大國重器之國產刻蝕機:中國晶片燎原火

在此前IT之家《兵進光刻機，中國晶片血勇突圍戰》一文中，有網友表示除了光刻機，對刻蝕機也比較感興趣。

今天汐元就和大家講一講刻蝕機的那些事吧。

在開始之前先統一一下名稱，「刻蝕機」和「蝕刻機」都是正確的叫法。國內兩家重要的廠家中微半導體和北方華創用的都是「刻蝕機」，本文也統一使用「刻蝕機」。

一、刻蝕機是用來做什麼的

刻蝕機，顧名思義，對應的是晶片製造中的「刻蝕」這一步。

在晶片製造中，「光刻」和「刻蝕」是兩個緊密相連的步驟，也是非常關鍵的步驟。

回顧IT之家之前介紹光刻機的文章，我們知道，「光刻」就相當於用投影的方式把電路圖「畫」在晶圓上。注意，這個時候，電路圖其實不是真的被畫在了晶圓上，而是被畫在了晶圓表面的光刻膠上。

光刻膠表層是光阻，一種光敏材料，被曝光後會消解。

而「刻蝕」，才是真正沿著光刻膠表面顯影的圖案，將電路圖刻在晶圓上。

打一個不怎麼精確的比方。

比如我們想在牆上刻出「IT之家」四個字，我們不是直接操起刀子就刻，而是先在牆上用筆描出「IT之家」的圖案。這一步，是光刻。

接著，我們才拿起刀子，沿著剛才在牆上描出的圖案來雕刻。這一步，是刻蝕。而刻蝕機，就是專業幹這個活的。

基於此，我們再來理解刻蝕的準確定義，就比較容易理解了：

刻蝕，是用化學或物理方法對襯底表面或表面覆蓋薄膜進行選擇性腐蝕或剝離的過程，進而形成光刻定義的電路圖形。

在晶片製造中，有三個核心的環節，分別是薄膜沉積、光刻、和刻蝕。

其中，光刻是最複雜、最關鍵、成本最高、耗時最高的環節；刻蝕的成本僅次於光刻，重要性也在不斷上升；而薄膜沉積也是必不可少的重要工序，在製造中，為了實現大型集成電路的分層結構，需要反覆進行沉積-刻蝕-沉積的過程。

從下面的圖也可以看出刻蝕在晶片製造中的重要地位。

二、刻蝕機的技術細節

1、溼法刻蝕和幹法刻蝕

從刻蝕的定義和原理上我們知道，它其實就是在晶圓上刻畫電路圖的過程。

相信這時候廣大IT之家小夥伴們第一個想到的問題就是：用什麼刻？尖刀？錐子？

哈哈，肯定不可能是用刀子去刻，畢竟這可是納米級別的工藝。

實際上，刻蝕總體可分兩種技術方案：溼法刻蝕和幹法刻蝕。

所謂溼法刻蝕，很容易理解，就是用液體的化學試劑去腐蝕、消解晶圓表面我們需要去除的紋理圖案。

▲資料來源：Photofabrication

而幹法刻蝕，這部分就比較複雜了，汐元在後面會重點講。

幹法刻蝕，很顯然，用的就不是化學試劑之類的液體了，它採用的一般是能量束，如離子束、電子束、雷射束等等。

而目前用的最多的，是離子束，準確說是等離子體，將等離子體打到晶圓表面，與晶圓產生化學反應或物理反應（或者化學和物理兩種反應），達到刻蝕的目的。

▲等離子刻蝕，資料來源：央視《大國重器》第二季第六集

▲等離子刻蝕，資料來源：Lam Research

目前刻蝕機領域，採用的主流方案都是幹法刻蝕，佔比至少90%。

這主要是因為溼法刻蝕存在一些缺陷。

首先，溼法刻蝕因為需要大量對人體和環境有害的腐蝕性化學試劑，所以在大規模集成電路製造中，正逐漸被淘汰。

其次，溼法刻蝕存在一個各向同性的問題，意思就是說，因為溼法刻蝕採用的是化學試劑，是液體，所以在進行化學反應的時候，方向性不太好控制，在蝕刻的時候，可能會把圖案底部周邊的部分也反應掉，甚至掏空，這不是人們想看到的。

▲資料來源：國泰君安證券研究

因為這個問題，溼法刻蝕在次微米級（小於1μm）的半導體中就很難用得上了，得採用幹法刻蝕。

幹法刻蝕的精準度高，並且沒有汙染物殘留，總之就是更先進。

不過，溼法刻蝕也沒有被放棄，因為成本低，工藝簡單，所以目前還是會用在一些低端產品或非半導體產品上。

2、幹法刻蝕的技術細節

鑑於目前主流的刻蝕機採用的都是幹法刻蝕，而且幹法刻蝕的技術也比較複雜，所以這裡單獨講，避免廣大IT之家小夥伴們看亂了。

在幹法刻蝕中，最主流的方案是採用等離子體，所以我們主要講這一類技術。

首先我們需要明白什麼是等離子體。

中學物理我們學過，物質是由分子構成的，分子是由原子構成的，原子是由原子核以及外圍的電子構成的。

當物質被加熱到一定溫度後，原子核外層的電子就會擺脫原子核的束縛，成為自由的電子，而原子失去電子，成為離子。

這個時候，物質變成了由大量電子、離子以及少量沒有電離的氣體分子和原子組成的類似氣體的物質，這就叫等離子體。

等離子體又被稱作電漿，你可以理解為這時候狀態就像一團漿糊，手動眼斜。

在幹法刻蝕中，通常使用含有滷素原子的等離子體活化氣體，例如氟化氣體的一種，氟化氫。

說道氟化氫，前面講到的溼法刻蝕中用的化學試劑，最常用的其實就是高純度的氟化氫水溶液。

關注時事的小夥伴可能知道，日本和韓國的貿易戰還沒結束。2019年7月，日本曾宣布對韓出口管控的3種關鍵半導體材料中，就有高純度氟化氫。

在那之前，韓國的高純度氟化氫幾乎100%進口自日本。不過，並不是韓國本土沒有生產的高純度氟化氫的技術，而是長期以來日本的純度更高，並且也形成了完整的產業鏈。

中國也是如此，生產高純度氟化氫是有能力的，但也需要長時間的測試和產業鏈積澱，所以目前還是主要靠進口。在這一方面，汐元覺得我們也需要逐步培養自己的產業鏈，擺脫對日本和歐美的依賴。

這裡我們重點講的是氟化氫氣體中產生等離子體的方案。

但其實，在等離子體刻蝕中，等離子體的產生方法不止這一種。目前主要有ICP（電感耦合等離子體）、CCP（電容耦合等離子體）、還有和ICP差不多的TCP等等，具體的技術原理太專業，大家就沒有必要了解了。

值得一說的是，這些技術都是國外刻蝕機巨頭企業們研發的，但國內的主要刻蝕機設備供應商也都能夠掌握，並有自己的設備。

還有一種屬於未來的先進技術：原子層刻蝕（ALE），它能夠精密控制被刻蝕的材料量，目前國外的巨頭已經有相關的設備，國內則還在秘密研發中。

▲原子層刻蝕，資料來源：Lam Research

幹法刻蝕的技術門類除了按的等離子體產生的方法，還有其他的類別之分，這裡就不一一說明了。

但需要一說的是，如果根據被刻蝕的材料不同，又可以分為三種：金屬刻蝕、介質刻蝕和矽刻蝕。

其中，金屬蝕刻工藝在連接形成集成電路的各個部件中起關鍵作用；介質刻蝕的作用則是在絕緣材料中雕刻圖案以將半導體器件的導電部分分隔開；而矽刻蝕主要用於需要去除矽的場合。

這三種不同的幹法刻蝕工藝對於不同的刻蝕機廠商來說，會各有擅長。這個我們後面再說。

三、光刻機製造的難點

雖然都是半導體製造的重要工具，但刻蝕機的製造難度是明顯低於光刻機的。

目前刻蝕機的刻蝕精度已經顯著超過光刻機的光刻精度。

不過，這也並不是說刻蝕機在未來發展中沒有任何挑戰，更不是任何一個企業說造就能造的。

上面汐元已經說到幹法刻蝕是刻蝕機的主流，所以這裡我們也主要以幹法刻蝕為主。

其實，刻蝕本身並不是一件難事，人類很早就懂得用強酸去刻蝕金屬，現在做玻璃雕刻、金屬雕刻之類的，也需要用到刻蝕。

但是，對於半導體產業來說，它的難點在於，工藝製程實在是太微小、複雜了。所以，刻蝕機的技術難度和半導體工藝是直接相關的。

總得來說，半導體工藝製程的進化和設計結構的更新，是刻蝕機製造難度增加的主要因素。

因為半導體邏輯電路的不斷微縮，包括技術本身進化的需求，刻蝕工藝在不斷迭代，像Multiple Patterning技術、基於金屬硬掩模的雙大馬士革工藝等等，這些工藝大家不需要了解，只需要知道它們都提高了刻蝕的難度，增加可刻蝕的步驟，相應的，刻蝕機製造的難度也隨之增加。

還有就是，半導體工藝製程的推進，其設計結構也越來越複雜，這些都極大增加了刻蝕的難度。

例如存儲晶片DRAM電路圖形密度增大，刻蝕重複次數增加；3D NAND相比2D NAND在垂直方向增加了快閃記憶體顆粒的排列堆疊，大大增加了刻蝕步驟和難度；還有Intel在22nm第三代酷睿處理器上開始使用的FinFET工藝，也是讓刻蝕難度增加的「功臣」……

▲3D NAND的刻蝕相當複雜，資料來源：Lam Research

當然啦，半導體產業是一個上下遊聯動非常密切的產業，正是因為邏輯電路製程和結構的不斷升級，才推動了刻蝕機設備的不斷迭代，以及市場的不斷繁榮。

四、國產刻蝕機的發展情況

從全球角度來看，刻蝕機市場雖然不像光刻機市場那樣有ASML這樣一家獨大的公司，但也相對比較集中。

從一份對2017年全球刻蝕設備市場份額的統計中可以看出，美國Lam Research（拉姆研究）佔據了55%的市場份額，第二名東京電子也只有20%，美國的應用材料公司排第三。

中國方面，由於半導體產業起步比較晚，就刻蝕機設備來說，目前國產化率其實還不高。

以2017年到2018年國內存儲產線和代工產線代表企業長江存儲和華力微電子採購的刻蝕設備來說，來自國產的設備分別只有9%和17%。

情況就是這樣，不過，好消息是國內的刻蝕機設備製造商這幾年正在奮起直追，並且已經取得了非常可喜的成果。

其中有代表性的是上海中微半導體公司和北京的北方華創科技公司。他們在國產刻蝕機設備技術突破方面有重要的貢獻。

在2017年，中微半導體研發的7nm等離子體刻蝕機已經在國際一流的集成電路生產線上量產使用，而2019年12月，中微半導體CEO尹志堯也曾透露，他們5nm蝕刻機已經得到了臺積電認可，將用於臺積電5nm晶片的產線。

▲圖片來源：中微半導體官網

如果僅從刻蝕機領域來看，這在技術上確實也是世界領先的水平了，在中國更是一騎絕塵的存在。

中微半導體在2004年8月於上海成立，董事長尹志堯曾在Intel公司、LAM研究所、應用材料公司等公司供職，主攻的就是等離子體刻蝕。中微半導體的創業團隊中，絕大部分也是在矽谷主流半導體公司擔任過工程師和技術管理者的資深專家。

▲資料來源：央視《大國重器》第二季第六集

目前，中微半導體在晶片介質刻蝕設備、矽通孔刻蝕設備、MOCVD設備三大細分領域處於世界三強的水平，也是國內刻蝕設備領域毫無疑問的龍頭企業。

特別是在介質刻蝕設備領域，中微半導體的電容型介質刻蝕設備已進入全球這個市場的前三名，僅次於東京電子和Lam Research。

北方華創方面，它是由北京七星電子和北京北方微電子兩家公司在2015年重組而來，2017年才更名為北方華創。

北方華創旗下有半導體裝備、真空裝備、新能源鋰電設備及精密元器件四個事業群，並非像中微半導體那樣專注於半導體IC和LED的領域。

▲圖片來源：北方華創官網

在刻蝕機設備方面，北方華創主要研究的是矽刻蝕和金屬刻蝕方向，其中矽刻蝕機目前是突破14nm技術的水平。

▲圖片來源：北方華創官網

值得一提的是，中國第一臺自主研發的幹法刻蝕機就是北方華創的前身之一北方微電子在2005研發成功並交付的。

還有，2016年，由北方微電子自主研發的國內首臺12英寸14納米FinFET ICP等離子矽刻蝕機NMC612D出貨到上海集成電路研發中心，並在2019年12月成功幫助上海集成電路研發中心完成了14nm FinFET自對準雙重圖形相關工藝的自主開發。

▲圖片來源：北方華創官網

這裡為IT之家小夥伴們解釋一下，14nm FinFET自對準雙重圖形工藝，是目前主流的14nm FinFET製造中的關鍵工序，也是由DUV向極紫外光EUV光刻技術過渡需要用到的關鍵工藝。在那之前，半導體廠商們在這道工序上還沒有用過國產設備，NMC612D可以說是填補了空白，也達到了世界先進的水平。

目前，北方華創正在開展10nm刻蝕設備的研發進程，同時也在關注原子層刻蝕（ALE）技術的研發。

目前，中國半導體產業正處於一個大規模建廠潮中，就國內刻蝕設備市場而言，成長的潛在空間也是巨大的。

▲資料來源：國泰君安證券研究所

國泰君安證券在2018年對刻蝕設備行業做的一份報告中顯示，國內刻蝕設備廠商正面臨20.08億美元的生產需求，加上半導體刻蝕設備較低的國產化率以及半導體製造工藝日益複雜對刻蝕設備需求的拉動作用，目前國內刻蝕機市場的前景，還是值得看好的。

五、總結

在IT之家介紹光刻機的文章中，汐元講到，半導體行業是一個必須積跬步才能致千裡的領域，哪怕是已經「致千裡」，也基本沒有什麼迎接鮮花和掌聲的時間，還是要一步一步往前走。這是半導體行業的特點決定的。

相比光刻機領域，中國在半導體刻蝕設備領域的水平還是很不錯的，至少在技術方面，已經接近甚至達到國際領先的水平。

但是，我們仍然需要戒驕戒躁。通過本篇文章的分析，相信大家也能夠看到，儘管在刻蝕設備技術方面，我國已經達到了先進水平，但是在完整、成熟的產業鏈體系打造上，我們還有很大的追趕空間。

同時，客觀上，刻蝕機領域的技術壁壘也並沒有光刻機那麼高，在晶片製造中也並不是絕對主角，從晶片半導體產業的整體看，我們仍然有很長的路要走。

而像本文提到的中微半導體、北方華創等企業，更應該稱為國內半導體行業學習借鑑的優質樣本，也願國內半導體產業能夠早日突破技術封鎖，實現獨立自主。

參考

與非網，2019-02-15，《光刻機VS蝕刻機：同是晶片製造機，命運分兩極》

曲博科技教室 Drj.Class

，2012-10-24，《A3-15刻蝕技術》

觀察者網，2019-02-13，《專家：國產刻蝕機很棒，但只是造晶片的「配角」》

國泰君安證券，2018-09-26，《半導體刻蝕設備行業深度報告》

華泰證券，2018-09-17，《刻蝕設備：半導體設備國產化的前沿陣地》

麵包芯語，2019-07-19，《NAND漲價都怪氟化氫，它對半導體製造有什麼用？》

北方華創，2017-06-15，《一篇文章讀懂等離子體刻蝕》

全球半導體觀察

，2016-08-05，《北方微電子NMC 14納米等離子矽刻蝕機出貨》

淡江大學開放式

課程，2019-04-14，《半導體製程與設備》