半導體工藝與設備 2022-01-26 07:00
作為半導體制造工藝的核心設備之一，刻蝕設備也是掌握半導體市場命脈的關鍵點。然而，根據Gartner數據顯示，刻蝕設備由Lam Research、TEL、AMAT三大巨頭把控，合計全球市場占有率高達91%。國內刻蝕設備雖然占比甚微，但好在有所依托。當前，中國刻蝕設備國產化重任由中微公司、北方華創、屹唐半導體共同擔起，根據三方數據，2020年國內刻蝕龍頭中微公司、北方華創的刻蝕業務都取得了較高收入增長。
刻蝕是用化學、物理或兩者結合的方法有選擇地去除沒有被抗蝕劑掩蔽的薄膜層，從而將圖形從光刻膠轉移到待刻蝕的薄膜上。按照工藝劃分，刻蝕分為濕法刻蝕和干法刻蝕，由于濕法刻蝕在小尺寸及復雜結構應用中的局限性，當前市場應用以干法刻蝕為主，市占率高達90%以上。濕法刻蝕是用液體化學劑去除襯底表面的材料，各向異性差，隨著器件特征尺寸縮小、結構愈加復雜，刻蝕精度難以保證。目前，濕法刻蝕主要用于清洗干法刻蝕殘留物。干法刻蝕則是利用等離子體實現化學或物理反應來實現刻蝕。按照刻蝕材料劃分，刻蝕可分為介質刻蝕、硅刻蝕和金屬刻蝕。其中，介質刻蝕、硅刻蝕廣泛應用于邏輯、存儲器件等芯片制造中，市場占有率超90%。電容性等離子體刻蝕CCP：將施加在極板上的射頻或直流電源通過電容耦合的方式在反應腔內形成等離子。能量高、精度低，主要用于介質材料刻蝕。
電感性等離子體刻蝕ICP：將射頻電源的能量經由電感線圈，以磁場耦合的形式進入反應腔內部，從而產生等離子體并用于刻蝕。能量低、精度高，主要用于硅刻蝕和金屬刻蝕。
電子回旋共振刻蝕ECR：使用帶電粒子在磁場中回旋轉動獲得能量，繼而電子碰撞增加產生高密度的等離子體。
變壓器耦合等離子體源TCP：TCP原理與ICP相似，區別是ICP為立體式電感線圈，而TCP為平面式。
ALE原子層刻蝕：通過一系列自限制反應去除單個原子層，將刻蝕精度精確到一個原子層，即0.4nm，具有超高選擇率和均勻性，且微負載效應可以忽略不計。
近年來，5G、AIoT等新興技術合力推動下，產業智能化進程加速，下游應用市場需求迸發，拉動著全球半導體需求放量上漲，反向驅動上游半導體制造設備需求和技術更迭。據方正證券報告預計，全球晶圓制造設備（WFE）市場規模將達到850億美元量級。根據SEMI數據顯示，預計至2025年，全球刻蝕設備市場規模將增長至155億美元，年復合增長率約為5%。全球半導體成長空間有望進一步拉大，刻蝕設備市場規模也將隨之進一步提升。隨著先進制程線寬進一步縮小，對包括刻蝕在內的半導體制造技術對精確度和重復性有著更高的要求。單論刻蝕技術，速率、各向異性、刻蝕偏差等指標都將成為影響芯片制造良率的因素，刻蝕設備的重要性日益突顯。近年來，國產設備廠商邁入技術迅速發展、市場生態拓寬的全新發展期，國產設備逐漸受到產業鏈上下游的認可和采納。雖然國產半導體設備已經逐漸走上發展正軌，但國產化率仍然處于較低水平，技術和產業生態建設距離國際水準也還存在著不小的差距。據國盛證券估算，中國刻蝕市場需求預計在200億元以上，國產化率不超過20%，仍然擁有較大的國產替代空間。中微公司CCP刻蝕設備已經順利交付1500臺，ICP設備也已累計交付100臺反應腔。CCP刻蝕設備包括雙反應臺Primo AD-RIE和單反應臺HD-RIE，廣泛應用于國際一線客戶從65nm至5nm、64層及128層3D NAND晶圓產線及先進封裝生產線。自2005年第一臺8英寸ICP刻蝕機進入生產線，北方華創ICP刻蝕機已經取得國內領先地位。截至2020年底，北方華創ICP刻蝕機交付突破1000臺。而2017年，該公司8英寸金屬刻蝕設備進入國內主流代工產線，打破了8英寸刻蝕機長期由國際壟斷的局面。屹唐半導體產品包括干法刻蝕設備paradigmE系列，可用于65nm到5nm邏輯芯片、10nm系列DRAM芯片以及32層到128層閃存芯片制造中若干關鍵步驟的大規模量產。
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