微刻蚀仪

3月31日消息，昨日中微公司发布其2020年年报，报告期内，中微公司实现营业收入22.73亿元，较上年增长16.76%。归属于上市公司股东的净利润4.92亿元，同比增长161.02%。扣非净利润2331.94万元，同比减少84.19%。中微公司在年报中表示，2020年归母净利润实现翻倍增长主要源于：（1）中芯国际科创板股票投资公允价值变动收益约2.62亿元；（2）公司2020年计入非经常性损益的政府补助较2019 年增加约2.26亿元。而该年扣非净利润较上年同期减少84.19%，则是由于实施股权激励产生的股份支付费用约1.24亿元（属于经常性损益）。图片来源：中微公司年报截图从营收构成来看，中微公司来自半导体设备产品销售的收入达到17.99亿元，来源于设备相关配件的营收为4.42亿元，而设备支持服务的收入则为0.33亿元。产品销售中源于刻蚀设备的收入为12.89亿元，同比增长约58.49%；源于MOCVD设备的收入为4.96亿元，同比下降约34.47%。图片来源：中微公司年报截图在年报中，中微公司就刻蚀技术的未来发展作出了分析。分析指出随着芯片制程向5纳米及更先进制程发展，当前浸没式光刻机受光波长的限制，需要结合刻蚀和薄膜设备，采用多重模板工艺，利用刻蚀工艺实现更小的尺寸。刻蚀技术及相关设备的重要性因此进一步提升。而在2D存储器件的线宽接近物理极限后，NAND闪存已进入3D时代，在其制造工艺中，增加集成度的主要方法不再是缩小单层上线宽而是增加堆叠层数。3D NAND层数增加要求刻蚀技术实现更高的深宽比。中微公司指出，为应对上述趋势，自身在刻蚀设备技术上的研发进展包括：（1）在逻辑集成电路制造环节，其开发的12英寸高端刻蚀设备已运用在国际知名客户65 纳米到5纳米的芯片生产线上；同时，其根据厂商的需求，已开发出小于5纳米刻蚀设备，用于若干关键步骤的加工，并已获得批量订单。目前正在配合客户需求，开发新一代刻蚀设备和包括更先进大马士革在内的刻蚀工艺，能够涵盖5纳米以下更多刻蚀需求和更多不同关键应用的设备。（2）在3D NAND芯片制造环节，其电容性等离子体刻蚀设备可应用于64层和128层的量产，同时根据存储器厂商的需求正在开发新一代能够涵盖128层及以上刻蚀应用及相对应的极高深宽比的刻蚀设备和工艺。此外，电感性等离子刻蚀设备已经在多个逻辑芯片和存储芯片厂商的生产线上量产，正在进行新技术研发，以满足5纳米以下的逻辑芯片、1X纳米的DRAM芯片和128层以上的3D NAND芯片等产品的ICP刻蚀需求，并进行高产出的ICP刻蚀设备研发。在用于制造LED外延片的MOCVD设备技术上，中微公司表示，其用于Mini LED生产的MOCVD设备的研发工作进展顺利，已有设备在领先客户端开始进行生产验证；此外，制造Micro LED等应用的新型MOCVD设备也正在开发中。中微公司在年报中称，去年全年其研发投入总额为6.40亿元，其中包含股份支付费用0.49亿元。若剔除股份支付费用则全年研发投入为5.91亿元，较2019年增长39.16%，主要由于新工艺的研发，包括存储器刻蚀的CCP和ICP刻蚀设备、Mini-LED大规模生产的高输出量MOCVD设备、Micro-LED应用的新型MOCVD设备等。

p style="text-indent: 2em text-align: justify "半导体产业三大生产工艺环节分为：IC设计（电路与逻辑设计）、IC制造（前道工序）和IC封装与测试环节（后道工序）。IC制造环节又分为晶圆制造和晶圆加工两部分。晶圆加工则是指在制备晶圆材料上构建完整的集成电路芯片的过程，包含镀氧化、扩散、退火、离子注入、薄膜沉积、光刻、刻蚀、化学机械平坦化（CMP）等十余道工艺，其中最关键的三类主设备是光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备，价值占前道设备的近70%。光刻机已经成为最具关注的话题，其实刻蚀机同为其中重要的一环。刻蚀是在衬底上留下需要的图形电路。刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀，当前干法刻蚀是主流工艺；在干法刻蚀中，反应离子刻蚀应用最广泛。按照被刻蚀材料划分，等离子体刻蚀机分为硅刻蚀机、介质刻蚀机和金属刻蚀机；其中，介质刻蚀与硅刻蚀机分别占比49%以及48%，金属刻蚀仅占3%（数据来源：《半导体系列深度报告：刻蚀设备：最优质半导体设备赛道，技术政策需求多栖驱动》）。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "从公开信息可以看到，中国刻蚀设备的工艺节点已经达到5nm，并得到台积电的验证，追赶上主流半导体的步伐；在市场表现上看，国际大厂在中国市场的份额从最初几乎垄断到2019年下降至77%；北方华创的硅刻蚀机、金属刻蚀机，中微公司的介质刻蚀机在国内均已牢牢占据一席之地，并成功进军国际市场。/pp style="text-align: center text-indent: 2em "img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/aa32673b-c238-4268-8a38-1f3be32fbaa5.jpg" title="1.png" alt="1.png"//pp style="text-indent: 0em text-align: center "span style="text-indent: 2em "5nm的刻蚀机照片（中微官网）/span/ph3 style="text-indent: 0em text-align: center "曾经让人“绝望”的国际巨头/h3p style="text-indent: 2em text-align: justify "2019年全球刻蚀机市场份额由三家国际厂商瓜分，来自美国硅谷的泛林半导体（Lam Research）占53%，位于日本的东京电子东京电子（Tokyo Electron）占19%，同样是美国硅谷的应用材料（Applied Materials）占18%。尽管近年来刻蚀行业的后起之秀如雨后春笋，但这三家国际巨头仍共占全球九成以上的市场份额。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "上世纪70年代，半导体产业大发展，伴随着半导体产业的快速起步发展，相应的半导体设备公司也纷纷成立。1980年泛林半导体公司成立，凭借着对先进技术和产品的单纯追求，第二年便推出了第一款刻蚀机产品—AutoEtch，并于第四年在纳斯达克上市。90年代，泛林将业务拓展到CVD和显示面板领域，反而分散了公司的业务焦点，最终却适得其反市值暴跌。痛定思痛，泛林半导体将研发重心放在刻蚀设备领域，2007年后在刻蚀设备领域终于无可撼动。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "应用材料公司成立于1967年，是全球最大的半导体设备公司。公司位于美国硅谷，拥有极强的研发能力，官方资料显示，应用材料每年在研发上投入20亿美元，团队成员中30%为专业研发人员，平均每天（包括星期六和星期日）要申请四个以上的新专利。1981年应用材料克服了超大规模集成电路离子刻蚀的技术难题，进入刻蚀设备领域，开启了现代刻蚀时代。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "1963年，久保德雄和小高敏夫在东京创立了东京电子研究所，注册资本500万日元，员工6人。1968年，东京电子与Thermco Products Corp.合并，成为日本第一家半导体制造设备厂商。1975年，东京电子决定专注于半导体制造设备。1981年，东京电子成为了最顶级半导体制造设备厂商。1989年，半导体制造设备营收额全球第一，并连续三年蝉联冠军，至1991年。虽然东京电子的成长路径远不如前两家波澜壮阔，但它们对于研发的投入绝不缩水。2018财年东京电子研发费用约1200亿日元（约合80亿人民币）。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "这些巨头都成立于上世纪60-80年代，伴随着半导体产业起步和发展而壮大，积累了强大的技术研发团队和专利壁垒，成为了刻蚀设备领域让人“绝望”的国际巨头。/ph3 style="text-indent: 0em text-align: center "美国禁运下的“成功突围”/h3p style="text-indent: 2em text-align: justify "为了阻挠中国半导体产业发展，美国对半导体关键设备实施了禁运，其中包括了等离子体刻蚀机的禁运。从此中国刻蚀机领域开始了漫漫“突围”路。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "2004年，尹志尧和16位同仁一起，从美国回到中国，在上海浦东创建了中微。尹志尧曾在硅谷Intel公司、LAM研究所、应用材料公司等电浆蚀刻供职16年。尹志尧曾发起硅谷中国工程师协会并担任主席。尹志尧在硅谷工作的时候，其团队让公司占据全球将近一半的市场，并且在半导体行业拥有多项专利。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "为追赶国际先进水平，中微公司成立后采用了全员持股的激励制度，吸引了来自世界各地具有丰富经验的半导体设备专家，形成了技术精湛、勇于创新、专业互补的国际化人才研发队伍，并始终保持大额的研发投入和较高的研发投入占比，2019年净利润同比增长108% 研发投入占营收比为21.81%。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "2007年，中微公司首台甚高频去耦合等离子体刻蚀设备Primo D-RIE研制成功。作为中微第一代电介质刻蚀产品，在同年的日本半导体博览会上发布，是12英寸双反应台多反应腔主机系统，用于65nm到16nm技术节点，可以灵活配置多大三个双反应台反应腔。每个反应腔都可以在单晶圆反应环境下，同时加工两片晶圆。刻蚀设备采用了双反应台技术增加了产能输出，可以有效降低客户的成本，相较于同类产品具有很高的性价比优势。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "2011年，中微第二代电介质刻蚀产品Primo AD-RIE刻蚀设备研制成功，可用于45nm到14nm后段制程以及10nm前段应用的开发。同时，中微通过建立全球化的采购体系，与供应商密切合作，制造出模块化、易维护、具有成本竞争优势的产品；其通过科学的方法管理库存，有效地降低了公司的运营成本。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "2013年，CCP刻蚀设备产品Primo SSC AD-RIE刻蚀设备研制成功，可用于40-7nm工艺。三代刻蚀设备，不断迭代，产品线覆盖了多个制程的微观器件的众多刻蚀应用。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "半导体设备产业的波动要大于半导体芯片产业的波动，更大于 GDP 的波动。仅靠单一的设备产品来发展的企业无法抵御市场波动带来的不确定性。为此，中微公司的半导体设备实现了多产品覆盖，2010年，首台深硅刻蚀设备产品研制成功；2012年首台MOCVD设备产品研制成功，产品覆盖集成电路、MEMS、LED 等不同的下游半导体应用市场。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "在中微的主要产品线刻蚀设备方面，国际巨头泛林科技、东京电子和应用材料均实现了硅刻蚀、介质刻蚀、金属刻蚀的全覆盖，他们占据了全球干法刻蚀机市场的90%以上份额。即便如此，中微还是在介质刻蚀领域实现了突围，将产品打入台积电、联电、中芯国际等芯片生产商的40多条生产线，并实现了量产。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "不同于中微公司从介质刻蚀机入手，北方华创选择从硅刻蚀机入手。在国家02专项的支持下，北方华创在硅刻蚀机领域不断实现突破，先进制程工艺一路上扬，28nm，22nm都实现了突破。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "国产刻蚀机的不断突破，最终使得美国在2015年解除了对中国的刻蚀机禁运。国产刻蚀设备的不断进步终于突破了美国的封锁。/ph3 style="text-align: center text-indent: 0em "“与狼共舞”勇夺“世界三强”一席/h3p style="text-indent: 2em text-align: justify "伴随着美国解除对中国的刻蚀机禁运，国产刻蚀设备也开始进入国际市场并与世界刻蚀机巨头展开了激烈的竞争。而国内市场也迎来了激烈的角逐。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "面对来势汹汹的国际半导体设备巨头，中微公司进一步加大研发投入，提前布局。在2016年成功研制出首台ICP刻蚀设备产品Primo nanova，这是中微基于ICP开发的第一代产品，适用于14-7nm工艺技术节点。可以配置多达6个刻蚀反应腔和两个可选的去胶腔。之后不断改进设备，2018年改进Primo AD-RIE并进入5nm生产线，至今仍不断引领国内半导体设备和技术的发展。目前中微公司在介质刻蚀领域在世界上已获得一席之地，成为介质刻蚀领域的世界三强企业。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "于此同时，北方华创也在刻蚀机领域实现了节节突破，2016年研发出了14nm工艺的硅刻蚀机。虽然金属刻蚀市场很小，但在2017年11月，北方华创研发的中国首台适用于8英寸晶圆的金属刻蚀机，也成功搬入中芯国际的产线，这个也是有重大突破意义的。/pp style="text-indent: 2em "br//pp style="text-indent: 2em text-align: justify "a href="https://www.instrument.com.cn/zc/833.html" target="_self"电子束刻蚀系统专场：https://www.instrument.com.cn/zc/833.html/a/p

作者：泛林集团 Semiverse Solutions 部门软件应用工程师 Pradeep Nanja介绍半导体行业一直专注于使用先进的刻蚀设备和技术来实现图形的微缩与先进技术的开发。随着半导体器件尺寸缩减、工艺复杂程度提升，制造工艺中刻蚀工艺波动的影响将变得明显。刻蚀终点探测用于确定刻蚀工艺是否完成、且没有剩余材料可供刻蚀。这类终点探测有助于最大限度地减少刻蚀速率波动的影响。刻蚀终点探测需要在刻蚀工艺中进行传感器和计量学测量。当出现特定的传感器测量结果或阈值时，可指示刻蚀设备停止刻蚀操作。如果已无材料可供刻蚀，底层材料（甚至整个器件或晶圆）就会遭受损坏，从而极大影响良率[1]，因此可靠的终点探测在刻蚀工艺中十分重要。半导体行业需要可以在刻蚀工艺中为工艺监测和控制提供关键信息的测量设备。目前，为了提升良率，晶圆刻蚀工艺使用独立测量设备和原位（内置）传感器测量。相比独立测量，原位测量可对刻蚀相关工艺（如刻蚀终点探测）进行实时监测和控制。使用 SEMulator3D®工艺步骤进行刻蚀终点探测通过构建一系列包含虚拟刻蚀步骤、变量、流程和循环的“虚拟”工艺，可使用 SEMulator3D 模拟原位刻蚀终点探测。流程循环用于在固定时间内重复工艺步骤，加强工艺流程控制（如自动工艺控制）的灵活性[2]。为模拟控制流程，可使用 "For Loop" 或 "Until Loop"（就像计算机编程）设置一定数量的循环。在刻蚀终点探测中，可使用 "Until Loop"，因为它满足“已无材料可供刻蚀”的条件。在循环中，用户可以在循环索引的帮助下确认完成的循环数量。此外，SEMulator3D 能进行“虚拟测量”，帮助追踪并实时更新刻蚀工艺循环中的材料厚度。通过结合虚拟测量薄膜厚度估测和流程循环索引，用户可以在每个循环后准确获取原位材料刻蚀深度的测量结果。用 SEMulator3D 模拟刻蚀终点探测的示例初始设定在一个简单示例中，我们的布局图像显示处于密集区的四个鳍片和密集区右侧的隔离区（见图1）。我们想测量隔离区的材料完成刻蚀时密集区的刻蚀深度。我们将用于建模的区域用蓝框显示，其中有四个鳍片（红色显示）需要制造。此外，我们框出了黄色和绿色的测量区域，将在其中分别测量隔离区的薄膜厚度 (MEA_ISO_FT) 和沟槽区的刻蚀深度 (MEA_TRENCH_FT)。工艺流程的第一步是使用 20nm 厚的硅晶体层（红色）、30nm 的氧化物（浅蓝色）和 10nm 的光刻胶（紫色）进行晶圆设定（图2）。我们曝光鳍片图形，并对使用基本模型刻蚀对光刻胶进行刻蚀，使用特定等离子体角度分布的可视性刻蚀对氧化物材料进行刻蚀。氧化物对光刻胶的选择比是100比1。我们在 SEMulator3D 中使用可视性刻蚀模型来观察隔离区和有鳍片的密集区之间是否有厚度上的差异。图1：模型边界区域（蓝色），其中包含四个鳍片（红色）和用于测量隔离区（黄色）和沟槽区（绿色）薄膜厚度的两个测量区域图2：SEMulator3D 模型，硅晶体（红色）、氧化物（浅蓝色）和在光刻胶中显影的四个鳍片（紫色）SEMulator3D 刻蚀终点探测循环SEMulator3D 的工艺流程使用 Until Loop 循环流程。我们将测量隔离区的材料厚度，并在隔离氧化物薄膜耗尽、即厚度为0时 (MEA_ISO_FT==0) 停止该工艺。在这个循环中，每个循环我们每隔 1nm 对氧化物材料进行1秒的刻蚀，并同时测量此时隔离区氧化物薄膜厚度。此外，我们将在每次循环后追踪两个鳍片间沟槽区的刻蚀深度。这个循环索引有助于追踪刻蚀循环的重复次数（图3）。图3：SEMulator3D 刻蚀终点探测模拟中的循环流程结果对隔离薄膜进行刻蚀，直至其剩余 20nm、10nm 和 0nm 深度的模拟结果如图4所示。模型中计算出隔离薄膜厚度的测量结果，以及两个鳍片间沟槽区的刻蚀深度。图4：隔离区薄膜厚度剩余 20nm、10nm 和 0nm 的工艺模拟流程，及相应从光刻胶底部开始的沟槽刻蚀深度我们对循环模型进行近30次重复后，观察到隔离区的薄膜厚度已经达到0，并能追踪到沟槽区氧化物的刻蚀深度（当隔离区被完全刻蚀时，密集区 30nm 的氧化物已被刻蚀 28.4nm）。结论SEMulator3D 可用来创建刻蚀终点探测工艺的虚拟模型。这项技术可用来确定哪些材料在刻蚀工艺中被完全去除，也可测量刻蚀后剩下的材料（取决于刻蚀类型）。使用这一方法可成功模拟原位刻蚀深度控制。使用类似方法，也可以进行其他类型的自动工艺控制，例如深度反应离子刻蚀 (DRIE) 或高密度等离子体化学气相沉积 (HDP-CVD) 工艺控制。参考资料：[1] Derbyshire, Katherine. In Situ Metrology for Real-Time Process Control, Semiconductor Online, 10 July 1998, https://www.semiconductoronline.com/doc/in-situ-metrology-for-real-time-process-contr-0001.[2] SEMulator3D V10 Documentation: Sequences, Loops, Variables, etc.