編者按：本文來(lái)自微信公眾號(hào) 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICViews），作者：豐寧，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

“它不是光刻機(jī)，但重要性僅次于光刻機(jī)?！薄拔g刻技術(shù)將取代光刻成為芯片制造核心?！?/strong>

半導(dǎo)體市場(chǎng)的兩則言論，直接將刻蝕設(shè)備的熱潮推向高點(diǎn)。

01 光刻機(jī)，不再是唯一解

上述言論中的后一句，來(lái)自英特爾的一位高管。

目前，ASML的極紫外（EUV）光刻機(jī)是制造高端芯片（如7nm及以下節(jié)點(diǎn)）的關(guān)鍵設(shè)備。

然而，該董事認(rèn)為，像環(huán)繞柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GAAFET）和互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CFET）這樣的新型設(shè)計(jì)，將顯著增加光刻之后制造步驟（特別是刻蝕技術(shù)）的重要性，從而削弱光刻在整體工藝中的主導(dǎo)地位。

具體來(lái)看，新型晶體管設(shè)計(jì)的核心在于“包裹”柵極結(jié)構(gòu)（GAAFET）或堆疊晶體管組（CFET）。這種三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性對(duì)精確刻蝕提出了更高要求。為了從各個(gè)方向“包裹”柵極或創(chuàng)建堆疊結(jié)構(gòu)，芯片制造商需要更精細(xì)地、特別是橫向地去除晶圓上的多余材料。

因此，該董事指出，未來(lái)的重點(diǎn)可能從單純依賴光刻機(jī)縮小特征尺寸，轉(zhuǎn)向更復(fù)雜、更關(guān)鍵的刻蝕工藝。

半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)的下一個(gè)風(fēng)口將吹向哪里？答案或許藏在刻蝕設(shè)備的技術(shù)突破里。

那么刻蝕技術(shù)在當(dāng)前的芯片制造中正在發(fā)揮哪些作用？在未來(lái)的芯片制造中又需要怎樣的刻蝕技術(shù)？

02 刻蝕設(shè)備，逆襲的黑馬

在全球晶圓制造中，光刻、刻蝕和薄膜沉積技術(shù)被稱為半導(dǎo)體制造的“三駕馬車(chē)”。這三者的價(jià)值量占比分別為22%、21%和21%。

光刻環(huán)節(jié)將電路圖形轉(zhuǎn)移到覆蓋于硅片表面的光刻膠上，通過(guò)光照和顯影實(shí)現(xiàn)。

刻蝕環(huán)節(jié)是用化學(xué)或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過(guò)程，其基本目標(biāo)是在涂膠的硅片上正確地復(fù)制掩模圖形。

如果將光刻機(jī)簡(jiǎn)單比喻為芯片電路中的“投影儀”，那么刻蝕機(jī)便可視為芯片結(jié)構(gòu)的"雕刻刀”。

03 刻蝕設(shè)備，兩大重要應(yīng)用

刻蝕設(shè)備的重要性，正從兩個(gè)維度清晰顯現(xiàn)。

這不是突發(fā)的行業(yè)熱點(diǎn)，而是制造邏輯演變的必然。

第一點(diǎn)，隨著制程節(jié)點(diǎn)的縮小，刻蝕工藝的復(fù)雜性正呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

中微公司董事長(zhǎng)尹志堯曾表示：“14nm以下芯片，刻蝕機(jī)的作用越來(lái)越重要?！?/strong>

因?yàn)楸M管是光刻機(jī)，也并非“常勝將軍”，它也存在它的極限。目前EUV光刻機(jī)的波長(zhǎng)限制在13.5nm，它做出來(lái)的線條只能做到14nm，10nm、7nm、5nm芯片要通過(guò)多重模版的方法，把20nm光刻機(jī)線條翻版成兩個(gè)10nm線條，再翻版成5nm的線條，這一過(guò)程中，刻蝕設(shè)備作用巨大。

當(dāng)芯片制程來(lái)到0.5nm以下，盡管是EUV光刻機(jī)，也難以為繼。

SEMI數(shù)據(jù)顯示，在芯片制造流程里，從65nm 制程演進(jìn)至 7nm 制程，光刻步驟數(shù)量?jī)H增加了約 30%，但刻蝕步驟數(shù)量卻激增了超過(guò) 300%。足以見(jiàn)得，如今的刻蝕環(huán)節(jié)已不再僅僅是光刻之后的輔助工序，而是成為決定芯片性能、良品率及先進(jìn)制程實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)。

第二點(diǎn)，刻蝕設(shè)備的應(yīng)用貫穿半導(dǎo)體制造全流程，尤其在邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片（如DRAM、3D NAND）及先進(jìn)封裝中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

如今，隨著集成電路 2D 存儲(chǔ)器件的線寬已接近物理極限，NAND 閃存已進(jìn)入 3D 時(shí)代。而在3D NAND 存儲(chǔ)芯片制造中，每片晶圓的刻蝕工序占比從 2D NAND 時(shí)代的約 25% 提升至如今超過(guò) 50%。這清晰表明，隨著芯片從平面走向立體堆疊，“雕刻”工序的復(fù)雜度和重要性不亞于“投影”工序。

同理，先進(jìn)封裝技術(shù)也對(duì)刻蝕設(shè)備提出更高的訴求。比如在 Chiplet集成中，刻蝕設(shè)備需同時(shí)處理硅、介質(zhì)與金屬多種材料，其選擇性刻蝕能力（如對(duì)銅的刻蝕速率是介質(zhì)的 100 倍以上）直接決定了不同芯粒間的互聯(lián)良率。

04 國(guó)產(chǎn)刻蝕設(shè)備，已有佼佼者

目前，由于刻蝕工藝復(fù)雜、技術(shù)壁壘高，全球刻蝕設(shè)備市場(chǎng)集中度高。國(guó)際巨頭泛林科技、應(yīng)用材料和東京電子等占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。

按照刻蝕方式分類(lèi)，刻蝕設(shè)備可以分為濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕由于刻蝕的精度較低，在制程不斷微縮的情境下，逐漸被干法刻蝕取代，在部分制程要求不太精密的芯片上在使用濕法刻蝕。

按照被刻蝕材料劃分，主要分為硅刻蝕、介質(zhì)刻蝕以及金屬刻蝕。不同的刻蝕材質(zhì)其所使用的刻蝕機(jī)差距較大。

對(duì)中國(guó)半導(dǎo)體而言，光刻機(jī)的價(jià)值毋庸置疑，刻蝕機(jī)的分量同樣不可輕估。

對(duì)于國(guó)產(chǎn)芯片制造來(lái)說(shuō)，F(xiàn)inFET 工藝仍是先進(jìn)制程的主流選擇。受限于部分設(shè)備性能，國(guó)內(nèi)先進(jìn)制程要實(shí)現(xiàn)更小尺寸，不得不依賴多重曝光技術(shù)—這一現(xiàn)實(shí)，正讓刻蝕技術(shù)及相關(guān)設(shè)備的需求與重要性持續(xù)攀升。

目前國(guó)內(nèi)已有兩大半導(dǎo)體設(shè)備公司嶄露頭角，分別為北方華創(chuàng)和中微公司。

北方華創(chuàng)作為半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域的平臺(tái)型企業(yè)，其半導(dǎo)體設(shè)備品類(lèi)數(shù)量在國(guó)內(nèi)同類(lèi)型廠商中位居前列，覆蓋光膠處理、刻蝕、清洗、熱處理、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積等多個(gè)集成電路生產(chǎn)環(huán)節(jié)。中微半導(dǎo)體則不同，屬于半導(dǎo)體專(zhuān)業(yè)型設(shè)備商，其半導(dǎo)體設(shè)備僅聚焦刻蝕工藝環(huán)節(jié)。

在具體的刻蝕設(shè)備上，這兩家公司也各有側(cè)重。北方華創(chuàng)主營(yíng)硅刻蝕設(shè)備，中微半導(dǎo)體專(zhuān)攻介質(zhì)刻蝕設(shè)備。

若論刻蝕設(shè)備細(xì)分賽道的熱門(mén)公司，中微公司的看點(diǎn)相對(duì)較多。其在CCP、ICP設(shè)備領(lǐng)域均擁有強(qiáng)大的產(chǎn)品實(shí)力，部分產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入海外產(chǎn)線，批量應(yīng)用于5nm及以下先進(jìn)制程生產(chǎn)線。

但是從整個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)來(lái)看，北方華創(chuàng)的關(guān)注度則更高。

至于國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體市場(chǎng)，需要何種刻蝕設(shè)備？又對(duì)這些半導(dǎo)體設(shè)備公司提出了哪些要求？

目前，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體對(duì)刻蝕設(shè)備的需求主要呈現(xiàn)兩大特征，分別為：“全鏈條覆蓋” 與“尖端突破” 。

在技術(shù)維度，既需要能覆蓋成熟制程全流程的綜合型設(shè)備能力——如支持 14nm 及以上邏輯芯片、3D NAND 存儲(chǔ)芯片制造的 ICP/CCP 刻蝕設(shè)備，以滿足國(guó)內(nèi)晶圓廠大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)對(duì)穩(wěn)定供應(yīng)鏈的需求；更渴求突破 5nm 及以下先進(jìn)制程的尖端設(shè)備，尤其是在高深寬比刻蝕（深寬比≥90:1）、原子層刻蝕等關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)自主可控，從而擺脫對(duì)多重曝光工藝的過(guò)度依賴，支撐 FinFET 向更先進(jìn)架構(gòu)演進(jìn)。

上述這幾點(diǎn)，中微公司已展開(kāi)布局。

從應(yīng)用場(chǎng)景看，需求呈現(xiàn)明顯的分層特征：成熟制程領(lǐng)域需要高性價(jià)比、高穩(wěn)定性的設(shè)備，以適配汽車(chē)電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域的大規(guī)模生產(chǎn)；先進(jìn)封裝與 Chiplet 集成領(lǐng)域則要求設(shè)備支持不同工藝的高精度加工；而邏輯芯片前沿制程更依賴刻蝕設(shè)備的“選擇性刻蝕” 與 “三維結(jié)構(gòu)加工” 能力，以滿足 GAAFET、CFET 等新型器件對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的嚴(yán)苛要求。

在這一點(diǎn)上，北方華創(chuàng)與中微公司均在持續(xù)突破。

05 刻蝕設(shè)備，后起之秀

近日，在半導(dǎo)體刻蝕設(shè)備市場(chǎng)，迎來(lái)一位“后起之秀”。

7月8日，屹唐半導(dǎo)體正式在科創(chuàng)板敲響上市鐘聲。

屹唐半導(dǎo)體前身為美國(guó)應(yīng)用材料公司旗下的半導(dǎo)體濕法設(shè)備業(yè)務(wù)部門(mén)，2015年通過(guò)國(guó)產(chǎn)化收購(gòu)重組成立，目前已形成刻蝕、薄膜沉積、快速熱處理等三大類(lèi)核心設(shè)備產(chǎn)品線，客戶覆蓋中芯國(guó)際、以及國(guó)內(nèi)兩大存儲(chǔ)芯片龍頭。

該公司干法刻蝕設(shè)備起步較晚，占主營(yíng)收入比重不足15%，但作為國(guó)內(nèi)為數(shù)不多可以量產(chǎn)刻蝕設(shè)備的廠商，2021~2023年市占率始終為全球前十。

屹唐半導(dǎo)體已進(jìn)入三星、SK海力士國(guó)際大廠供應(yīng)鏈。此外，其自主研發(fā)的14nm刻蝕設(shè)備已通過(guò)客戶端驗(yàn)證。

屹唐股份副總裁兼財(cái)務(wù)總監(jiān)謝妹在近期舉辦的投資者交流會(huì)上表示，該公司干法刻蝕設(shè)備處于市場(chǎng)開(kāi)拓階段，毛利率尚處于相對(duì)較低的水平。隨著公司技術(shù)逐步突破，在不斷通過(guò)客戶端驗(yàn)證后，干法刻蝕設(shè)備可以按照市場(chǎng)價(jià)格逐步形成規(guī)?；匿N(xiāo)售，毛利率水平及毛利金額占比相較以前年度均有所提升。

06 原子層刻蝕，未來(lái)已來(lái)

至于未來(lái)的芯片制造中將需要何種刻蝕技術(shù)？

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，芯片關(guān)鍵尺寸不斷縮小，F(xiàn)inFET和三維 NAND 閃存等復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)對(duì)刻蝕工藝提出了高精度、低損傷和高選擇性的要求。傳統(tǒng)干法刻蝕技術(shù)在這些方面已難以滿足需求，而原子層刻蝕（Atomic Layer Etching, ALE）作為一種高精度原子尺度微加工技術(shù)，逐漸成為半導(dǎo)體制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

這一技術(shù)的特性與英特爾所提及的未來(lái)芯片制造趨勢(shì)也高度契合。

早在2018年，業(yè)內(nèi)專(zhuān)家就曾對(duì)刻蝕設(shè)備的未來(lái)發(fā)展做出清晰預(yù)測(cè)。

Richard Gottscho博士曾表示，如今晶體管微縮面臨的最大挑戰(zhàn)是均勻性問(wèn)題。例如：把一個(gè)10納米的芯片進(jìn)行微縮，它的均勻度要求通常在10%，即要維持在1個(gè)納米；同樣的原理應(yīng)用到3納米上，10%就是0.3納米，就是三個(gè)埃，也就是一個(gè)原子的尺寸。

也就是說(shuō)，未來(lái)我們需要對(duì)工廠里的產(chǎn)品在原子尺寸上進(jìn)行毫無(wú)差別的掌控，并保證其結(jié)果一致，這就是最大的挑戰(zhàn)。從晶圓制造的過(guò)程看，過(guò)往的沉積和刻蝕技術(shù)已無(wú)法發(fā)揮原有的作用，探索新的解決方案成為了廠商工作的重點(diǎn)，而包括原子層刻蝕在內(nèi)的原子層技術(shù)就是其中的一個(gè)選擇。

那么什么是原子層刻蝕？

ALE 能夠?qū)⒖涛g精確到一個(gè)原子層（相當(dāng)于 0.4nm），要求刻蝕過(guò)程均勻地、逐個(gè)原子層地進(jìn)行，并停止在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間或位置，從而獲得極高的刻蝕選擇率。

不僅如此，ALE 刻蝕速率的微負(fù)載（Microloading）效應(yīng)也因?yàn)樽燥柡托?yīng)的保證而幾乎為零 —— 不論在反應(yīng)快的部位還是反應(yīng)慢的部位，每個(gè)周期僅完成一個(gè)原子層的刻蝕。另外，ALE 所用到的等離子體相當(dāng)弱，有的甚至采用遠(yuǎn)程等離子體源，等離子體攜帶的紫外輻射和電荷量都很小，因此對(duì)器件的電學(xué)損傷非常小。

憑借精確的刻蝕控制、良好的均勻性、微小的負(fù)載效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，ALE 越來(lái)越受到重視，重新成為研究熱點(diǎn)。不過(guò)，目前 ALE 的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，相應(yīng)的設(shè)備也仍不成熟。

在這一技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，國(guó)際廠商已先行布局。泛林對(duì) ALE 的布局已持續(xù)十年：2014 年在 Sematech 研討會(huì)上定義 ALE 工藝，2016 年推出 Flex 系列系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)界首個(gè)用于高產(chǎn)量制造的等離子體增強(qiáng) ALE（PE-ALE）功能，推動(dòng)該技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的新階段。

國(guó)內(nèi)頭部刻蝕設(shè)備公司也及時(shí)捕捉到這一趨勢(shì)。中微公司關(guān)于原子層刻蝕的相關(guān)研究進(jìn)程未曾公布。但北方華創(chuàng)在2019 年就曾披露其自主研發(fā)的原子層刻蝕設(shè)備成功進(jìn)入行業(yè)知名客戶的生產(chǎn)線，為國(guó)產(chǎn)設(shè)備在先進(jìn)制造、高端裝備領(lǐng)域的突破再添助力。

07 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)光刻的“極限” 逐漸顯現(xiàn)，刻蝕設(shè)備正從芯片制造的 “關(guān)鍵配角” 走向舞臺(tái)中央。從英特爾高管預(yù)言刻蝕技術(shù)將提升權(quán)重，到 3D NAND、GAAFET 等新型結(jié)構(gòu)對(duì)刻蝕精度提出原子級(jí)要求，這條賽道的熱度并非偶然，而是半導(dǎo)體制造邏輯演進(jìn)的必然結(jié)果。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已給出清晰答案：中微公司在介質(zhì)刻蝕領(lǐng)域的尖端突破、北方華創(chuàng)在全鏈條設(shè)備上的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)、屹唐半導(dǎo)體作為后起之秀的快速拓展，共同勾勒出國(guó)產(chǎn)刻蝕設(shè)備的“梯隊(duì)成長(zhǎng)” 格局。它們的競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)作，既在回應(yīng)成熟制程擴(kuò)產(chǎn)的規(guī)?；枨螅苍诠?jiān) 5nm 以下先進(jìn)制程、原子層刻蝕等技術(shù)高地。

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