比肩国际大厂，刻蚀设备会是率先实现国产替代的吗？

电子发烧友网报道（文/周凯扬）在半导体制造的各路工序中，尤其是前道工序中，技术难度最大的主要三大流程当属光刻、刻蚀和薄膜沉积了。这三大工艺的先进程度直接决定了晶圆厂所能实现的最高工艺节点，所用产品的成熟程度也间接决定了产品的良率和吞吐量。  这每一道工序中，都有所需的对应设备，比如光刻所需的EUV、DUV***，刻蚀所需的干法、湿法刻蚀机，以及化学、物理气相沉积所需的CVD、PVD设备等等。***作为半导体制造的核心自然无需多言，我们就来聊聊重要性相当的刻蚀设备。  

与光刻设备体量相当的刻蚀设备

在半导体设备中，用于前道工序刻蚀的刻蚀机，目前的地位仍是可以与光刻系统比肩的。刻蚀工艺通过刻蚀机，可以选择性地移除沉积过程中添加的绝缘和导电材料，从而辅助形成芯片构建。  根据所使用的物质，刻蚀一般分为干法刻蚀和湿法刻蚀，比如以化学溶液来去除氧化膜的湿法刻蚀，这种方法虽然成本低、速度快，但由于其各向同性的特性，会造成线宽损失，往往不能处理更为精细的纳米级图案，所以目前干法刻蚀占据绝对的主导地位。  而干法刻蚀根据刻蚀反应的不同，又分为物理去除的离子束溅射刻蚀，化学去除的等离子体刻蚀以及物理化学混合去除的反应离子刻蚀。其中等离子刻蚀由于较好的刻蚀效率和选择性，已经作为晶圆制造中的主要刻蚀方法。  对于5nm、3nm这些先进工艺而言，由于精度更高，提升了刻蚀的难度也增加了刻蚀的步骤。虽然EUV***一定程度减少了所需刻蚀的次数，但归根结底，随着工艺的提升，需要多次刻蚀和沉积才能满足更高工艺的晶圆制造。  

刻蚀设备的国际巨头

应用材料作为老牌半导体设备厂商，在经历了多年的发展与并购后，已然成了规模最大的全球半导体设备厂商，产品品类覆盖了晶圆前道加工和后道封测的大部分环节，不管是台积电、英特尔还是三星，都已经与其建立了深度合作关系，中芯国际也是其主要客户之一。其Centura刻蚀设备已有2000余台投入了全球晶圆厂运行，为客户提供了高效率的硅、铝和介电质刻蚀解决方案。  虽说应用材料在整个半导体设备市场的体量最为庞大，但单论刻蚀设备的话，仍是泛林半导体遥遥领先。目前泛林的5nm刻蚀设备已经投入量产使用，3nm的刻蚀设备已经交付给三星等厂商进行验证。  且为了满足当下晶圆厂对3D结构的追求，无论是逻辑还是存储芯片，泛林也在去年推出了他们的选择性刻蚀产品系列，包括Argos、Prevos和Selis三大新品。用于在不改性或损坏相邻材料的情况下，从晶圆表面各向同性地去除材料。  这样的说法或许难以理解，那我们以GAA这样的堆叠晶体管结构为例，此类结构由于拥有较高的深宽比，所以要做到在所有方向上一致地去除SiGe材料而不造成芯片损伤或缺陷变得十分困难。而泛林的选择性刻蚀产品做到了以埃米级的精度来去除材料，做到精细的表面处理，维持刻蚀中的物理与电界面特性。  

国产替代的艰辛路，刻蚀设备的崛起

在半导体设备市场中，即便我们将以光刻设备为主的ASML除去，应用材料、泛林半导体、东京电子和科磊等厂商依旧占据着极高的市场份额，国产设备厂商没有一家挤进前十。这样一个极高集中度的市场，中国厂商要想从中突围的难度可想而知。  然而，由于半导体设备各道工序的细分，在某些工序比如刻蚀上，国内已经有了北方华创、中微半导体这样的优秀企业，推出了足以完成一定国产替代的产品。在国内的核心集成电路设备市场中，刻蚀设备目前的国产化率是相对较高的，达到了20%左右。  国内的半导体设备巨头中微半导体专注于干法刻蚀中的等离子体刻蚀设备，开发了CCP单台机和双台机、ICP单台机和双台机，基本覆盖了90%的刻蚀应用，其CCP刻蚀设备更是已经出货2000台以上。  据了解，中微公司的ICP和CCP Primo刻蚀机设备，在刻蚀效果上基本与泛林的DRIE系列刻蚀设备相当了。与此同时，中微的介质刻蚀设备已经进入台积电 7nm/5nm 产线，这也是唯一一家进入台积电产线的国产刻蚀设备生产商。

 Primo D-RIE CCP刻蚀设备 / 中微半导体  虽说中微公司进入ICP刻蚀设备领域的时间不长，但依然凭借其技术优势收获了多家客户的验证，从其财报中可以看出，ICP刻蚀设备的交付腔数正在逐年增长，也成了其业绩的主要增长点之一。  除此之外还有北方华创，据其最新财报可知，其面向 12 英寸逻辑、存储、功率、先进封装等客户，已完成数百道工艺的量产验证，ICP 刻蚀产品出货累计超过 2000 腔；采用高密度、低损伤设计的 12 英寸等离子去胶机已在多家客户完成工艺验证并量产。至于其金属刻蚀设备则凭借稳定的量产性能成为国内主流客户的优选机台，迭代升级的高深宽比 TSV 刻蚀设备，以其优异的性能通过客户端工艺验证，支持最新的Chiplet 工艺应用。  针对一些特定的需求，北方华创还发布了双频耦合 CCP 介质刻蚀机，实现了在硅刻蚀、金属刻蚀、介质刻蚀工艺的全覆盖，以及面向 6/8 英寸兼容的多晶硅刻蚀、金属刻蚀、介质刻蚀和 SiC、GaN 等化合物刻蚀设备系列，为各类半导体器件提供刻蚀工艺全面解决方案。可以看出，北方华创在ICP刻蚀领域优势显著，目前已经量产支持28nm及以上工艺的刻蚀设备。同时中微也已经突破14nm技术，并进入中芯国际 14nm 产线验证阶段。  

写在最后

可以看出，相较于光刻设备，国产刻蚀设备厂商已经走在了国产化替代的前列，除了在国内晶圆厂完成了一部分供应外，也已经开启了设备出海的进程。在广泛使用的等离子体刻蚀设备上，中微的产品其实已经有了与国际巨头一比高下的实力。随着进一步的开发投入，以及未来可能的并购等商业路线，很有可能率先完成国产替代的任务。  但与此同时，对于技术研发的投入仍需加大力度，从泛林、北方华创的产品规划就可以看出，随着一些特色晶圆工艺的占比逐渐提高，刻蚀设备厂商需要根据市场需求不断推出对应的特色产品来应对，进一步提高在国际市场的竞争力。而国内这些厂商虽说研发占比已经超过国际巨头，但在整体的研发投入规模上，仍有一定差距。