五月中旬美國再次斷供華為，而且力度遠超預期，但中微公司和北方華創這兩家刻蝕設備廠商股價一度創歷史新高。長期來看半導體國產替代的邏輯依然持續，但短期可能面臨較大調整壓力，未來的股價走勢可能還是雞飛狗跳式的。本文就重點聊聊刻蝕設備及涉及的主要技術。
在所有半導體製造設備中，提起光刻機相信很多人知曉，知道ASML多牛掰，也大概知道國產光刻機水平如何。但是提起刻蝕機，可能很多人就懵了，不知刻蝕為何物。但是在如今的半導體工業中，刻蝕機在晶圓製造設備投資中的佔比達到20%，僅次於光刻機的30%，可見其重要性。
刻蝕是光刻之後的關鍵步驟，是用化學或物理方法有選擇地從矽片表面去除不需要的刻蝕材料，進而形成光刻定義的電路圖形。說人話就是把想要的留下，不想要的清理掉：
刻蝕分為幹法刻蝕和溼法刻蝕，溼法刻蝕是用液體化學試劑以化學方式去除矽片表面的材料，但由於其在線寬控制和刻蝕方向性等多方面的局限，在3m以後的工藝中不再使用，幹法刻蝕成為當前主流工藝。幹法刻蝕是把矽片表面曝露於氣態中產生的等離子體中，等離子體通過光刻膠開出的窗口，與矽片發生物理或化學反應（或這兩種反應），從而去除曝露的表面材料。相比溼法刻蝕，幹法刻蝕的優點是刻蝕剖面各向異性，具有較好的線寬控制能力，同時由於不採用化學試劑，減少了化學玷汙問題以及材料消耗和廢氣處理費用等：
幹法刻蝕主要包括金屬刻蝕、介質刻蝕和矽刻蝕，其中金屬刻蝕主要用於金屬互連線的鋁合金刻蝕、製作鎢塞及接觸金屬刻蝕；介質刻蝕主要用於製作接觸孔和通孔；矽刻蝕主要用於製作MOS柵結構的多晶矽柵和器件隔離或DRAM電容結構中的單晶矽槽：
二 CCP刻蝕與ICP刻蝕的差異
等離子體刻蝕的主要刻蝕過程是：刻蝕氣體進入反應腔後，在外加電磁場作用下通過輝光放電產生由電子和原子結合在一起形成的等離子體；等離子體轟擊晶圓表面並被吸附；晶圓表面產生化學反應並形成反應產物和副產物；副產物解吸附後被排出腔室，主要過程如下圖：
在中微公司的官網上能找到的刻蝕設備有7個型號，其中五個是CCP刻蝕設備，一個是TSV刻蝕設備，還有一個是ICP刻蝕設備。CCP與ICP是按照等離子體產生和控制技術的不同而分類的。
CCP是Capacitively Coupled Plasma的英文簡稱，中文含義是電容耦合等離子體刻蝕，相對應的ICP是Inductively Coupled Plasma的英文簡稱，中文含義是電感耦合等離子體刻蝕。
CCP的原理是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體，通常射頻的頻率為13.56MHz。當然CCP的頻率有高低之分，其中將2MHz/4MHz的射頻電源稱為低頻射頻源，頻率在27MHz以上的稱為高頻射頻源。在反應腔室氣壓上，CCP的工作氣壓可以從幾個mTorr到幾百個mTorr之間，因為電子質量遠低於離子質量，電子可以運動更遠更長的距離並與氣體和器壁進行碰撞並電離出更多的電子和離子。由於高深寬比結構的刻蝕要求的提高，近年來反應腔室工作氣壓已經降低至10mTorr，以增加離子的自由程和減少因碰撞所造成的能量損失。
ICP刻蝕的原理是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，從而產生等離子體並用於刻蝕。當然在技術迭代過程中出現了以拉姆研究ICP變壓器耦合等離子體（TCP）為路線的ICP刻蝕技術和以應用材料去耦合等離子源技術（DPS）為路線的ICP技術，由於TCP和DPS說起來更複雜，因此本文便不再展開。
CCP與ICP的最大差異就是ICP設備上多了一層線圈，兩類設備在具體應用上產生較大的差異，具體如下表所示：
從刻蝕設備的使用工藝和技術路線上來看，中微公司主要以用於介質刻蝕的CCP刻蝕為主，北方華創以用於矽刻蝕和金屬刻蝕的ICP刻蝕為主，所以嚴格意義上中微公司和北方華創缺乏可比性，若想知道這兩家公司究竟牛不牛，就拿它倆和東京電子、應用材料等國際巨頭做對比，畢竟人家不光有CCP和ICP，還有ALD等新花樣。
三 幹法刻蝕中所用的化學品基於等離子體技術的CCP和ICP在刻蝕工藝中需要諸多化學品，這些化學品均以氣體形式參與刻蝕工藝，本段將以介質刻蝕等三個類型對刻蝕氣體做一歸納。
介質刻蝕中的化學氣體
前文已經提到介質刻蝕中最主要的兩種類型是氧化矽刻蝕和氮化矽刻蝕，氧化矽刻蝕主要是為了製作接觸孔和通孔，氮化矽刻蝕則是形成MOS管中的有源區和鈍化窗口。在正式說氧化矽刻蝕前先說下接觸孔和通孔。
以下圖典型的CMOS器件為例，接觸孔是器件與第一層金屬之間的連接通道，通過接觸孔和金屬層實現不同器件之間的連接；通孔是相鄰金屬層之間的連接通道：
具體工藝上對幹法刻蝕的要求是：對光刻膠和下層材料等不需要刻蝕的材料具有高選擇比、有可接受的產能的刻蝕速率、好的側壁剖面控制、好的片內均勻性、低器件損傷和較寬的工藝製造窗口。深寬比是評價刻蝕工藝的重要工藝指標，本義是縱向刻蝕深度和橫向侵蝕寬度的比值，深寬比越大就能加工較厚尺寸的敏感結構，增加高敏質量，提高器件靈敏度和精度，ICP刻蝕的深寬比可達到80-100。選擇比是在同一刻蝕條件下刻蝕一種材料對另一種材料的刻蝕速率之比，高選擇比意味著只去除想要去除掉的膜層材料，對下一層材料和光刻機不刻蝕。
在氧化物刻蝕中所用的化學氣體通常為四氟化碳和CHF3等氟碳化合物，其中最常用的是四氟化碳，四氟化碳有較高的刻蝕速率但對多晶矽選擇比不好。在實際工藝中還可能會加入氬氣或氦氣等改善刻蝕的均勻性等工藝性能。一般來說碳原子/氟原子的比例越高就能形成越多的聚合物、越低的刻蝕速率和越高的刻蝕選擇比。
氧化矽刻蝕中可提高刻蝕選擇比的方法是在刻蝕氣體中加入氧氣來控制氧化物與矽之間的選擇比，通過加入氫氣減少矽的刻蝕速率同樣可以達到提高刻蝕選擇比的目的。在碳化矽刻蝕中同樣所用的氣體是四氟化碳與氧氣和氮氣形成的混合氣體，目的是稀釋氟基濃度並降低對下層氧化物刻蝕速率，此外在氮化矽刻蝕可能用到的氣體還有四氟化矽、氟化氮和六氟化二碳等。
矽刻蝕中的化學氣體
矽刻蝕主要是用來製作MOS器件中柵結構的多晶矽柵和器件隔離，以及DRAM存儲器件電容結構中的單晶矽槽，多晶矽柵和單晶矽槽典型結構如下：
在多晶矽刻蝕中通常所用的化學氣體是氯氣、溴氣或氯氣和溴氣的混合氣體，其中氯氣能產生各向異性的矽側壁剖面並對氧化矽具有較好的選擇比，通常對多晶矽、氧化矽的選擇比大於10:1；用溴氣或溴化氫氣體刻蝕時對氧化矽和氮化矽的選擇比大於100。此外用加入氧氣的溴化氫和氯氣的混合氣體同樣可以提高刻蝕的選擇比，原理與氧化矽刻蝕氣體中加入氧氣類似，通過提到刻蝕效率來提到選擇比。
在半導體器件中製作矽槽的目的有兩個，一個是通過淺矽槽隔離技術實現器件隔離，二是在DRAM製造中在能實現器件面積縮小的情況下通過深槽刻蝕、側壁氧化和多晶矽填充溝槽等技術製作出深度大於5μm的深槽來提高電容。在淺溝槽隔離中用到的化學氣體主要是氟氣，深溝槽刻蝕中常用氯基或溴基氣體比如溴化氫、氯氣或混合氣體，當然用溴氣刻蝕的一大好處是在刻蝕中不再需要用碳對側壁進行鈍化，還可以減少汙染，因此越來越常用。
金屬刻蝕中的化學氣體
在說金屬刻蝕前先提一下半導體製作中的金屬化工藝。所謂金屬化就是在絕緣介質薄膜上通過沉積金屬薄膜和刻印圖形形成金屬連線，將不同的器件連接起來形成電路，同時可將外部電信號傳輸到半導體器件內部不同部位，從而實現一定功能。雖然很繞口，但實際上就提到了兩件事情，一個金屬化用的是薄膜生長技術，典型工藝有物理氣相沉積和化學氣相沉積；第二金屬化的目的是將各層器件連接起來形成可導通的電路，實現半導體器件的功能。半導的本義就是電導一半，導電性很差，如果再不想辦法將導電性提高，那就與廢石頭沒什麼差別了。
金屬化工藝中目前比較常見的是鋁互連和銅互連，鋁互連是發展最早的金屬互連工藝，但後來居上的銅互連大有替代鋁互連的趨勢。鋁在20℃時的電阻率為2.65μΩ/cm，要高於銅和金等金屬的電阻率，但勝在便宜，而且鋁在矽片上的附著力較好，且易形成氧化鋁，因此在金屬互連中成為首選金屬。但是在沉積工藝中鋁的臺階覆蓋率不好，在0.5μm的亞微米時代這一缺陷更加明顯，容易形成空洞或空隙，因此在後續工藝中通過鎢填充技術來彌補鋁互連中存在的空洞等缺陷，主要是鎢具有極強的填充高深寬比通孔的能力，臺階覆蓋率非常好，同時這也是金屬刻蝕中鋁刻蝕和鎢刻蝕差異的淶源。
在鋁刻蝕中通常用氯氣來刻蝕，但由於氯氣刻蝕具有各向同性，因此為了獲得各向異性，在氯氣中通常還加入CHF3或光刻膠中的碳來對側壁進行鈍化（主要是通過光刻膠和刻蝕氣體中的碳形成聚合物來實現側壁鈍化）；為了更好的控制側壁剖面還可加入氯化硼。在鎢刻蝕中通常用六氟化硫和四氟化碳等氟基或四氯化碳等氯基氣體進行鎢刻蝕，但氟基氣體對氧化矽選擇比差，因此氯基氣體比較常用。此外在刻蝕氣體中還可以通過加入氮氣提高對光刻膠的選擇比，加入氧氣減少碳的沉積等。
下表是幹法刻蝕中常用的刻蝕氣體：
最後說一下原則層刻蝕（ALE）。ALE是一種能精密控制被去除材料的刻蝕技術，可以將刻蝕精度精確到一個原子層也就是0.4nm，因此具有極高的刻蝕選擇率，顯然也是技術節點進入10nm以後會被廣泛採用的刻蝕技術，代表刻蝕技術的發展方向。
ALE的步驟主要分四步：第一是表面處理，刻蝕劑與矽片表面發生化學反應，此反應僅發生在被刻蝕材料表面，僅與表面一個原子層發生反應而不會深入到下一層；第二是轉換步驟，將刻蝕劑a抽離反應腔。第三是刻蝕劑b與經處理的表面發生反應，反應生成物剝離矽片表面。而且與反應A類似，反應B同樣僅與表面一個原子層發生反應並最後被剝離，不影響下一層材料，之後循環：
ALE不僅有極高的刻蝕選擇率，而且其刻蝕率的微負載效應幾乎為零，不論在快反應部位還是慢反應部位，每個周期僅完成一個原子層的刻蝕。在應用上ALE應用廣泛，可以用於氧化物刻蝕或者矽刻蝕等，還可以用於淺溝槽隔離工藝等。
在ALE設備研發上應用材料與拉姆研究均處於全球領先地位，比如拉姆研究開發的Flex系列ALE刻蝕機已經用於臺積電等晶圓代工廠7nm產線。中微公司的CCP刻蝕技術節點同樣達到5nm，但也基本上達到極限了，未來中微公司和北方華創發展趨勢還是向ALE靠攏。
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