把我知道的都告诉你：5000字科普半导体设备与工艺

作者：陈启

来源：启哥有何妙计（ID：qgyhmj）

昨天在朋友圈刷到这张图，一看好有意思。就针对这张图，我们边学半导体设备专用单词边科普工艺。

这张图是一个外媒做，标题是China  Domestic WFE Capability For Advanced  Logic (7nm)

这段英文对各位评论区人均英语专八的大佬而言，不难理解，中国国内先进逻辑的能力，关键是这个WFE是啥意思？

这是一个缩写词，意思是前道工艺设备。

所以这标题的含义是说中国国内N7前道能力到什么水准了？

下面有一个横轴，这个意思也很明确。

容易做的 May already exist（可能已经存在）感觉把May这个词放上去是对中国设备公司的这么多年下来努力的不信任，呵呵，可能个鬼啊！

中等的Ease of Replacement（容易更换的）和困难的（需要十年以上积累的）。

在容易的领域里，列举了Wet Clean，CMP，Si/Dielectric/Metal Etch等。

我们一个一个说下，附带笔者对行业认知。

01

简单到中等

Wet Clean，就是湿法清洗设备，比如ACMR，PNC的主业，甚至那乌拉也有一部分的业务涉及湿法领域，它是收购北美的Akrion公司来的。

此外Wet 还有湿法刻蚀（Wet  Etch），但是这个在12英寸前道工艺里面极其罕见，不过在小尺寸上还有一些应用，此外封装行业目前用不少。

清洗业务在半导体工艺中很频繁，几乎每做几道工艺之后就要清洗，确保送入下一道工艺中，wafer 是绝对清洁的，没有任何污染物的。

湿法工艺针对不同的工艺也分很多种，比如常见的光刻胶剥离与清洗，CMP后清洗，刻蚀后清洗，沉积后清洗，离子注入后的去厚胶等等。

当然实现的工艺手段和方法也很多，用化学溶液浸泡+超声波清洗的比较常见，12英寸单片上还有更多种方法的组合手段，来达到清洗目的。

湿法设备相对而言工艺比较简单，所以国产化程度非常高，和CMP并称最容易突破的前道工艺，特别是普通小尺寸别说了，12英寸的单片式都有突破。

CMP，叫化学机械抛光，也就是海哥的主业，除此之外就是45所，一个主打12英寸， 一个主打8英寸， 可惜之前45所上市公司主体晶亦晶微因为某些原因，终止了IPO进程。

目前在这个领域也和湿法设备一样国产率超过50%以上，早早实现了国产替代。

为国产设备点赞。

Si/Dielectric/Metel Etch：这里作者例举了三种刻蚀对象，分别是硅，介质和金属。

感觉这里说的不是很准确，硅刻蚀要看是啥，如果是最下面的M0-M1层的晶硅与多晶硅刻蚀，依然是非常难的工艺设备，归为Easy我个人感觉不是很妥。

金属与硅多用ICP刻蚀设备，叫电感耦合刻蚀，那乌拉这块做的好一些，艾麦可也有，今天直播间有人问起鲁汶，巧了，他们当初起家的设备就是金属刻蚀。

Dielectric是介质层的意思，主要是就是SiO2，Si3N4，这两种介质层，此外要硬算，包括Low-k，High-K，AL2O3也能算。

氧化硅和氮化硅这种刻蚀设备需要用CCP刻蚀，叫电容耦合刻蚀，这块就是艾麦可的强项了。

所以同样是刻蚀设备，你看不同对象工艺区别很大。

目前硅与金属大概占刻蚀总量的60%左右，剩下的40%是介质层的刻蚀。

在简单和中等之间又列举了几种设备，分别是CVD，PVD，Optical Inspection/Metrology。

CVD，叫化学气相沉积，实际上这是一个大类，这里面各种各样的设备实在太多了，包括APCVD（常压CVD），LPCVD（低压CVD），SACVD（次常压），HDPCVD（高密度等离子CVD），PECVD（等离子增强型CVD），MOCVD（金属有机源CVD）等等。

其中LPCVD常见沉积钨，高温氧化膜，多晶硅膜，以及氮化硅膜等；

APCVD常见氧化硅膜，氮化物膜，有机膜等等；

SACVD常见快速填孔比如钨填孔等等；

PECVD常见，有机膜，氧化硅膜，非晶硅膜等等；

HDPCVD高密度等离子型常见SiO2，其他氧化膜等等；

有人问了好像SiO2，Si3N4在内的二氧化硅，氮化硅膜的工艺这么这么多，这不都一样吗？这具体看沉薄膜的厚度，质量，以及形貌，虽然都是沉膜，还是有一些区别的。

PVD叫物理气相沉积，包裹了磁控（Magnetron）和离子束（Ion Beam），以及RF射频等技术路线，实际上PVD有将近十种不同的技术路线。

PVD最常见的蒸发型和溅射型，主要就是各种金属膜，比如铝AL，铜Cu，钨W等。

少部分的锰，钌，钴，铋，钼等金属也会用PVD，但是主要看工艺和机理结合。

这里，某超级大佬，给我科普的长长一段，我一定要拿出来跟大家分享。

在10nm节点以下，铜会遇到一系列问题，比如会发生电阻突增的问题，而且铜是仅次于银的电子迁移率第二高的金属材料。

所以铜特别容易跑出去，跑出去就意味着要漏电，那发热量就会大增，这就是巨大的灾难。

因此业内想到用铜混着其他金属材料一起用，然后再用一堆barrier layer 阻挡，这样整个金属会变很多层，电阻率又上去了，而且这些孔和沟槽也不好填，因为都是各种各样的垃圾塞里面，铜想进也进不去，这问题烦透了。

上面提到的锰（Mn），钌（Ru），钴（Co），铋（Bi），钼（Mo），只有钴和钌可以放在Low Metel层上，钴和钨可以用在中段，而锰只能在High Metel层上。

什么intel用钴，TSMC用铋，都是说说的，实际上并没有多大用处。

如果不用barrier和seed层，自然最好，但是对工艺挑战很大，容易出一堆问题，填了又会搞废电阻率，属于两边骑虎难下的，非常头疼。

实际上我并没有完全吃透这些基本道理，但是大佬说什么是什么。

总之PVD主要以沉积金属为主，因为很多金属不能被氧化，所以不能用CVD。

总而言之，我也不太懂，只能东问西问。

当然了PVD在面板行业以及光伏行业也是非常重要的沉膜设备，面板叫真空蒸镀型。

国内干这个基本也就那乌拉了，整个PVD占了10%-15%的设备总量。

Optical Inspection/Metrology叫光学检测/计量设备。

检测计量这又是一个大类，它包括了。

表面缺陷（Surface），缺陷（Defect）,三维图形（3D），污染物检测（Contamination）,应力（Stress）,电学参数（Parameter）等等，这些叫检测（Inspection）;

关键尺寸（CD-SEM），套刻精度（Overlay），膜厚（Film）,几何图形（Geometry），注入量（Implant Metrology），缺陷SEM（Defect Review SEM）这些叫计量设备（Metrology）。

这个作者归为容易到中等中间，我觉得有点高估了咱们水平，这块前道量检测设备，是除了光刻机之外前道工艺设备里国产化比例最低的一块，当然这个赛道上的创业玩家也非常多，关老师一统计国内几十家………………

不过大多挤在普通光学，膜厚，电子束，套刻方向上，和KLA，应材，日立等国外龙头差距巨大。

国内五大家，上海精测，飞测，睿励，东方晶源和御微，算这个行业的龙头公司，当然这些公司的业务有不同的侧重点，并不是全做了，就看谁能脱颖而出。

期待，国产量测设备的大突破。

02

中等难度

然后中等难度下就更多了，作者列举了：

SEM，E-Beam Inspection/Metrology；Isotropic Etch，High Aspect Ratio Etch；Coator/Developer （Track）; Ion Implant Epitaxial Growth，ALD，以及KrF Lithography Scanners等。

SEM，E-Beam Inspection/Metrology，电子束检测设备，这个前面讲检测行业说过了就不说了。

Isotropic Etch，叫各向同性刻蚀，我属于万万没想到，作者居然把这种工艺分这么细，这东西在DRAM制程上挺多的，这个也叫高选择比刻蚀。

在各向异性/同性刻蚀，是指刻蚀沿着不同晶硅格方向，同性刻蚀，可以理解往横轴方向了，各项异性是往垂直方向。

这些东西特别是在存储制程上特别常见。

然后加下来，High Aspect Ratio Etch，高纵横比刻蚀，也就是高深宽比刻蚀。

这个在NAND上打深孔常见刻蚀工艺，什么1:40，1:60，就是指这些，之前市场火爆关注艾麦可进Y家的预期，好像也是这个原因。

所以这个作者把存储上用的常见两大刻蚀制程，高选择比和高深宽比给你们分这么细，我是真没想到，看来老外也是非常关注，国内存储厂的国产设备进度。

当然国内包括那乌拉，艾麦可，以及维族女婿他们公司这个领域三家比较强。

Coator/Developer （Track），这个就是涂胶显影，国内有且只有一家大哥，就是葬的好。

借用咔嚓的原话，Track 这东西看似简单，但是这么多年了，国内似乎也没第二家说自己做的特别好，看来，这东西里面还有很多门道。

大家可以理解成Track 设备会针对不同的光刻胶性能参数做微调，实际上属于半定制设备。

所以这东西还是需要很深的积累，是需要和客户FAB那端反复磨出来的！

Ion Implant，就是离子注入机，这个没啥好说的，国内基本就是凯世通与48的中科信。

离子注入机，主要就是高束流（High Current），中束流（Medium Current），高能量（High Energy），低能量（Low Energy）等，此外在碳化硅行业有个很特殊的叫高温离子注入（High Temperature）。

不过我想说的是离子注入这个东西在这个半导体设备行业属于几乎没有增长的那部分，目前仅仅只占了3%-4%左右，还不如湿法和CMP的行业规模大。

深入其原因，第一是离子注入的工艺比较少，一个FAB也用不了多少台，不算产能瓶颈设备，第二是现在有其他工艺能替代离子注入的掺杂，特别是在存储制程上，所以就挺尴尬的。

Epitaxial Growth，就是长外延设备，这里应该主要是指硅的外延设备， 常见就是外延炉，这东西小尺寸硅外延炉早国产化了，12英寸的硅外延设备也不难。

难点是啥？特殊的外延设备，比如锗硅外延，这东西应材卖5000多万人民币一台，各位就知道这东西有多难了。

好像听大佬们说“500亿”说自己干出来了，也不知道真假。

锗硅外延常见14nm以下工艺里，是国产设备急需突破的一大难点！国内工程师们加油！

ALD，这又是一种常见的薄膜沉积类设备，叫原子层沉积。

然后这个领域又分好多种不同的工艺类型的设备，比如单片的，炉管的，还有等离子增强型的PEALD。

单片式国外大哥就是ASMi，国内就是老三和微导，这种常见沉积HFO2，还有其他High-K材料。

炉管式国外就是KE和TEL，KE就是之前的日立国际电气，后面美国资本巨头KKR花了2517亿日元从日立手里买下，再经过拆分重组运营后变成现在的KE，Kokusai，科意，去年10月再在日本IPO上市。

炉管式对应工艺是TaN 和TiN，TaN和TiN是非常非常重要的缓冲层，包裹在各种金属线的结构外面，这些都需要炉管式ALD设备来实现。

前文提到的，除了离子注入做掺杂之外，ALD也能一定程度上起到类似的作用，定向的长薄膜的时候进行掺杂改变其电学参数，所以我说现在离子注入设备天花板比较低了。

最后一个KrF Lithography Scanners，这个是248nm的光刻机，这个不多说了。

KrF的光刻机，大致对应180-90nm工艺，在8英寸以及早期12英寸工艺上比较常见。

当然了，现在也有改良过后的针对12英寸先进工艺中端金属层的KrF 光刻机，别说KrF了，还有i-line的12英寸光刻机呢！

佳能：正是在下！

这些作者都归为有可能替代，也比较中肯，确实国内突破很多了。

十年后的诗与远方！

这里作者列举了也许我们需要十年甚至更长时间才能突破的半导体设备技术，包括了：

ArF Immersion Lithography Scaners，EUV Mask Inspection，Multi-Beam Mask Writer，EUV Lithography Scanners。

ArF Immersion Lithography Scaners，也就是193nm浸没型光刻机啊，这个就是ASML主流设备，从45nm节点开始一直到7nm，主要的光刻工艺用的就是这个。

其实还有个不带Immersion的，也就是193nm干式光刻机，它对应90-65/55节点，尼康还在这个领域混口饭吃，每年还出不少货。

关于光刻机国产化进度的消息属于国家机密，我不能多说，只能说有，一直在努力，二正在验证。

希望早日国产突破！

至于EUV Mask Inspection，EUV掩膜板检测，Multi-Beam Mask Writer多电子束掩膜板写入设备（掩膜板光刻机），EUV Lithography Scanners，EUV光刻机那是不敢想，真不敢想。

特别是这个Mask Writer，其实国内根本就没人做过，不管是不是EUV的包括DUV的，这东西基本就是尼康一家独大，贵的有上亿美金的！基本和EUV设备价格没什么差了。

03

查漏补缺

最后可能作者对半导体设备并不是很了解，它漏了好多东西。

我给大家再捋捋。

湿法设备设备里还有一个大类，虽然都叫湿法但是一般我们把它单独列出来。

PR Stripper，光刻胶湿法剥离设备，这个做的不少，比如PNC，那乌拉，ACRM等，高温硫酸工艺，就是这玩意儿。

Ashing，等离子干法去胶，也叫灰化设备，之前Mastton，也就是现在屹唐就是干这个的，然后还有韩国的PSK。

之前Ashing没人做，但是近些年一堆人干这个，特别是在化合物和小尺寸上，现在初创公司多如牛毛，随便一抓国内干这个起码十多家！

Ashing的去胶和Stripper不太一样，Ashing更多用在离子注入前的光刻胶的厚胶上，利用等离子技术快速去厚胶，但是整个工艺不能单独使用，要结合Stripper的湿法去胶，因为干法只能去掉80%，剩下20%还得湿法来，才能完全弄干净。

说句不好听的，目前把Ashing设备当主业的设备公司属于把自己路走窄了，因为这个市场体量并不大，随着做的人原来越多，价格越来越低，根本没有利润，必须要想办法开拓第二主力产品才能活下去。

唉，说说容易做做难，谁不想呢？但是现在窗口期正在过去，各位创业公司加油吧。

此外还有氧化（Oxidation）,包括湿氧（Wet-Oxygen）,水汽氧化（Steam），干式氧化（Dry-Oxygen），这个在以前的8英寸工艺上很多，12英寸上比较少见，都不用这个方案了。

然后还有退火（Annealing），这个又是一个很重要的设备分支，包括普通的退火，激光退火（Laser Annealing），快退火（RTA），快速热处理（RTP）等。

激光退火现在碳化硅行业很火，主要是碳化硅的特性原因，这个RTP也是屹唐的拳头产品，此外国内那乌拉这块也很多，基本属于国产化比例不低的领域了。

洋洋洒洒5000多字，虽然字数不多，但是基本全是精华了，把我知道的半导体设备与工艺知识，能搬的全都搬上来了。

海量资讯、精准解读，尽在新浪财经APP