芯片的雕刻刀！揭秘走在国产替代前列的刻蚀设备

来源:小仙女发布时间:2021-08-201039浏览

光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备是芯片制造过程中的三大核心设备，如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻机是打草稿的画笔，刻蚀机是雕刻刀，沉积的薄膜则是构成作品的材料。光刻的精度直接决定了元器件刻画的尺寸，刻蚀和薄膜沉积的精度则决定了光刻的尺寸能否实际加工，因此光刻、刻蚀和薄膜沉积设备是芯片加工过程中最重要的三类主设备，价值占前道设备的近 70%。

在高端光刻领域，浸没式光刻是干法光刻的替代技术，新旧技术的替代带来了光刻机的完全垄断。ICP 刻蚀并不是 CCP刻蚀的替代技术，而是各有所长，侧重了不同工艺步骤，新旧技术共存形成了刻蚀领域的寡头竞争。光刻机的技术瓶颈推动刻蚀市场发展。在光刻技术停滞不前的情况下，想要继续提升制程大体有两个思路，即双重光刻+刻蚀，或多重薄膜+刻蚀，无论用哪种思路都离不开刻蚀步骤的增加。芯片设计的变化带来刻蚀设备需求的提升，近几年来 3D NAND 等新结构的应用导致在存储器制造过程中刻蚀步骤大幅增加。

半导体设备推动芯片制造业的发展

1、半导体设备推动摩尔定律的实现

半导体是指在某些条件下导电某些条件下不导电的一类材料，生活中常用“半导体”一词来泛指半导体电子元器件。集成电路是最重要的一类半导体器件，又称为芯片。

1906 年美国人德·福雷斯特（Lee De Forest）发明了世界上第一个真空三极管，1947 年贝尔实验室发明了固态晶体管，1957 年位于美国加州的仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）制造出第一个商用平面晶体管。1959 年，仙童公司和德州仪器公司（Texas Instruments）分别在硅片和锗片上完成了微缩电路的制造，集成电路就此诞生。

自问世以来，单个芯片上集成的元件数量不断增长。1965 年英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）提出，在价格不变的情况下一块集成电路上可容纳的元器件的数目将每 18-24 个月增加一倍，性能也将提升一倍，这就是著名的摩尔定律。自 20 世纪 60 年代到 21 世纪的前十几年，摩尔定律完美诠释了集成电路的发展历程。

摩尔定律的背后是半导体设备的不断精进。集成电路多以单晶硅为基底材料，成千上万的元器件和导线经过一些列工艺被“雕刻”在硅片上，完成这些“雕刻”步骤的工具就是半导体设备。“雕刻”精度的提升带来元器件尺寸的缩小，现今的晶工艺尺寸是以纳米级计量的。集合了全球顶尖制造技术的半导体设备在过去半个世纪中不断推动着人类工业文明的进步。

▲单个芯片集成元件数量的演进

2、不同的设备在芯片制造过程中分工明确

半导体设备主要可以分为前道设备和后道设备，前道设备是指晶圆加工设备，后道设备是指封装测试设备。前道设备完成芯片的核心制造，后道设备完成芯片的包装和整体性能测试，因此前道设备通常技术难度更高。

▲晶圆加工过程示意图

前道的晶圆加工工艺包括氧化、扩散、退火、离子注入、薄膜沉积、光刻、刻蚀、化学机械平坦化（CMP）等，这些工艺并不是单一顺序执行，而是在制造每一个元件时选择性地重复进行。一个完整的晶圆加工过程中，一些工序可能执行几百次，整个流程可能需要上千个步骤，通常耗时六到八个星期。这些工艺的大体作用如下：

氧化、退火工艺的主要作用是使材料的特定部分具备所需的稳定性质；

扩散、离子注入工艺的主要作用是使材料的特定区域拥有半导体特性或其他需求的物理化学性质；

薄膜沉积工艺（包括 ALD、CVD、PCD 等）的主要作用是在现有材料的表明制作新的一层材料，用以后续加工；

光刻的作用是通过光照在材料表面以光刻胶留存的形式标记出设计版图（掩膜版）的形态，为刻蚀做准备；

刻蚀的作用是将光刻标记出来应去除的区域通过物理或化学的方法去除，以完成功能外形的制造；

CMP 工艺的作用是对材料进行表面加工，通常在沉积和刻蚀等步骤之后；

清洗的作用是清除上一工艺遗留的杂质或缺陷，为下一工艺创造条件；

量测的作用主要是晶圆制造过程中的质量把控。

集成电路就在沉积、光刻、刻蚀、抛光等步骤的不断重复中成型，整个制造工艺环环相扣，任一步骤出现问题，都可能造成整个晶圆不可逆的损坏，因此每一项工艺的设备要求都很严格。

如果把芯片比作一幅平面雕刻作品，那么光刻机是打草稿的画笔，刻蚀机则是雕刻刀，沉积的薄膜则是用来雕刻的材料。光刻的精度直接决定了元器件刻画的尺寸，而刻蚀和薄膜沉积的精度则决定了光刻的尺寸能否实际加工，因此光刻、刻蚀和薄膜沉积设备是芯片加工过程中最重要的三类主设备，占前道设备的近 70%。

▲典型晶圆加工厂的厂房区域布局

后道设备可以分为封装设备和测试设备，其中封装设备包括划片机、装片机、键合机等，测试设备包括中测机、终测机、分选机等。

后道设备的功能较易理解，划片机将整个晶圆切割成单独的芯片颗粒，装片机和键合机等完成芯片的封装，测试设备则负责各个阶段的性能测试和良品筛选。

3、半导体设备市场高度集中

根据日本半导体制造业协会统计，2018 年全球半导体设备销售额为 645 亿美元。世界半导体贸易统计协会（WSTS）的数据显示，2018 年全球半导体销售额为 4688 亿元，其中集成电路 3633亿元；2019 年由于存储器降价明显，全球半导体销售额下滑为 4090 亿美元，其中集成电路 3304 亿美元。近些年来半导体设备的销售额与集成电路销售额的波动大体同步，也体现了行业资本投资存在一定周期性。

▲全球半导体设备销售额和集成电路销售额（单位：亿美元）

半导体设备中晶圆加工设备价值占比超过 80%，其余为封装和测试设备。在晶圆加工设备中，光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备三类主要设备合计价值占比接近 70%。

▲ 2017 年半导体设备和晶圆厂设备市场份额

全球半导体设备市场高度垄断，其中最重要的设备制造厂商包括阿斯麦（ASML）、应用材料（AppliedMaterials）、东京电子（Tokyo Electron）、泛林半导体（Lam Research）、科磊半导体（KLA-Tencor）、迪恩士（SCREEN）、日立高新（Hitachi）、泰瑞达（Teradyne）、爱德万（Advantest）等等。这些厂商通常专注于某个领域，并在擅长的领域拥有较高的市场份额。

▲2018 年光刻机市场份额