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转载—行业专题 | 半导体刻蚀设备:多频共振驱动刻蚀市。娲蠢纯善冢ㄒ唬

2022-03-25 by Super User

● 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。

目前干法刻蚀在半导体刻蚀中占据绝对主流地位,市场占比超过90%。同时,等离子刻蚀是晶圆制造中使用的主要刻蚀方法,电容性等离子刻蚀(CCP)和电感性等离子刻蚀(ICP)是两种常用的等离子刻蚀方法。随着当前集成电路技术的不断发展,构成芯片的核心器件尺寸持续缩。酒募庸ぶ圃毂涞迷嚼丛骄。原子层刻蚀(ALE)能够精确控制刻蚀深度,成为未来技术升级趋势。

●?刻蚀设备作为半导体设备的中坚力量,有望率先完成国产替代。

半导体设备主要应用于半导体制造和封测流程,是半导体行业的基础和核心。随着半导体制程的微缩和结构的复杂化,半导体刻蚀设备的种类和技术难度递增。从国内市场来看,刻蚀机尤其是介质刻蚀机,是我国最具优势的半导体设备领域,也是国产替代占比最高的重要半导体设备之一。我国目前在刻蚀设备商代表公司为中微公司、北方华创等。

●?终端需求催化刻蚀设备用量,市场规模2022年有望突破1100亿美元。

随着5G、大数据、物联网、人工智能等新兴产业的发展,半导体设备有望迎来新一轮发展机遇,从而推动全球刻蚀设备的需求。SEMI预计全球半导体设备市场将持续保持增长,在2021年增长45%至1030亿美元,2022年预计将创下1140亿美元的新高。

●?先进技术增加刻蚀步骤和刻蚀难度,刻蚀设备演绎量价齐升。

对于逻辑电路来说,制程微缩和技术迭代增加了刻蚀的步骤,也提高了刻蚀的难度;对于3D NAND 来说,更高的堆叠层数需要用到多步刻蚀,并且要保证刻蚀的各向异性和尽量小的偏差;对于DRAM 而言,电路图形密度增大,多重图案化重复次数增加,极大地增加了刻蚀工艺的设备需求。先进制程和复杂结构增加了刻蚀步骤和难度,助推半导体刻蚀设备价量齐升。

●?刻蚀设备领域长期由海外龙头垄断,国内刻蚀企业部分技术已达国际一流水平。

根据Gartner 统计,全球刻蚀企业前三大分别是泛林半导体、东京电子、应用材料,全球市占率合计 91%。国内刻蚀设备生产厂商在全球刻蚀设备市场的市占率总计不足2%。然而,近些年来国内刻蚀厂商依托资本和政策扶持一路奋起直追,成效显著。例如中微公司的介质刻蚀已经进入台积电 7nm/5nm 产线,是唯一一家进入台积电产线的国产刻蚀设备生产商。从晶圆厂招投标情况来看,国内晶圆厂新增产能建设不断加码,中微公司和北方华创等国内半导体刻蚀设备厂家份额进一步提升。随着国内刻蚀龙头紧跟先进制程发展,加大研发投入,积极并购与整合,整体国产刻蚀设备有望加速完成国产替代。

?一、刻蚀设备在半导体产业链中地位突出?

1、半导体设备投资占比巨大,刻蚀设备是其中重要一环

半导体设备在硅片制造、前道及后道工艺中举足轻重。半导体设备即主要应用于半导体制造和封测流程的设备。半导体设备行业是半导体制造的基石,是半导体行业的基础和核心。从产业链来看,半导体设备的上游主要是单晶硅片制造以及IC设计,下游则主要为IC封测。根据半导体设备在IC制造中应用的场景不同,一般可以分为氧化炉、涂胶显影设备、光刻机、刻蚀机、离子注入机、清洗设备、质量/电学检测设备、CMP设备、CVD设备和PVD设备等。

先进制程驱动产线建设成本上行,半导体设备资本支出占比提升。通常,一条90nm制程芯片的晶圆生产线建设成本为20亿美元,当制程微缩至20nm时成本达到67亿美元,翻了三倍之多。而半导体设备作为半导体产线投资的主要投入项,不仅种类繁多,而且具有非常高的技术要求,也导致设备的价格非常昂贵,设备在生产线的资本支出占比也逐渐提高。根据高新智库研究表明,在90nm制程中设备支出占比为70%,到了20nm制程占比达到85%,从14亿美元提高到57亿美元,提高了约4倍。

IC制造设备占半导体设备比例达80%,光刻、刻蚀和沉积设备为主要组成部分。从产品细分结构来看,目前供应的半导体设备主要为IC制造设备,其占市面上半导体设备的比重约为80%;在这些IC制造设备中,以光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备为主,根据SEMI测算数据,当前这三类半导体设备分别约占市面上半导体设备的24%、20%和20%。

●?光刻:光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤,其利用曝光和显影在光阻层上刻画几何图形结构,然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上,具有耗时长、成本高的特点。光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。光刻机是芯片制造中光刻环节的核心设备,技术含量、价值含量极高。

●?刻蚀:刻蚀工艺是半导体制造工艺中的关键步骤,对于器件的电学性能十分重要。其利用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程,目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形。如果刻蚀过程中出现失误,将造成难以恢复的硅片报废,因此必须进行严格的工艺流程控制。


●?薄膜沉积:薄膜沉积是集成电路制造过程中必不可少的环节。薄膜沉积是指任何在硅片衬底上沉积一层膜的工艺,这层膜可以是导体、绝缘物质或者半导体材料。薄膜沉积有化学和物理工艺之分,具体而言可分为化学气相沉积、物理气相沉积和其他沉积三大类。

中国大陆占据全球半导体设备市场约四分之一,技术仍处于追赶状态。中国大陆的半导体设备需求量大,2019 年中国的半导体设备市场规模占到了全球的一半,其中中国大陆的半导体设备市场规模占全球的 22.4%,略低于中国台湾。中国大陆在市场需求占据很大份额的同时,半导体设备自给率很低,技术仍处于追赶状态,先进半导体设备技术仍由美欧日等国主导。其中美国的等离子刻蚀设备、离子注入机、薄膜沉积设备、检测设备、测试设备、表面处理设备等设备的制造技术位于世界前列;荷兰则是凭借ASML的高端光刻机在全球处于领先地位;在刻蚀设备、晶圆清洗设备、检测设备、测试设备、氧化设备等方面,日本极具竞争优势。

刻蚀设备有望率先完成国产替代。从国内市场来看,刻蚀机尤其是介质刻蚀机,是我国最具优势的半导体设备领域,也是国产替代占比最高的重要半导体设备之一。目前我国主流设备中,去胶设备、刻蚀设备、热处理设备、清洗设备等的国产化率均已经达到20%以上。而这之中市场规模最大的则要数刻蚀设备。我国目前在刻蚀设备商代表公司为中微公司、北方华创以及屹唐股份。

2、先进工艺不断演进,干法刻蚀大势所趋

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。刻蚀的基本目标是在涂胶的硅片上正确的复制掩模图形,有图形的光刻胶层在刻蚀中不受到腐蚀源显著的侵蚀,这层掩蔽膜用来在刻蚀中保护硅片上的特殊区域而选择性地刻蚀掉未被光刻胶保护的区域。在通常的CMOS工艺流程中,刻蚀都是在光刻工艺之后进行的。从这一点来看,刻蚀可以看成在硅片上复制所想要图形的最后主要图形转移工艺步骤。

按照刻蚀工艺划分,刻蚀主要分为干法刻蚀以及湿法刻蚀。干法刻蚀主要利用反应气体与等离子体进行刻蚀,利用等离子体与表面薄膜反应,形成挥发性物质,或者直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。干法刻蚀可以在某一特定方向上进行切割,使得实现理想中纳米(nm)级的超精细图案轮廓。湿法刻蚀工艺主要是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀,该刻蚀方法会导致材料的横向纵向同时腐蚀,会导致一定的线宽损失。目前来看,干法刻蚀在半导体刻蚀中占据绝对主流地位,市场占比约 90%。

按照刻蚀材料划分,刻蚀工艺包括介质刻蚀和导体刻蚀,导体刻蚀又分为硅刻蚀和金属刻蚀。金属刻蚀主要是在金属层上去除铝、钨或铜层,以在逐级叠加的芯片结构中生成互联导线图形;硅刻蚀(包括多晶硅)应用于需要去除硅的场合,如刻蚀多晶硅晶体管栅、硅槽电容;介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀,如二氧化硅。对于8英寸晶圆,介质、多晶硅以及金属刻蚀是刻蚀设备的常用类别。进入12英寸世代以后,随着铜互连的发展,金属刻蚀逐渐萎缩,介质刻蚀份额逐渐加大。20年介质刻蚀设备的份额已超过40%,而且随着器件互连层数增多,介质刻蚀技术和设备有望持续发展。

干法刻蚀有化学反应、物理去除以及化学物理混合去除三种方式,性能各有优劣。其中,物理性刻蚀,又称离子束溅射刻蚀,原理是使带能粒子在强电场下加速,这些带能粒子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的硅片表面材料;化学性刻蚀,又称等离子体刻蚀,纯化学刻蚀作用中,通过等离子体产生的自由基和反应原子与硅片表面的物质发生化学反应达到刻蚀的效果,可以得到较好的刻蚀选择性和较高的刻蚀速率;物理化学性刻蚀,即反应离子刻蚀,利用离子能量来使被刻蚀层的表面形成容易刻蚀的损伤层和促进化学反应,具有各向异性强的优势,是超大规模集成电路工艺中很有发展前景的一种刻蚀方法。

ICP与CCP是应用最为广泛的刻蚀设备。目前等离子刻蚀是晶圆制造中使用的主要刻蚀方法,电容性等离子刻蚀(CCP)和电感性等离子刻蚀(ICP)是两种常用的等离子刻蚀方法。CCP的原理是将施加在极板上的射频或直流电源通过电容耦合的方式在反应腔内形成等离子体,主要用于刻蚀氧化物、氮化物等硬度高、需要高能量离子反应刻蚀的介质材料。ICP刻蚀的原理是将射频电源的能量经由电感线圈,以磁场耦合的形式进入反应腔内部,从而产生等离子体并用于刻蚀, 主要用于刻蚀单晶硅、多晶硅等材料。

ICP与CCP是应用最为广泛的刻蚀设备。目前等离子刻蚀是晶圆制造中使用的主要刻蚀方法,电容性等离子刻蚀(CCP)和电感性等离子刻蚀(ICP)是两种常用的等离子刻蚀方法。CCP的原理是将施加在极板上的射频或直流电源通过电容耦合的方式在反应腔内形成等离子体,主要用于刻蚀氧化物、氮化物等硬度高、需要高能量离子反应刻蚀的介质材料。ICP刻蚀的原理是将射频电源的能量经由电感线圈,以磁场耦合的形式进入反应腔内部,从而产生等离子体并用于刻蚀, 主要用于刻蚀单晶硅、多晶硅等材料。

介质刻蚀和硅刻蚀领衔,等离子体刻蚀成绝对主流。从下游半导体行业刻蚀机的需求来看,介质刻蚀机与硅刻蚀机需求场景较多,因此占比较高,其中介质刻蚀与硅刻蚀机分别占据干法刻蚀工艺半壁江山。在集成电路生产线来看,等离子体刻蚀设备因其提供高速率、高选择比以及低损伤的刻蚀而被广泛应用,根据《问芯 Voice》,目前等离子体刻蚀设备的市场规模也超过了 120 亿美元,约占全球刻蚀市场规模的 85%左右,成为刻蚀设备的绝对主流。未来随着中微等公司对设备研发的不断投入,刻蚀设备国产化率进一步提升未来可期。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?本文转载自“英迪那米(徐州)半导体科技有限公司”微信公众号

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