芯片制造 芯片制造目前是集成电路产业门槛最高的行业,怎么看待门槛的高低呢,投资越高、玩家越少就表明门槛越高,目前在高端芯片的制造上也仅剩下台积电(TSMC)、三星(SAMSUNG)和英特尔(Intel)三家了。下面,我们分别从设备、工艺和材料三个方面来分析芯片制造,寻找我们和先进制造技术的差距。 2.1设备 芯片制造需要经过两千多道工艺制程才能完成,每个步骤都要依赖特定设备才能实现。 芯片制造中,有三大关键工序:光刻、刻蚀、沉积。三大工序在生产过程中不断重复循环,最终制造出合格的芯片。 三大关键工序要用到三种关键设备,分别是光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备。三大设备占所有设备投入的22%、22%、20%左右,是三种占比最高的半导体设备。 下面就以最为典型的光刻机和刻蚀机为例进行介绍并分析自主可控。 光刻机 光刻机的原理其实像幻灯机一样,就是把光通过带电路图的掩膜(也叫光罩)Mask投影到涂有光刻胶的晶圆上。60年代末,日本尼康和佳能开始进入这个领域,当时的光刻机并不比照相机复杂多少。 为了实现摩尔定律,光刻技术需要每两年把曝光关键尺寸(CD)降低30%-50%。需要不断降低光刻机的波长λ。然而,波长被卡在193nm无法进步长达20年。后来通过工程上最简单的方法解决,在晶圆光刻胶上方加1mm厚的水,把193nm的波长折射成134nm,称为浸入式光刻。浸入式光刻成功翻越了157nm大关,加上后来不断改进的镜头、多光罩、Pitch-split、波段灵敏光刻胶等技术,浸入式193nm光刻机一直可以做到今天的7nm芯片(苹果A12和华为麒麟980)。EVU光刻机EUV极紫外光刻(ExtremeUltra-Violet)是一种使用极紫外(EUV)波长的新一代光刻技术,其波长为13.5纳米。由于光刻精度是几纳米,EUV对光的集中度要求极高,相当于拿个手电照到月球光斑不超过一枚硬币。反射的镜子要求长30cm起伏不到0.3nm,相当于北京到上海的铁轨起伏不超过1毫米。一台EUV光刻机重达180吨,超过10万个零件,需要40个集装箱运输,安装调试要超过一年时间。2000年时,日本尼康还是光刻机领域的老大,到了2009年ASML已经遥遥领先,市场占有率近7成。目前,最先进的光刻机也只有ASML一家可以提供了。国内的情况,上海微电子(SMEE)已经有分辨率为90nm的光刻机,新的光刻机也在研制中。 在集成电路制造中,光刻只是其中的一个环节,另外还有无数先进科技用于前后道工艺中。 刻蚀机 刻蚀是将晶圆表面不必要的材质去除的过程。刻蚀工艺位于光刻之后。 光刻机用光将掩膜上的电路结构复制到硅片上,刻蚀机把复制到硅片上的电路结构进行微雕,雕刻出沟槽和接触点,让线路能够放进去。 按照刻蚀工艺分为干法刻蚀以及湿法刻蚀,干法刻蚀主要利用反应气体与等离子体进行刻蚀,湿法刻蚀工艺主要是将刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行刻蚀。 干法刻蚀在半导体刻蚀中占据主流,市场占比达到95%,其最大优势在于能够实现各向异性刻蚀,即刻蚀时可控制仅垂直方向的材料被刻蚀,而不影响横向材料,从而保证细小图形保真性。湿法刻蚀由于刻蚀方向的不可控性,在先进制程很容易降低线宽,甚至破坏线路本身,导致芯片品质变差。 目前普遍采用多重模板工艺原理,即通过多次沉积、刻蚀工艺实现需要的特征尺寸,例如14nm制程所需使用的刻蚀步骤达到64次,较28nm提升60%;7nm制程所需刻蚀步骤更是高达140次,较14nm提升118%。 下图所示为多次刻蚀原理。 和光刻机一样,刻蚀机的厂商也相对较少,代表企业主要是美国的LamResearch(泛林半导体)、AMAT(应用材料)、日本的TEL(东京电子)等企业。这三家企业占据全球半导体刻蚀机的94%的市场份额,而其他参与者合计仅占6%。其中,LamResearch占比高达55%,为行业龙头,东京电子与应用材料分别占比20%和19%。 国内的情况,目前刻蚀设备代表公司为中微公司、北方华创等。中微公司较为领先,工艺节点已经达到5nm。在全球前十大晶圆企业中,中微公司已经进入其中六家,作为台积电的合作伙伴协同验证14nm/7nm/5nm等先进工艺。 基于此,如果目前在光刻机领域我们还无力做出改变,那么已经有一定优势的刻蚀机势必会成为国产替代的先锋。 2.2工艺制程 芯片制造过程需要两千多道工艺制程,下面,我们按照8大步骤对芯片制造工艺进行简单介绍。 1.光刻(光学显影) 光刻是经过曝光和显影程序,把光罩上的图形转换到光刻胶下面的晶圆上。光刻主要包含感光胶涂布、烘烤、光罩对准、曝光和显影等程序。曝光方式包括:紫外线、极紫外光、X射线、电子束等。 2.刻蚀(蚀刻) 刻蚀是将材料使用化学反应或物理撞击作用而移除的技术。干刻蚀(dryetching)利用等离子体撞击晶片表面所产生的物理作用,或等离子体与晶片表面原子间的化学反应,或者两者的复合作用。湿刻蚀(wetetching)使用的是化学溶液,经过化学反应达到刻蚀的目的。 3.化学气相沉积(CVD) CVD利用热能、放电或紫外光照射等化学反应的方式,将反应物在晶圆表面沉积形成稳定固态薄膜(film)的一种沉积技术。CVD技术在芯片制程中运用极为广泛,如介电材料(dielectrics)、导体或半导体等材料都能用CVD技术完成。 4.物理气相沉积(PVD) PVD是物理制程而非化学制程,一般使用氩等气体,在真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后,可将靶材原子一个个溅击出来,并使被溅击出来的材质如雪片般沉积在晶圆表面。 5.离子植入(IonImplant) 离子植入可将掺杂物以离子型态植入半导体组件的特定区域上,以获得精确的电特性。离子先被加速至足够能量与速度,以穿透(植入)薄膜,到达预定的植入深度。离子植入可对植入区内的掺质浓度加以精密控制。 6.化学机械研磨(CMP) 化学机械研磨技术具有研磨性物质的机械式研磨与酸碱溶液的化学式研磨两种作用,可以使晶圆表面达到全面性的平坦化,以利后续薄膜沉积。 7.清洗 清洗的目的是去除金属杂质、有机物污染、微尘与自然氧化物;降低表面粗糙度;几乎所有制程前后都需要清洗。 8.晶片切割(DieSaw) 晶片切割是将加工完成的晶圆上一颗颗晶粒裸芯片(die)切割分离,便于后续封装测试。 虽然不同的Foundry厂的流程大致相同,但不同的工艺控制能力造就了各厂家在先进制程上的区别,随着制程进入5nm,能够量产的芯片制造商就屈指可数了,目前能够量产5nm芯片的只有TSMC和SAMSUNG。两千多道工艺制程中隐藏着Foundry的无穷的智慧和雄厚的财力,并不是说有了先进的设备,就能造出合格的芯片。虽然先进制程是技术发展的方向,我们也不能忽视成熟制程。成熟制程依然有很大市场份额。下图是按成熟制程(节点≥40nm)产能排序的全球晶圆代工厂商Top榜单。 可以看出,成熟制程产能排名前四的厂商分别为:台积电(市占率28%),联电(13%),中芯国际(11%),三星(10%)。成熟制程在2020年非常火爆,产能严重短缺,这给各大晶圆代工厂带来了巨大的商机。而从2021年的产业发展形势来看,这种短缺状况在近期内还难以缓解。 |
关于我们|手机版|EDA365电子论坛网 ( 粤ICP备18020198号-1 )
GMT+8, 2025-2-7 03:28 , Processed in 0.078125 second(s), 26 queries , Gzip On.
地址:深圳市南山区科技生态园2栋A座805 电话:19926409050