一、刻蚀工艺简介
（一）刻蚀工艺概念
刻蚀工艺（ETCH）是指利用显影后的光刻胶图形作为掩模，在氧化硅、氮化硅、金属、多晶硅等衬底上腐蚀掉一定深度的薄膜物质，以此得到与光刻胶图形相同的集成电路图形。刻蚀过程中针对不同的待刻蚀材料，需要使用对应的刻蚀剂，刻蚀剂主要分为液态和气态两种，所以刻蚀设备可以根据刻蚀剂分为干法刻蚀与湿法刻蚀。
图1：刻蚀示意图
（二）刻蚀设备分类
刻蚀设备分类如下图所示：
图2：刻蚀设备分类图
二、湿法刻蚀设备
（一）湿法刻蚀介绍
湿法刻蚀主要采用液态化学品腐蚀需要刻蚀的部分，所以被称为湿法刻蚀。其工作原理与湿法清洗类似，都是用液态化学品去除不需要的物质。湿法刻蚀按照加工方式可以分为批量式和单片式。
（二）湿法刻蚀与干法刻蚀的主要区别
湿法刻蚀属于各向同性刻蚀，其代表在各个方向上，湿法刻蚀的刻蚀速率都是相同的，因此湿法刻蚀无法精确控制刻蚀的方向，导致其刻蚀精度较差，只适合用于加工线宽较大的半导体；干法刻蚀属于各向异性刻蚀，代表在特定方向上的刻蚀速率高于其他方向，因此干法刻蚀可以精确控制刻蚀方向，适合加工线宽较小的半导体。
（三）批量式湿法刻蚀设备
1、多槽式刻蚀设备
多槽式刻蚀设备是指拥有多个化学反应槽（化学槽）的湿法刻蚀设备，通过浸泡的方式同时加工多片晶圆，因为刻蚀不同的材料需要使用不同的刻蚀剂，所以化学槽内的刻蚀剂需要按照下游需求来配置。
在加工时，机械臂按照设定的顺序，依次将晶圆放入化学槽/清洗槽中，通过对浸泡时间和化学品温度的控制来完成刻蚀。
表1：湿法刻蚀步骤解释
多槽式刻蚀设备的优点在于可以同时对多片晶圆进行刻蚀加工，晶圆正面与背面也可以同时进行刻蚀，所以生产效率高，适合批量式生产。缺点在于只能通过浸泡时间、化学品温度等参数控制刻蚀速率，且无法做到控制刻蚀方向与单面刻蚀，所以刻蚀精度较差，此外由于有多个化学槽，设备占地面积较大，化学品和超纯水的使用量也较大。
2、单槽式刻蚀设备
单槽式刻蚀设备只有一个化学槽，同时整合了化学反应槽和清洗槽的功能。在加工时，化学品/去离子水通过氮气加压的方式从管路喷洒至槽内，然后晶圆被放置于转盘上进行旋转，并通过控制旋转速度、浸泡时间、化学品温度等参数，对刻蚀制程进行控制，最后通过转盘进行晶圆甩干完成刻蚀制程。
单槽式刻蚀设备的刻蚀效果与槽式刻蚀设备一样，但是在可靠性上不如多槽式刻蚀设备。因为单槽式刻蚀设备中的转盘经过长时间使用后，容易出现转速失控、震动等问题，对刻蚀制程产生负面影响，目前单槽式刻蚀设备已极少被使用。
（四）单片式湿法刻蚀设备
单片式湿法刻蚀设备是指一次只能刻蚀1片晶圆的设备。在加工时，刻蚀剂/超纯水通过喷嘴喷洒至晶圆表面，进行刻蚀；设备可以通过控制化学品流量、温度、制程时间和晶圆旋转速度等参数，更加精确的控制刻蚀的效果。
单片式湿法刻蚀设备的优点在于有较高的制程环境控制能力，所以刻蚀的均匀性要高于槽式刻蚀设备。另外，单片式刻蚀设备的占地面积较小，可以节省洁净室的使用面积。单片式湿法刻蚀设备的缺点在于一次只能加工1片晶圆，生产效率不如批量式湿法刻蚀设备。
三、干法刻蚀设备
（一）干法刻蚀介绍
干法刻蚀是指使用气态的化学刻蚀剂与晶圆上的待刻蚀材料发生反应，生成可挥发性物质，然后将其抽离反应腔的过程。干法刻蚀按照刻蚀原理可以分为物理性刻蚀和化学性刻蚀。
物理性刻蚀是利用辉光放电将氩气解离为带正电的离子，再利用偏压将离子加速，使其轰击在刻蚀的物体表面，将原子击出，完成刻蚀。在整个刻蚀过程中只发生了物理碰撞退火炉的原理及功能，所以称为物理性刻蚀。物理性刻蚀具有各向异性刻蚀的特点，可以获得接近垂直的刻蚀轮廓，但由于被击飞的物质并不具有可挥发性，导致这些物质再次沉积于被刻蚀的物体表面。因此物理性刻蚀极少用于超大规模集成电路的制造。
化学性刻蚀又称为等离子刻蚀，通过射频将刻蚀工艺气体离子化来增强其活性，使刻蚀气体与待刻蚀部分发生化学反应形成可挥发的副产物，然后将气态副产物抽离工艺室完成刻蚀制程。化学性刻蚀设备根据等离子产生的原理不同，可以分为ICP与CCP刻蚀设备。
（二）干法刻蚀设备主要参数
干法刻蚀设备主要的参数指标分为：刻蚀速率、选择比、均匀性、形貌以及微粒杂志等，具体解释如下：
表2：干法刻蚀设备主要参数介绍
（三）ICP与CCP刻蚀设备介绍
1、CCP刻蚀设备工作原理
CCP刻蚀设备中的射频电源在两侧装有电极板的腔室内导入交流电，当交流电压为正周期时，左电极板为负极，右电极板为正极，反应室内电子会朝右侧移动，正电离子朝左侧移动；反之，当交流电压为负周期时，电子向左侧移动，正电离子朝右侧移动。射频电源通过高频的周期变化频率使两种相反带电粒子在两块电极板之间高速振荡。带电粒子高速振荡后在腔室内导入工艺气体，使两种带电粒子不停撞击工艺气体粒子并激发出等离子体。其中离子的质量较大，震荡幅度远不如电子，所以主要依靠电子撞击来激发等离子体。
图3：CCP刻蚀设备工作原理示意图
2、ICP刻蚀设备工作原理
ICP刻蚀设备中的射频电源将射频电流导入线圈中，射频电流通过线圈时会产生一个电磁场，引导腔体内部的电子加速运动，加速运动的电子与刻蚀工艺气体的分子产生碰撞产生等离子体。
图4：ICP刻蚀设备结构图
3、CCP与ICP刻蚀设备的区别
表3：ICP与CCP刻蚀设备的区别
（四）干法刻蚀设备工作机理
在介绍干法刻蚀设备的工作机理之前，首先需要了解原子、阳离子、自由基和等离子体概念。
表4：概念介绍
干法刻蚀设备的工作机理如下：
第一步：首先通过晶圆装卸模块将晶圆放入EFEM，然后通过大气机械臂将晶圆放在晶圆校准器上进行朝向校准。
第二步：大气机械臂将晶圆从EFEM取出并放入气锁室，气锁室抽至真空，运输模块的真空机械臂将晶圆从气锁室运至工艺腔室，放置于静电吸盘上。
第三步：晶圆在腔室内被静电吸盘固定，在晶圆边缘放上硅环（聚焦环）调整晶圆边缘的等离子鞘层厚度。然后先通过干泵将腔室抽至低真空度状态，再由分子泵将腔室抽至高真空度状态。
第四步：工艺气体（刻蚀剂）通过上电极（喷淋头）均匀导入腔室内，同时刻蚀气体的流速被气体质量流量控制器严格控制。然后接通射频电源使上下电极的正负极不断发生变化，电子被电极所吸引与工艺气体分子产生碰撞产生离子与自由基，电子不断重复碰撞过程就会产生等离子体。
第五步：第二个射频电源控制刻蚀方向，吸引带正电的离子与自由基往指定方向靠近，与待刻蚀物质发生化学反应生成可挥发性物质（气体），使刻蚀具有各向异性。同时，在刻蚀过程中晶圆的温度会升高，静电吸盘通过氦气冷却晶圆，控制晶圆温度。
第六步：刻蚀产生的废气被泵抽离腔室，进入尾气处理装置内，通过高温焚烧、吸附等形式处理有害气体，然后进行排放。
第七部：终点侦测装置检测到等离子产生的光谱发生变化，说明已经刻蚀到下一层的物质，为防止造成过刻蚀，终点侦测设备将发出信号终止刻蚀制程。
（五）干法刻蚀设备市场规模
市场规模方面，根据 统计数据，2020年，全球集成电路制造干法刻蚀设备市场规模预计将回升至136.89亿美元，同比增长25.36%，在全球集成电路制造设备市场的规模占比达21.10%; 2025年，全球集成电路制造干法刻蚀设备市场规模预计将增长至181.85亿美元，年复合增长率约为5.84%。
图5：全球干法刻蚀设备市场规模
（六）干法刻蚀设备全球竞争格局
干法刻蚀设备的市场集中度较高，呈现头部企业垄断格局，全球干法刻蚀市场市占率前三的厂商(应用材料、泛林半导体、东京电子)占据了90.24%的市场份额，以下是市场份额介绍：
图6：2020全球干法刻蚀设备竞争格局
（七）干法刻蚀设备主要厂商介绍
1、美国 Lam （:LRCX）
Lam 成立于1980年，总部位于美国加利福尼亚州的弗里蒙特市。公司主要从事于半导体晶圆加工设备的研发、生产和销售，主营产品包括CVD镀膜设备、等离子清洗设备、等离子刻蚀设备、热处理设备等。
2、日本 Tokyo （TYO:8035）
Tokyo 成立于1963年，总部位于日本东京都赤坂商务大厦。公司主要从事半导体加工设备和平板显示生产设备的研发、生产和销售，主营产品包括涂布设备、等离子刻蚀设备、湿法刻蚀设备、薄膜沉积设备、热处理设备等。
3、美国 （:AMAT）
成立于1967年，总部位于美国加利福尼亚州圣塔克拉拉市。公司主要从事半导体设备的研发、生产和销售，主营产品包括离子注入设备、PECVD薄膜沉积设备、等离子刻蚀设备、涂胶设备、CMP设备等。
4、北方华创科技集团股份有限公司（.SZ）
北方华创科技集团股份有限公司成立于2001年，总部位于北京市朝阳区。公司主要从事半导体装备、真空装备、新能源锂电装备及精密元器件业务，主营产品包括等离子刻蚀设备、PVD沉积设备、CVD沉积设备、氧化扩散设备、湿法清洗设备等。
5、中微半导体设备（上海）股份有限公司（.SH）
中微半导体设备（上海）股份有限公司成立于2004年5月，总部位于上海市浦东新区。公司主要从事半导体加工设备的研发、生产和销售，主营产品包括等离子刻蚀设备、MOCVD镀膜设备，VOC净化设备等。
6、北京屹唐半导体科技股份有限公司
北京屹唐半导体科技股份有限公司成立于2015年12月，总部位于北京市经开区。公司主要从事半导体干法去胶设备、快速热处理设备（快速退火炉）和干法刻蚀设备的研发、生产和销售。
四、干法刻蚀设备结构及零部件
（一）干法刻蚀设备结构
较为典型的干法刻蚀设备主要组成部分包括原片装卸机（Load Port）、设备前端模块（ Front End ，EFEM）、气锁室（Load Lock，LL）、传输模块（，TM）和工艺模块（ ,PM）。
1、晶圆装卸机
晶圆装卸机被安装于EFEM前，作为晶圆进出EFEM的窗口。只需要将装有晶圆的晶圆盒放置在平台上，晶圆就会自动被送入EFEM；同理，加工完的晶圆会被送回晶圆盒中推出。
2、设备前端模块（EFEM）
设备前端模块主要功能是将晶圆搬运至气锁室，以及将完成加工的晶圆从气锁室搬出。其中，EFEM配备的高效空气净化器为EFEM内部提供更加洁净的环境，保障晶圆在传输过程中的洁净度。
3、气锁室
气锁室被安装于EFEM（大气环境）与真空腔室之间，起到真空环境与大气环境隔绝的作用。晶圆进入真空传输模块之前会被EFEM的大气机械手送入气锁室（大气环境），然后将气锁室内环境切换为真空，再由真空机械手将晶圆运至真空传输模块。
4、传输模块
传输模块处于真空环境，连接着多个反应腔，内有真空机械手将气锁室中未加工晶圆放入反应腔，并将已加工晶圆从反应腔传回气锁室。
5、反应腔
反应腔处于真空环境，主要用于晶圆刻蚀加工。
（二）干法刻蚀设备零部件
1、机械手
机械手主要用于生产线和设备中的片盒传输，以及设备内不同模块之间的晶圆传输，机械手按照工作环境不同可以分为大气机械手和真空机械手。
大气机械手为EFEM中的核心部件，负责大气环境下的晶圆取放，如EFEM、大气环境下的气锁室内的晶圆取放。按照传送圆片方式不同，大气机械手可以分为接触式和非接触式两种机械手。
接触式机械手是指在传送过程中，机械手臂与晶圆直接接触，通常采用真空吸附或托举的方式传输晶圆；因为直接接触的关系，容易造成晶圆划伤、翘曲变形。
非接触式机械手主要利用空气动力学（伯努利定理）实现机械手对晶圆的非接触“夹持”，晶圆上侧气流大于下侧，所以会形成向上的力托载晶圆。
真空机械手负责真空环境下的晶圆取放，如真空反应腔、传输腔、抽真空的气锁室；按照机械手的数量，主要可以分为双臂和单臂两种类型。
2、晶圆校准器
晶圆校准器是EFEM的核心部件之一，起到晶圆定位和姿态调整的作用（几乎每种工艺之前都要用）。
现在大规模集成电路生产线大量使用智能机械手来完成自动化装卸晶圆，但是机械手无法确保晶圆盒中每一片晶圆的摆放方向/位置是正确的，所以在进行加工前需要使用晶圆校准器完成晶圆位置的校准，确保后续加工方向正确。
晶圆校准器的定位原理是通过投射一束平行光束照射晶圆边缘，当晶圆在伺服电机驱动下旋转时，使一部分光（晶圆边缘有缺口，导致部分光穿过缺口投射到传感器上）投射到感光传感器上，然后通过算法确定晶圆朝向和中心位置。
图7：晶圆校准器工作原理示意图
3、静电吸盘
静电吸盘是一种利用库仑力将晶圆加以固定并进行控温的部件。在等离子刻蚀过程中会产生大量的热，而晶圆温度过高会影响刻蚀速率，进而造成良率下降，所以需要静电吸盘在固定晶圆的同时将热量快速移除，以此保证刻蚀的良率。
静电吸盘的电极与晶圆之间隔着一层不导电的绝缘体（氧化铝陶瓷）。当在电极上施加2kV以上高压时，会在晶圆背面诱发相反的电荷，凭借异性相吸的作用吸附晶圆。静电吸盘吸附晶圆时还需要同时控制晶圆温度，因为在刻蚀过程中会有热量积蓄在晶圆表面。降温主要通过氦气实现，氦气从底部的氦气通道进入晶圆和吸盘中间的缝隙中退火炉的原理及功能，带走晶圆表面的热量。
图8：静电吸盘工作原理示意图
4、射频电源
通常情况下，只要用到离子化（把离子打散）工艺的真空设备，都需要用到射频电源，如PECVD、、PEALD、刻蚀设备、去胶设备等。不同应用领域的射频电源涉及的频率和功率有所区别，频率越高的射频电源，离子化的效率越高，但是频率越高匹配难度越大，成本越高，所以射频电源厂商需要考虑射频电源工作效率和成本之间的平衡。
射频电源是一种可以产生射频段频率（-）的高频交流电源，虽然射频的频率段很宽，但是用于刻蚀领域的频率只有几种如、13.56MHz、60MHz等。
5、气体质量流量控制器
气体质量流量控制器可以对多种气体的质量流量进行精确测量和控制，其测量值不因环境压力或温度的变化而失准，且能够根据用户需求设定流量控制值。
气体流量控制器主要由流量传感器、流量控制阀和控制电路组成。其中，流量传感器通常基于热式原理或压力原理
当气体通过气体质量流量控制器通道时，由热式/压差流量传感器测得流量信号，流量信号经控制电路放大后，与流量设定信号进行对比，对比后的差值信号经过算法处理后传递给流量控制阀，流量控制阀根据控制信号调整开口大小，进而控制气体流量。
6、干式真空泵
在工业领域的高真空系统中，油扩散泵被普遍应用。但在使用油扩散泵的真空系统中，不可避免的会发生油蒸汽反流，使真空容器遭到污染，而且真空容器中的工艺气体会在油中溶解，使油本身的质量劣化，所以在刻蚀制程中不适合使用油扩散泵，主要使用干式真空泵为刻蚀设备提供真空工艺环境（抽干空气）。干泵根据工作原理不同主要可以分为干式螺杆真空泵、无油往复真空泵、爪式真空泵和无油旋涡真空泵，刻蚀设备厂商根据具体使用要求来选择。
图9：干式螺杆真空泵工作原理示意图
7、分子泵
分子泵也是真空泵的一种，主要通过转子高速旋转（转速/min, 最高/min）为气体分子提供动能，使其获得定向速度，从而将气体压缩并驱向排气口。但不同于干泵，分子泵不可以在大气下工作，大气下形成的高压会使叶轮破损，需要先用干泵将反应腔初步抽至真空，然后再启动干泵将腔体抽至高度真空状态。
8、聚焦环（硅、碳化硅、石英）
在等离子刻蚀制程中，晶圆边缘处的阻抗与晶圆中心位置的阻抗不一致会导致离子鞘层厚度不一致（阻抗越小，等离子鞘层越厚），进而引发离子在晶圆边缘处的运动轨迹发生偏移，降低刻蚀的均匀性和精度。
等离子鞘层的产生原因是电子的移动速度大于离子（电子比离子小），比离子更快到达周围的物体，所以会使等离子体周围的物体都带上负电，形成一个带负电的电场，该电场会加速离子，排斥电子。
聚焦环通过改变阻抗 或者 提高/降低位置的方式改变晶圆边缘的等离子鞘层，修正等离子的运动轨迹。
高阻抗：减小边缘区域离子鞘层厚度，使更多离子轰击晶圆边缘而不是聚焦环组件。
低阻抗：增加边缘区域离子鞘层厚度，使更多离子轰击聚焦环组件而不是晶圆边缘。
优化阻抗：使阻抗保持一致，使离子均匀轰击晶圆中心位置与边缘位置。
图10：聚焦环工作原理示意图
9、 上电极
上电极采用纯度99.9999%的硅（单晶、多晶都有）进行制作，产品寿命一般为400小时，单价1万-20万元不等。硅电极表面有密集的微小通孔，在刻蚀设备中上电极除了作为电极外，还作为刻蚀气体进入腔体的通路。
图11：上电极
10、 尾气处理装置
尾气处理装置的作用是处理刻蚀设备的有害废气，使其达到可以排放的标准。按照尾气处理方式的不同，可以分为燃烧式、电热式、等离子式和吸附式。
燃烧式：通过高温燃烧处理可燃气气体，温度最高可达1600℃，可以处理燃点较高的全氟化合物。
电热式：主要处理燃烧产物可溶于水的可燃性气体，温度为800-1100℃，温度较低不可处理全氟化合物。
等离子式：利用离子束破坏气体分子之间的化学键，从而分解气体。主要用于处理化学性质稳定的废气。
吸附式：采用吸附剂去除尾气中的有害成分。但是对于化学性质稳定的废气效果欠佳。
11、终点侦测装置
在刻蚀过程中，当被需要刻蚀的物质被完全去除后，刻蚀设备仍然会以较慢的速率继续刻蚀下一层的物质，从而造成过刻蚀。刻蚀的目的是在于完整去除无光刻胶保护的区域，并且不破坏底层原有的结构，为此需要终点侦测装置判断何时停止刻蚀，确保刻蚀的深度符合工艺要求。
终点侦测装置的工作原理：因为刻蚀过程中所产生的的生成物因为电子撞击跃迁至高能级，然后因为回归到基态而发射出特定波长的光子，不同物质产生的光子波长不同，终点检测装置通过检测等离子体发出的光的波长来判断是否刻蚀到了底部。
（三）干法刻蚀设备零部件主要供应商
1、EFEM（包括机械手、晶圆校准模块） 主要供应商
EFEM（包括机械手、晶圆校准模块） 主要供应商有：美国 、日本安川电机（YASWA）、日本JEL、韩国 。
2、静电吸盘主要供应商
静电吸盘市场主要被美日厂商垄断，主要生产商包括 、Lam 、日本、日本TOTO等。
3、射频电源主要供应商
射频电源市场主要被美国、德国厂商垄断，主要生产商包括美国MKS、美国AE、德国霍廷格。
4、气体质量流量控制器主要供应商
气体质量流量控制器主要供应商有美国 MKS、美国、日本堀场制作所（ Ltd）。
5、干式真空泵和分子泵主要供应商
干式真空泵和分子泵主要供应商有：美国瓦里安（）、德国普发真空（）、日本爱发科（ULVAC）。
6、聚焦环及上电极主要供应商
聚焦环及上电极主要供应商有：日本三菱材料、美国 Coors Tek、韩国SK 、美国。
7、尾气处理装置主要供应商
尾气处理装置主要供应商有：中国台湾华懋科技股份有限公司、美国 ns 、中国台湾晃谊科技股份有限公司。
8、终点侦测装置主要供应商
终点侦测装置主要供应商有：美国 、美国MKS。
五、资料来源
（一）网页来源
泛林半导体、应用材料、东京电子等各公司官网
（二）论文参考
《等离子体刻蚀中边缘离子轨迹的控制与优化_李国荣》
（三）书籍参考
《半导体制程设备技术》
《半导体制造工艺基础精讲》
《半导体制造设备基础与构造精讲》
《集成电路产业全书》
（四）招股书参考
中微公司招股书
屹唐半导体招股书
神工股份招股书