國產刻蝕設備-中微篇

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在晶圓製造的設備中，光刻機、刻蝕機（包含等離子刻蝕和濕法刻蝕）和薄膜沉積設備為最核心的三種設備。分別占整個晶圓製造環節的23%、30%、25%。

圖1 晶圓製造設備佔比

要造出先進的集成電路，需要有1000多個工藝步驟，其中，刻蝕步驟最多可達100多個。等離子體刻蝕機是在晶元上進行微觀雕刻，一台刻蝕機每年要刻百萬萬億個又細又深的接觸孔或者線條，僅以打孔為例，其直徑是一根頭髮絲的幾千分之一，加工精度、均勻性、重複性要達到幾萬分之一，一台刻蝕機每年要刻1018（百萬萬億）個又細又深的接觸孔或線條，而且合格率要達到99.99%。其挑戰極限的難度之大可想而知。有人打了這樣一個比方：從北京建一條連通上海的高鐵，其軌道的高低誤差不能超過1根頭髮絲。

另外，光刻機受光波波長的限制，不能加工15納米以下的微觀結構，就要靠等離子體刻蝕機和化學薄膜的多重模板刻蝕，加工出10納米、7納米，以至5納米的微觀結構。

等離子刻蝕設備，單價在400~500萬美元以上，一個晶圓廠需要40-50台刻蝕機，按刻蝕材料，刻蝕機主要分為硅、介質和金屬三類。行業龍頭是Lam Research、TEL和AMAT，國產刻蝕機的生產主要有兩家，中微半導體和北方華創。中微半導體的16nm刻蝕機已實現商業化量產，7-10nm刻蝕機設備已達到世界先進水平。北方華創可應用於14nm製程的硅刻蝕機也開始進入生產線驗證。

主要介紹以下中微半導體公司。

一、公司介紹

中微半導體2004年8月成立於中國上海，是由原美國應材高管60歲的尹志堯帶領了15位在矽谷主流半導體設備產業的資深華裔工程技術和管理人員，以海歸人才為主的團隊創辦，以生產刻蝕機和MOCVD為主的高科技企業。

這些團隊精英中，上百人都是美國和世界一流的晶元和設備企業的技術骨幹，大都有著20到30多年半導體設備研發製造的經驗。包括尹志堯、錢學煜、倪圖強等不少該領域資深專家，平均擁有十七年的管理與開發經驗，共獲得超過200項美國專利，他們參與並領導了世界前兩代20多個成功的半導體製程設備的開發及引入市場。尹志堯自己擔任公司董事長兼總裁。AMEC的全球銷售和市場總部設在了新加坡，並在台灣、韓國、日本等設有分公司或辦事處。

圖2 中微半導體組織架構

中微半導體總部目前佔地面積有28,000 平方米，始建於2005年，有二棟廠房，包括第一期的4,000平方米和2014年建成並投入使用的二期工程24,000平方米。其中研發潔凈室1,000 平方米，生產潔凈室4,500平方米，材料倉庫6,500平方米。第二廠房的第二期全部完成後，可達到每年500台設備，100億人民幣的生產能力。

圖3 中微半導體廠房

二、領導團隊

1. 尹志堯

在美國矽谷從事半導體行業20多年的尹志堯，在世界最大的百億美元的半導體設備企業——美國應用材料公司擔任總公司副總裁，，先後獲得了有86項美國和國外的專利，曾被譽為「矽谷最有成就的華人之一」。

圖4 尹志堯（中）在AMAT工作期間，左一為王寧國

尹志堯，畢業於北京四中（江上舟是比他低兩屆的北京四中校友），1962年考入科大化學物理系。由於文革的緣故，遲到1968年春才畢業。

1968到1971年，在蘭州煉油廠工作。

1973年，轉到中科院蘭州物理化學所。

1978到1980年，在北大化學系讀碩士學位。

1980年，在美國一些親戚的幫助下，來到加州大學洛杉磯分校攻讀博士學位。三年半就拿到物理化學博士學位。以後的16年里，一直在矽谷工作

1984年開始在Intel公司的中心技術發展部門做電漿蝕刻工作。

1986年轉到LAM Research，開始是高級工程師，後來做到了技術發展經理。在那裡尹志堯負責彩虹等離子體刻蝕設備的開發。LAM靠著一些非常好的產品成為這個領域的領先者之一。

1991年，尹志堯來到應用材料公司，負責同一領域的研究開發工作，先後獲得了60多個美國和國外的專利。尹志堯開發或參與開發的產品，現在在這個領域大概佔了全世界的50％。尹志堯曾在應用材料公司任職13年，曾擔任公司副總裁、等離子體刻蝕設備產品事業群總經理、亞洲區採購副總裁、應用材料亞洲首席技術官等。另外，還幫助成立了矽谷中國工程師協會，並擔任了頭兩任的主席。

2004年，他和美國矽谷幾個志同道合的夥伴回到上海，組建了中微半導體設備公司（AMEC），他自己擔任公司董事長兼總裁。

2. 倪圖強

倪圖強博士本科畢業於中國科學技術大學，之後在德州大學達拉斯校區獲得了化學博士學位。他在半導體加工設備領域以及眾多單獨或合著的出版物中擁有42項專利。加入中微之前，他曾在Lam Research公司新產品部門擔任主要技術專家，並是Lam2300系列刻蝕產品的發明者之一。

倪圖強博士在中微擔任副總裁暨刻蝕設備產品事業群副總經理。他主要領導用於高端電介質刻蝕的Primo D-RIE和Primo AD-RIE設備的研發和項目管理，目前著重於刻蝕工藝反應腔體技術、等離子體源、等離子體物理和等離子體化學方面的研發。

三、產品

中微半導體共有CCP刻蝕機、ICP刻蝕機、TSV/MEMS刻蝕機、MOCVD、VOC等五大類產品，以下介紹主要針對其刻蝕產品。

圖5 中微半導體產品系列

中微刻蝕產品重要有兩大類產品，一類是CCP產品，共開發了Primo D-RIE、Primo AD-RIE和Primo SSC AD-RIE三代產品，覆蓋了從90nm到5nm技術節點。另一類是ICP產品，即Primo nanova，用於14-7nm工藝技術節點。

1. CCP刻蝕機

（1）Primo D-RIE

做為中微第一代電介質刻蝕產品，與2007年在日本半導體博覽會上發布，是12英寸雙反應台多反應腔主機系統，用於65nm到16nm技術節點，可以靈活配置多大三個雙反應台反應腔。每個反應腔都可以在單晶圓反應環境下，同時加工兩片晶圓。

該設備運用了自主知識產權的創新技術，包括甚高頻和低頻混合射頻去耦合反應離子刻蝕的等離子源、等離子體隔離環、以及用於控制腔體內反應環境的先進組件。可用於加工氧化硅、氮化硅及低介電係數膜層等所有的電介質材料。

產品特點：

模塊化的設計確保了更高產能，單台設備擁有多達六個反應台；
獨特的電容式等離子體源（CCP）雙反應台工藝設計，易於控制，產出效率更高；
獨立的反應台（底部甚高頻和低頻）射頻發生器和終點控制系統；
對稱的射頻路徑和最優化的氣體輸送方案，確保了刻蝕的均勻度；
閉合環路上電極加熱裝置和背部氦氣冷卻的靜電吸盤（ESC），能夠穩定控制溫度的均勻性；
擁有自主知識產權的射頻匹配系統，具有穩定、靈敏的頻率協調能力；
擁有自主知識產權的、穩定的等離子體隔離技術，具有高流到性；
高純度以及抗等離子體侵蝕組件材料，能夠控制缺陷，節省機台耗材成本；

（2）Primo AD-RIE

是中微第二代電介質刻蝕產品，2011年第三季度第一台Primo AD-RIE將進入亞洲一流晶元代工廠，可用於45nm到14nm後段製程以及10nm前段應用的開發。採用了可切換的低頻射頻發生器，優化了上電極氣流分布以及電極溫度調控的設計。

產品特點：

2/13兆赫茲可切換的射頻發生器，通過工藝控制用於現場運行；
三區氣體分布，更有效的協調中心-邊緣-極邊緣的均勻性；
優化了工藝及組件材料，達到缺陷控制和工藝穩定性；
靜電吸盤雙區冷卻裝置，提升了晶圓溫度均勻性；
每一步驟可獨立進行控溫的三區動態靜電卡盤；
採用超高純度工藝部件可將金屬污染量級控制在1E10 atoms/cm2以下；

（3） Primo SSC AD-RIE

是中微推出的最新一代電介質刻蝕產品，可用40-7nm工藝技術節點。SSC即單反應室腔體，將反應台拆分為獨立的反應腔，用於氣體輸送和抽氣系統控制。同時還具有射頻脈衝的同步化、可冷卻的聚焦環工藝組件和更大容量的分子泵等。可以處理多層薄膜刻蝕的微負載問題、極端邊緣形貌問題以及在高端存儲晶元中針對關鍵接觸性的刻蝕進行刻蝕終點控制。

產品特點：

每個反應台配備了專用的氣體輸送及其抽氣裝置；
多區氣體調節以及雙區ESC溫度控制；
高抽氣率、容量更大的分子泵；
雙級射頻脈衝（低頻和高頻）同步，動態頻率協調；
可冷卻的聚焦環工藝組件，提升晶圓極邊緣性能；
優化了上下電極的硬體設計，以及匹配更先進的3D快閃記憶體和DRAM生產工藝；

（4） Primo nanova

是中微基於ICP開發的第一代產品，適用於14-7nm工藝技術節點。可以配置多達6個刻蝕反應腔和兩個可選的去膠腔。ICP刻蝕反應腔採用軸對稱設計，具有高反應氣體通量。ICP發射天線採用低電容耦合3D線圈設計，可實現對離子濃度和離子能量的高度獨立控制。反應腔內部塗有高緻密性、耐高等離子體侵蝕材料，以及獲得更高的工藝重複性和生產率。設備還採用了多區細分的高動態範圍溫控靜電卡盤，實現高的關鍵尺寸均勻性。

產品特點：

軸對稱腔體設計；
低電容耦合3D線圈設計；
高抽速大容量分子泵；
精密的腔體溫控系統；
先進的高緻密性、耐等離子體侵蝕塗層工藝；
多區細分的高動態範圍溫控靜電卡盤；
阻抗可調聚焦環設計；
切換式雙頻偏壓系統；
可選的集成除膠反應腔；

從客戶的反饋證實， Primo nanova提供了預期達到的晶圓加工能力和生產率，以及具有競爭優勢的生產成本。它也是一款多功能的設備，使用最少的配置調整就可以變換適用於多種加工工藝。

（5） Primo TSV

是中微推出的首款用於高性能硅通孔刻蝕應用的高密度等離子體刻蝕設備，可提供8寸和12寸設備（是中微唯一的一款8寸設備）。具備預熱反應台、晶圓邊緣保護環、低頻射頻脈衝等多種獨特的功能。

產品特點：

電感式耦合高密度等離子體源的雙反應台刻蝕腔；
高功率射頻等離子體源，並具有連續或脈衝的射頻偏壓；
具有快速氣體轉換的內置氣箱
晶圓邊緣保護環
製程終端光學控制系統
可調節的雙發射天線

中微半導體擁有CCP和ICP刻蝕技術，可實現硅和介質刻蝕。CCP已經完成了三代產品開發，技術成熟，已經開發出了用於5nm工藝節點的介質刻蝕機，也是唯一一家進入台積電7nm生產驗證的國產半導體設備供應商。在保持CCP技術優勢的基礎上，中微半導體強勢進入硅刻蝕領域，推出了ICP刻蝕機，並已經完成了在中國大陸最先進生產線的量產驗證。

四、市場銷售

為實現中國大陸半導體設備國產化的目標，2014年底，中國大陸有集成電路行業內的廠商開始獲得國家集成電路產業投資基金(大基金)的投資。中微是大基金支持集成電路設備的第一家，獲得了4.8億元投資。

中微的刻蝕設備在成功進入28nm、14nm和10nm製程大生產線的基礎上，最近順利完成了在台積電的7nm製程核准，並進入了試生產階段。中微下一世代5nm製程刻蝕設備研發工作正在積極、有序的推進中。

截至2017年底，中微在全球半導體工廠共有753個腔室（process station），其中介質刻蝕565腔，TSV/ICP 114腔，MOCVD

74腔。分布在全球39個工廠，已經實現了量產4千萬片以上。介質刻蝕機是中微的主要產品，近幾年來都能夠實現100腔/年以上的銷售。

2016年中微全年銷售收入在6億元左右，預期 2017 年公司銷售將增長80%，銷售額達到11 億元人民幣。中微的銷售目標是：2020 年 20 億元、2050 年 50 億元，並成為進入國際三強的半導體設備公司。

由於近年中國大陸晶圓廠的持續擴張和新建廠，大陸已經超越台灣成為中微的第一大市場，預計大陸/台灣/其他海外市場佔比5：4：1。台灣地區一直是中微最重視的客戶，全球最大的兩個晶圓代工廠台積電和聯電都位於台灣地區。中微目前在台積電已經順利進駐超過200台反應機台，並與台積電展開7納米工藝製程合作，未來將跨入下一世代5納米合作；並且與聯電展開14納米工藝製程合作。目前，中微在台灣地區設有組裝、測試的製造中心。

朱新萍原是應用材料公司的客戶支持經理，加入中微後，負責中微機台在台灣的推廣和銷售，5年內銷售業績持續上升，並獲得多次提升，現已任職公司副總裁，成為中微核心管理團隊成員。

圖6 中微半導體設備出貨情況

五、小結

總的來說，中微網羅了一大批有多年工作經驗的業內精英，迅速打造了第一代CCP介質刻蝕設備，並利用與全球FAB廠良好的關係，積極推進刻蝕設備的入廠驗證，並得到了半導體巨頭台積電的認可。回顧中微刻蝕機台的驗證過程，中微沒有選擇難度較大的contact和ILD介質刻蝕，而是很有策略的選擇了Top Passivation刻蝕。熟悉半導體工藝的人都有所了解，頂部Passivation層與所謂的65nm、40nm乃至7nm的關係都不大，是一個難度很小的工藝。中微憑藉此簡單工藝入手，逐步佔領了該市場，並度過公司成立初期的經濟難關。

目前，中微公司CCP和MOCVD都已經得到了市場認可，CCP已經佔領了30%左右的國內市場，現在中微又開始進去ICP領域，與北方華創展開激烈的競爭。