以说是填补了空白,也达到了世界先进的水平。

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)技术的研发。

目前,中国半导体产业正处于一个大规模建厂潮中,就国内刻蚀设备市场而言,成长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,国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体制造工艺日益复杂对刻蚀设备需求的拉动作用,目前国内刻蚀机市场的前景,还是值得看好的。

五、总结

在IT之家介绍光刻机的文章中,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”,也基本没有什么迎接鲜花和掌声的时间,还是要一步一步往前走。这是半导体行业的特点决定的。

相比光刻机领域,中国在半导体刻蚀设备领域的水平还是很不错的,至少在技术方面,已经接近甚至达到国际领先的水平。

但是,我们仍然需要戒骄戒躁。通过本篇文章的分析,相信大家也能够看到,尽管在刻蚀设备技术方面,我国已经达到了先进水平,但是在完整、成熟的产业链体系打造上,我们还有很大的追赶空间。

同时,客观上,刻蚀机领域的技术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,从芯片半导体产业的整体看,我们仍然有很长的路要走。

而像本文提到的中微半导体、北方华创等企业,更应该称为国内半导体行业学习借鉴的优质样本,也愿国内半导体产业能够早日突破技术封锁,实现独立自主。

参考

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