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2018年中国刻蚀设备市场规模及呈现趋势分析:先进制程与存储技术推动刻蚀设备投资占比提升[图]

2020年02月29日 13:16:22字号:T|T

    刻蚀是指用化学或物理的方法,有选择地去除硅表面层材料的过程,其工艺目的是把光刻胶图形精确的转移到硅片上,最后达到复制掩模板图形的目的。刻蚀的微观机理,可以从字面上拆分:(1)刻,物理作用,宏观上指用刀刻,微观上是指有粒子动量(力)去撞;(2)蚀,化学的作用,宏观上指腐蚀物理,微观上是指,被激活的分子或原子和目标物质的分子发生反应,异化掉该物质。

    一、刻蚀设备市场规模

    目前刻蚀技术以等离子体干法刻蚀为主导。刻蚀可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀,干法刻蚀是目前主流的刻蚀技术,其中以等离子体干法刻蚀为主导。等离子体刻蚀设备原理是利用等离子体放电产生的带化学活性的粒子,在离子的轰击下,与表面的材料发生化学反应,产生可挥发的气体,从而在表面的材料上加工出微观结构。

    按照刻蚀材料,干法刻蚀包括:1.介质刻蚀,包括氧化硅刻蚀(制作制作接触孔、通孔),氮化硅刻蚀(形成MOS器件的有源区和钝化窗口)。介质刻蚀要求刻蚀高深宽比深孔、深槽,同时需要对下层材料有较高的选择比。2.硅刻蚀,包括多晶硅刻蚀(形成MOS栅电极,是特征尺寸刻蚀)、单晶硅刻蚀(形成IC的STI槽和垂直电容槽),是定义特征尺寸的关键工序。对多晶硅刻蚀要求高选择比,防止栅氧化层穿通,大于150:1;好的均匀性和重复性;高度的各向异性。对单晶硅要求对每个沟槽进行精确的控制,要求有一致的光洁度、接近的垂直侧壁、正确的深度和圆滑的沟槽顶角和底角。3.金属刻蚀。

    包括刻蚀铝,形成IC的金属互联等。

    干法刻蚀的主要内容与刻蚀要求

数据来源:公开资料整理

    半导体制造业是重资产投入产业,需要大量设备投资,设备投资占整个总体投资比例为70%左右;设备投资中,晶圆处理设备投资额最大,占整体设备投资比例超过80%。2018年晶圆处理设备投资金额占整体设备投资比例达81%,晶圆处理设备中光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备投资金额占比最大,除了光刻机,刻蚀设备价值量最大,占晶圆设备投资的20%左右。

    全球晶圆处理设备市场景气度向上

数据来源:公开资料整理

    2018年晶圆处理设备销售额占总设备销售额的81%

数据来源:公开资料整理

    半导体晶圆处理设备价值量占比情况

数据来源:公开资料整理

    智研咨询发布的《2020-2026年中国刻蚀设备行业竞争格局分析及投资潜力研究报告》数据显示:除2008/2009年刻蚀设备销售额随着全球经济形势出现较大幅度衰退之外,2006年至今,刻蚀设备市场规模一直在60亿美元上下波动。全球半导体设备销售额在2018年创纪录,2019年重整,预计2020年再创新高。

    全球刻蚀设备市场规模变化

数据来源:公开资料整理

    中国刻蚀设备市场规模

数据来源:公开资料整理

    中国半导体投资主力正在改变,中国公司对半导体工厂投资逐渐超越外国公司。从投资方角度看,2017年前,海外国际性公司,如三星、SK海力士、英特尔是国内晶圆工厂建设主力,半导体设备消费也领先于国内其他公司;2017年后,中国公司投资快速增长,预计2019和2020年中国公司对国内晶圆工厂的投资将超越外国公司。

    中/外公司对中国半导体工厂投资额对比

数据来源:公开资料整理

    二、刻蚀设备呈现趋势

    1.先进制程与存储技术推动刻蚀设备投资占比提升。

    一方面,在14纳米到10纳米、7纳米甚至5纳米的制程演进中,现在市场上普遍适用色沉浸式光刻机受光波厂的限制,关键尺寸无法满足要求,因此需要通过多次沉积+刻蚀的方式来实现更小的尺寸,多重模板工艺增加了刻蚀设备的需求。同时由于关键尺寸的减小,对刻蚀的各种指标的要求也更加苛刻,随着制程的不断演进,刻蚀设备的占比近年来也呈现快速提升趋势。

    另一方面,2D存储器件线宽接近物理极限,NAND闪存进入3D时代,而3DNAND需要增加堆叠的层数,需要刻蚀加工更深的孔以及更深的挖槽,增加了对刻蚀设备的投资需求。3DNAND中刻蚀设备的支出占比达到50%,远高于此前工艺NAND的15%。

    刻蚀设备在3DNAND资本开支的份额

数据来源:公开资料整理

    2.3DNAND要求刻蚀技术实现更高的深宽比

    在平面结构中,对刻蚀设备的要求是满足精细线宽要求。但在3DNAND中制造工艺中,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的层数,对介质刻蚀而言,要在氧化硅和氮化硅一对的叠层结构上,加工40:1到60:1的极深孔或极深的沟槽。3DNAND下,对线宽的要求相对不那么苛刻,而是要求刻蚀设备能穿透多层结构,要求刻蚀技术实现更高的深宽比。

    典型的3DNAND结构示意图

数据来源:公开资料整理

    3.刻蚀精度要求提升,推动ICP刻蚀设备占比提升

    刻蚀效果主要包括刻蚀速率和刻蚀精度:(1)刻蚀速率(EtchRate)。用来衡量硅片的产出速度,刻蚀速率越快,产出率越高。提高刻蚀速率要求提高等离子密度。(2)刻蚀精度,主要包括保真度(Profile)、选择比(Selective)、均匀性(Uniformity)等参数。保真度要求把光刻胶的图形转移到其下的薄膜上,即希望只刻蚀所要刻蚀的薄膜,而对其上的掩模和其下的衬底没有刻蚀。选择比S=V/U(V为对薄膜的刻蚀速率,U为对掩模或衬底的刻蚀速率),刻蚀薄膜的过程中,掩模或者衬底也会不可避免给刻蚀,只是刻蚀速率不同,S越大选择比越高。高选择比在最先进的工艺中为了确保关键尺寸和剖面控制是必需的。特别是关键尺寸越小,选择比要求越高。此外,由于跨越整个硅片的薄膜厚度和刻蚀速率不同,从而导致图形转移的不均匀,尤其是中心和边缘相差较大,均匀性成为衡量这一指标的重要参数,刻蚀均匀性与选择比有密切的关系。

    随着工艺要求提高,ICP刻蚀由于能实现离子轰击速度和浓度的分开控制,更好的实现刻蚀速率和刻蚀精度,成为越来越多的选择。初期刻蚀设备的射频系统普遍为电容式耦合点射频系统,为了提高刻蚀速率,通常通过增加RF功率提高电场强度,从而增加离子浓度、加快刻蚀。但离子的能量也会相应增加,损伤硅片表面。为了解决这一问题,半导体设备厂商普遍采用了双射频系统设计,就是在原有基础上,增加一个置于腔体顶部的射频感应电场来增加离子浓度。该电场加速产生更多离子,但又不直接轰击硅片。Icp既可以产生很高的等离子体密度,又可以维持较低的离子轰击能量,解决了高刻蚀速率和高选择比两个原来互相矛盾的问题。 

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