国产刻蚀设备-中微篇

2019年4月27日14:50:46国产刻蚀设备-中微篇已关闭评论 80 views

在晶圆制造的设备中,光刻机、刻蚀机(包含等离子刻蚀和湿法刻蚀)和薄膜沉积设备为最核心的三种设备。分别占整个晶圆制造环节的23%、30%、25%。

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图1 晶圆制造设备占比

要造出先进的集成电路,需要有1000多个工艺步骤,其中,刻蚀步骤最多可达100多个。等离子体刻蚀机是在芯片上进行微观雕刻,一台刻蚀机每年要刻百万万亿个又细又深的接触孔或者线条,仅以打孔为例,其直径是一根头发丝的几千分之一,加工精度、均匀性、重复性要达到几万分之一,一台刻蚀机每年要刻1018(百万万亿)个又细又深的接触孔或线条,而且合格率要达到99.99%。其挑战极限的难度之大可想而知。有人打了这样一个比方:从北京建一条连通上海的高铁,其轨道的高低误差不能超过1根头发丝。

另外,光刻机受光波波长的限制,不能加工15纳米以下的微观结构,就要靠等离子体刻蚀机和化学薄膜的多重模板刻蚀,加工出10纳米、7纳米,以至5纳米的微观结构。

等离子刻蚀设备,单价在400~500万美元以上,一个晶圆厂需要40-50台刻蚀机,按刻蚀材料,刻蚀机主要分为硅、介质和金属三类。行业龙头是Lam Research、TEL和AMAT,国产刻蚀机的生产主要有两家,中微半导体和北方华创。中微半导体的16nm刻蚀机已实现商业化量产,7-10nm刻蚀机设备已达到世界先进水平。北方华创可应用于14nm制程的硅刻蚀机也开始进入生产线验证。

主要介绍以下中微半导体公司。

一、公司介绍

中微半导体2004年8月成立于中国上海,是由原美国应材高管60岁的尹志尧带领了15位在硅谷主流半导体设备产业的资深华裔工程技术和管理人员,以海归人才为主的团队创办,以生产刻蚀机和MOCVD为主的高科技企业。

这些团队精英中,上百人都是美国和世界一流的芯片和设备企业的技术骨干,大都有着20到30多年半导体设备研发制造的经验。包括尹志尧、钱学煜、倪图强等不少该领域资深专家,平均拥有十七年的管理与开发经验,共获得超过200项美国专利,他们参与并领导了世界前两代20多个成功的半导体制程设备的开发及引入市场。尹志尧自己担任公司董事长兼总裁。AMEC的全球销售和市场总部设在了新加坡,并在台湾、韩国、日本等设有分公司或办事处。

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图2 中微半导体组织架构

中微半导体总部目前占地面积有28,000 平方米,始建于2005年,有二栋厂房,包括第一期的4,000平方米和2014年建成并投入使用的二期工程24,000平方米。其中研发洁净室1,000 平方米,生产洁净室4,500平方米,材料仓库6,500平方米。第二厂房的第二期全部完成后,可达到每年500台设备,100亿人民币的生产能力。

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图3 中微半导体厂房

二、领导团队

1. 尹志尧

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在美国硅谷从事半导体行业20多年的尹志尧,在世界最大的百亿美元的半导体设备企业——美国应用材料公司担任总公司副总裁,,先后获得了有86项美国和国外的专利,曾被誉为“硅谷最有成就的华人之一”。

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图4 尹志尧(中)在AMAT工作期间,左一为王宁国

尹志尧,毕业于北京四中(江上舟是比他低两届的北京四中校友),1962年考入科大化学物理系。由于文革的缘故,迟到1968年春才毕业。

1968到1971年,在兰州炼油厂工作。

1973年,转到中科院兰州物理化学所。

1978到1980年,在北大化学系读硕士学位。

1980年,在美国一些亲戚的帮助下,来到加州大学洛杉矶分校攻读博士学位。三年半就拿到物理化学博士学位。以后的16年里,一直在硅谷工作

1984年开始在Intel公司的中心技术发展部门做电浆蚀刻工作。

1986年转到LAM Research,开始是高级工程师,后来做到了技术发展经理。在那里尹志尧负责彩虹等离子体刻蚀设备的开发。LAM靠着一些非常好的产品成为这个领域的领先者之一。

1991年,尹志尧来到应用材料公司,负责同一领域的研究开发工作,先后获得了60多个美国和国外的专利。尹志尧开发或参与开发的产品,现在在这个领域大概占了全世界的50%。尹志尧曾在应用材料公司任职13年,曾担任公司副总裁、等离子体刻蚀设备产品事业群总经理、亚洲区采购副总裁、应用材料亚洲首席技术官等。另外,还帮助成立了硅谷中国工程师协会,并担任了头两任的主席。

2004年,他和美国硅谷几个志同道合的伙伴回到上海,组建了中微半导体设备公司(AMEC),他自己担任公司董事长兼总裁。

2. 倪图强

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倪图强博士本科毕业于中国科学技术大学,之后在德州大学达拉斯校区获得了化学博士学位。他在半导体加工设备领域以及众多单独或合著的出版物中拥有42项专利。加入中微之前,他曾在Lam Research公司新产品部门担任主要技术专家,并是Lam2300系列刻蚀产品的发明者之一。

倪图强博士在中微担任副总裁暨刻蚀设备产品事业群副总经理。他主要领导用于高端电介质刻蚀的Primo D-RIE和Primo AD-RIE设备的研发和项目管理,目前着重于刻蚀工艺反应腔体技术、等离子体源、等离子体物理和等离子体化学方面的研发。

三、产品

中微半导体共有CCP刻蚀机、ICP刻蚀机、TSV/MEMS刻蚀机、MOCVD、VOC等五大类产品,以下介绍主要针对其刻蚀产品。

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图5 中微半导体产品系列

中微刻蚀产品重要有两大类产品,一类是CCP产品,共开发了Primo D-RIE、Primo AD-RIE和Primo SSC AD-RIE三代产品,覆盖了从90nm到5nm技术节点。另一类是ICP产品,即Primo nanova,用于14-7nm工艺技术节点。

1. CCP刻蚀机

(1)Primo D-RIE

做为中微第一代电介质刻蚀产品,与2007年在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。

该设备运用了自主知识产权的创新技术,包括甚高频和低频混合射频去耦合反应离子刻蚀的等离子源、等离子体隔离环、以及用于控制腔体内反应环境的先进组件。可用于加工氧化硅、氮化硅及低介电系数膜层等所有的电介质材料。

产品特点:

  • 模块化的设计确保了更高产能,单台设备拥有多达六个反应台;
  • 独特的电容式等离子体源(CCP)双反应台工艺设计,易于控制,产出效率更高;
  • 独立的反应台(底部甚高频和低频)射频发生器和终点控制系统;
  • 对称的射频路径和最优化的气体输送方案,确保了刻蚀的均匀度;
  • 闭合环路上电极加热装置和背部氦气冷却的静电吸盘(ESC),能够稳定控制温度的均匀性;
  • 拥有自主知识产权的射频匹配系统,具有稳定、灵敏的频率协调能力;
  • 拥有自主知识产权的、稳定的等离子体隔离技术,具有高流到性;
  • 高纯度以及抗等离子体侵蚀组件材料,能够控制缺陷,节省机台耗材成本;

(2)Primo AD-RIE

是中微第二代电介质刻蚀产品,2011年第三季度第一台Primo AD-RIE将进入亚洲一流芯片代工厂,可用于45nm到14nm后段制程以及10nm前段应用的开发。采用了可切换的低频射频发生器,优化了上电极气流分布以及电极温度调控的设计。

产品特点:

  • 2/13兆赫兹可切换的射频发生器,通过工艺控制用于现场运行;
  • 三区气体分布,更有效的协调中心-边缘-极边缘的均匀性;
  • 优化了工艺及组件材料,达到缺陷控制和工艺稳定性;
  • 静电吸盘双区冷却装置,提升了晶圆温度均匀性;
  • 每一步骤可独立进行控温的三区动态静电卡盘;
  • 采用超高纯度工艺部件可将金属污染量级控制在1E10 atoms/cm2以下;

(3) Primo SSC AD-RIE

是中微推出的最新一代电介质刻蚀产品,可用40-7nm工艺技术节点。SSC即单反应室腔体,将反应台拆分为独立的反应腔,用于气体输送和抽气系统控制。同时还具有射频脉冲的同步化、可冷却的聚焦环工艺组件和更大容量的分子泵等。可以处理多层薄膜刻蚀的微负载问题、极端边缘形貌问题以及在高端存储芯片中针对关键接触性的刻蚀进行刻蚀终点控制。

产品特点:

  • 每个反应台配备了专用的气体输送及其抽气装置;
  • 多区气体调节以及双区ESC温度控制;
  • 高抽气率、容量更大的分子泵;
  • 双级射频脉冲(低频和高频)同步,动态频率协调;
  • 可冷却的聚焦环工艺组件,提升晶圆极边缘性能;
  • 优化了上下电极的硬件设计,以及匹配更先进的3D闪存和DRAM生产工艺;

(4) Primo nanova

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。ICP刻蚀反应腔采用轴对称设计,具有高反应气体通量。ICP发射天线采用低电容耦合3D线圈设计,可实现对离子浓度和离子能量的高度独立控制。反应腔内部涂有高致密性、耐高等离子体侵蚀材料,以及获得更高的工艺重复性和生产率。设备还采用了多区细分的高动态范围温控静电卡盘,实现高的关键尺寸均匀性。

产品特点:

  • 轴对称腔体设计;
  • 低电容耦合3D线圈设计;
  • 高抽速大容量分子泵;
  • 精密的腔体温控系统;
  • 先进的高致密性、耐等离子体侵蚀涂层工艺;
  • 多区细分的高动态范围温控静电卡盘;
  • 阻抗可调聚焦环设计;
  • 切换式双频偏压系统;
  • 可选的集成除胶反应腔;

从客户的反馈证实, Primo nanova提供了预期达到的晶圆加工能力和生产率,以及具有竞争优势的生产成本。它也是一款多功能的设备,使用最少的配置调整就可以变换适用于多种加工工艺。

(5) Primo TSV

是中微推出的首款用于高性能硅通孔刻蚀应用的高密度等离子体刻蚀设备,可提供8寸和12寸设备(是中微唯一的一款8寸设备)。具备预热反应台、晶圆边缘保护环、低频射频脉冲等多种独特的功能。

产品特点:

  • 电感式耦合高密度等离子体源的双反应台刻蚀腔;
  • 高功率射频等离子体源,并具有连续或脉冲的射频偏压;
  • 具有快速气体转换的内置气箱
  • 晶圆边缘保护环
  • 制程终端光学控制系统
  • 可调节的双发射天线

中微半导体拥有CCP和ICP刻蚀技术,可实现硅和介质刻蚀。CCP已经完成了三代产品开发,技术成熟,已经开发出了用于5nm工艺节点的介质刻蚀机,也是唯一一家进入台积电7nm生产验证的国产半导体设备供应商。在保持CCP技术优势的基础上,中微半导体强势进入硅刻蚀领域,推出了ICP刻蚀机,并已经完成了在中国大陆最先进生产线的量产验证。

四、市场销售

为实现中国大陆半导体设备国产化的目标,2014年底,中国大陆有集成电路行业内的厂商开始获得国家集成电路产业投资基金(大基金)的投资。中微是大基金支持集成电路设备的第一家,获得了4.8亿元投资。

中微的刻蚀设备在成功进入28nm、14nm和10nm制程大生产线的基础上,最近顺利完成了在台积电的7nm制程核准,并进入了试生产阶段。中微下一世代5nm制程刻蚀设备研发工作正在积极、有序的推进中。

截至2017年底,中微在全球半导体工厂共有753个腔室(process station),其中介质刻蚀565腔,TSV/ICP 114腔,MOCVD74腔。分布在全球39个工厂,已经实现了量产4千万片以上。介质刻蚀机是中微的主要产品,近几年来都能够实现100腔/年以上的销售。

2016年中微全年销售收入在6亿元左右,预期 2017 年公司销售将增长80%,销售额达到11 亿元人民币。中微的销售目标是:2020 年 20 亿元、2050 年 50 亿元,并成为进入国际三强的半导体设备公司。

由于近年中国大陆晶圆厂的持续扩张和新建厂,大陆已经超越台湾成为中微的第一大市场,预计大陆/台湾/其他海外市场占比5:4:1。台湾地区一直是中微最重视的客户,全球最大的两个晶圆代工厂台积电和联电都位于台湾地区。中微目前在台积电已经顺利进驻超过200台反应机台,并与台积电展开7纳米工艺制程合作,未来将跨入下一世代5纳米合作;并且与联电展开14纳米工艺制程合作。目前,中微在台湾地区设有组装、测试的制造中心。

朱新萍原是应用材料公司的客户支持经理,加入中微后,负责中微机台在台湾的推广和销售,5年内销售业绩持续上升,并获得多次提升,现已任职公司副总裁,成为中微核心管理团队成员。

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图6 中微半导体设备出货情况

五、小结

总的来说,中微网罗了一大批有多年工作经验的业内精英,迅速打造了第一代CCP介质刻蚀设备,并利用与全球FAB厂良好的关系,积极推进刻蚀设备的入厂验证,并得到了半导体巨头台积电的认可。回顾中微刻蚀机台的验证过程,中微没有选择难度较大的contact和ILD介质刻蚀,而是很有策略的选择了Top Passivation刻蚀。熟悉半导体工艺的人都有所了解,顶部Passivation层与所谓的65nm、40nm乃至7nm的关系都不大,是一个难度很小的工艺。中微凭借此简单工艺入手,逐步占领了该市场,并度过公司成立初期的经济难关。

目前,中微公司CCP和MOCVD都已经得到了市场认可,CCP已经占领了30%左右的国内市场,现在中微又开始进去ICP领域,与北方华创展开激烈的竞争。

weinxin
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