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造出5nm蚀刻机的上海中微有多强美国企业都来盗
作者:澳门波音平台   发布时间:2019-12-11 15:04

  半导体领域是一个非常复杂的产业链,可以说没有半导体产业的发展,也就没有如今的互联网时代,互联网时代其实也可以叫硅晶片时代,我们电脑、手机、电视等等,它们所用到的芯片、集成电路等都是用硅制造出来的。

  半导体工艺流程主要包括单晶硅片制造、IC设计、IC制造和IC封测等环节。在每个工艺环节中,都需要大量的软件和硬件设备。

  单晶硅片制造需要单晶炉等设备,IC制造需要光刻机、刻蚀机、薄膜设备、扩散\离子注入设备、湿法设备、过程检测等六大类设备。在半导体设备中,像台积电等晶圆代工厂设备采购额约占80%,检测设备约占8%,封装设备约占7%,硅片厂设备等其他约占5%。

  IC 制造设备市场中光刻机、蚀刻机、薄膜设备是最为核心的设备,光刻技术是一种精密的微细加工技术。常规光刻技术是采用波长为2000~4500埃的紫外光作为图像信息载体,以光致抗光刻技术蚀剂为中间(图像记录)媒介实现图形的变换、转移和处理,最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺。

  光刻机设备目前被荷兰的ASML所垄断,这是台积电、英特尔、高通等一大批半导体厂商提供资金、技术打造的垄断巨头。

  而采用物理或化学方法是物质(原材料)附着于衬底材料表面的过程即为薄膜生长。薄膜生长广泛用于集成电路、先进封装、发光二极管、MEMS、功率器件、平板显示等领域。根据工作原理的不同,集成电路薄膜沉积可分为物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和外延三大类。主要设备有PECVD、LPCVA、ALD、PVD等。

  刻蚀是使用化学或者物理方法有选择地从硅片表面去除不需要材料的过程。通常的晶圆加工流程中,刻蚀工艺位于光刻工艺之后,有图形的光刻胶层在刻蚀中不会受到腐蚀源的显著侵蚀,从而完成图形转移的工艺步骤。刻蚀环节是复制掩膜图案的关键步骤.

  干法刻蚀是把硅片表面曝露于气态中产生的等离子体,等离子体通过光刻胶中开出的窗口,与硅片发生物理或化学反应(或这两种反应),从而去掉曝露的表面材料,所以干法刻蚀也称等离子刻蚀。干法刻蚀是亚微米尺寸下刻蚀器件的最重要方法。

  利用干法刻蚀的也叫等离子体刻蚀机,等离子体刻蚀机是芯片制造中的一种关键设备,用来在芯片上进行微观雕刻,每个线条和深孔的加工精度都是头发丝直径的几千分之一到上万分之一,精度控制要求非常高。

  比如,16nm工艺的微观逻辑器件有60多层微观结构,要经过1000多个工艺步骤,攻克上万个技术细节才能加工出来。

  在集成电路制造过程中需要多种类型的干法刻蚀工艺,应用涉及硅片上各种材料。被刻蚀材料主要包括介质、硅和金属等,通过与光刻、沉积等工艺多次配合可以形成完整的底层电路、栅极、绝缘层以及金属通路等。

  介质刻蚀是用于介质材料的刻蚀,主要包括氧化物刻蚀和氮化硅的刻蚀,是最复杂的刻蚀过程。。接触孔和通孔结构的制作需要刻蚀介质,从而在ILD中刻蚀出窗口,而具有高深宽比(窗口的深与宽的比值)的窗口刻蚀具有一定的挑战性。

  硅的等离子体干法刻蚀是硅片制造中的一项关键工艺技术,主要作用为制作MOS 栅结构、器件隔离和DRAM 电容结构中的单晶硅槽。多晶硅栅的结构对刻蚀要求很高,必须对下层栅氧化层有高的选择比并具有非常好的均匀性和可重复性。多晶栅刻蚀通常采用氟基气体。单晶硅刻蚀主要用于制作沟槽,要求每个沟槽都要保持一致的光洁度、接近的垂直侧壁、正确的深度和圆滑的沟槽顶角和底角。对浅槽的刻蚀使用氟气,对光刻胶有高选择比。对深槽刻蚀常采用氯基或溴基气体,刻蚀速率高并对氧化硅有高的选择比。

  金属刻蚀主要应用于金属互连线、通孔、接触金属等环节。金属互连线通常采用铝合金,对铝的刻蚀采用氯基气体和部分聚合物。钨在多层金属结构中常用作通孔的填充物,通常采用氟基或氯基气体。

  而在湿法腐蚀中,液体化学试剂(如酸、碱和溶剂等)以化学方式去除硅片表面的材料。需要说明的是,湿法腐蚀一般只是用在尺寸较大的情况下(大于3微米)。

  来自上海的中微半导体,不仅突破了国外的技术封锁,还自主研发了5nm等离子体蚀刻机,达到了世界顶尖水平。

  中微半导体设备(上海)有限公司2004年5月31日由尹志尧在创立,尹志尧毕业于中国科学技术大学化学物理系,在硅谷Intel公司、LAM研究所、应用材料公司等电浆蚀刻供职16年,在半导体领域尹志尧个人拥有60多项技术专利,被称为“硅谷最成功的华人之一”。

  尹志尧的回国离不开上海芯片产业的奠基人、国家大飞机项目的启动者之一江上舟,他一直致力于推动包括大飞机和半导体在内的许多重大科技项目,中国内地最大的晶圆体代工厂中芯国际的创立也离不开他。

  在一次世界半导体设备展上,尹志尧偶遇时任上海经委副主任的江上舟。江上舟仔细观看了美国应用材料公司的设备后说:“看来刻蚀机比还复杂,外国人用它来卡我们的脖子,我们能不能自己把它造出来?”

  江上舟还鼓励尹志尧:“我是个癌症病人(2002年江上舟确认肺癌),只剩下半条命,哪怕豁出命去,也要为国家造出刻蚀机。我们一起干吧!”(2009年,62岁癌症缠身的江上舟还是接任了中芯国际董事长一职,用1年的时间让中芯国际走出亏损,相继挖来王宁国、杨士宁等业内人士,促进了中芯国际的大发展,然而,在他踌躇满志,准备花5年时间,投入大约120亿美元,升级扩产时,却终究没有敌过癌症,2011年遗憾去世)。

  在江上舟的鼓励下,2004年8月,时年60岁的尹志尧决定回国创业。他说:“我给外国人做了几十年嫁衣了,是时候报效祖国了。”与此同时,他还说服并带回了一批在硅谷主流半导体设备公司或研究机构工作多年的资深华裔工程师,后来共有15位半导体领域资深工程师与已经60岁的尹志尧一起创建了中微公司。

  张忠谋59岁创立台积电,尹志尧60岁创立中微,虽然花甲之年,却依然雄心万丈。

  尹志尧创业的时候加上政府的支持,才有不到6000万的资金,在在投资巨大的半导体行业,无异于杯水车薪,而这个时候江上舟为他拉来了5000万美元的无息贷款。这让中微的发展一下进入了快车道。

  有技术有资金,中微选择挑战蚀刻机和薄膜沉积设备,仅用了4年的时间,2008年,中微基于电感耦合(ICP)技术研发的12英寸刻蚀设备。

  它可以配置多达六个刻蚀反应腔和两个可选的除胶反应腔。其中刻蚀反应腔采用了轴对称设计,具有高反应气体通量。ICP发射天线采用了中微具有自主知识产权的低电容耦合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、耐等离子体侵蚀材料,以获得更高的工艺重复性和生产率。中微自行研发的12英寸刻蚀机卖到了台湾,进入了芯片生产线。

  中微从成立以来,目标一直就是““咬住国际先进水平不放松”。但这让中微承受了巨大的压力,中微每年的研发支出差不多是5000万美金,而这只是美国应用材料年均研发投入的1/20,中微2017年的销售收入才不到2亿美元,研发支出占了销售收入的30%。

  不过中微还是用微薄的投入做出了惊人的成就,从2008年起,中微主要攻关的是介质刻蚀工艺,它先后成功开发和销售了适用于65/45/28/20/14/10/7纳米工艺制程的一系列等离子体刻蚀设备,始终保持着与当时的世界先进水平同步。

  中微半导体CEO尹志尧形容说:“在米粒上刻字的微雕技艺上,一般能刻200个字已经是极限,而我们的等离子刻蚀机在芯片上的加工工艺,相当于可以在米粒上刻10亿个字的水平。”

  中微生产和销售的500多个刻蚀反应台已经在中国、日本、韩国、新加坡、中国台湾等国家和地区的40条先进芯片生产线上运行,高质量地生产了6000多万片晶圆。2017年7月,台积电宣布将中微纳入其7纳米工艺设备商采购名单,使中微成为唯一进入台积电7纳米工艺蚀刻设备的大陆本土设备商。

  2017年初,在美国总统科学技术咨询委员会向总统提交的报告《确保美国半导体的长期领导地位》中,中微是唯一被提及的中国企业。

  此前,美国商务部在实地考察了中微和中芯国际后,于2015年2月9日公告无奈放弃“限制对华出口刻蚀设备”并通报“瓦森纳协议”。

  这一事件标志着西方国家在集成电路高端装备领域的垄断和对华封锁首次被打破。

  2017年4月,尹志尧宣布,中微已经掌握5nm技术,预计年底正式敲定5纳米刻蚀机。 无独有偶,两周后,IBM也宣布掌握5奈米技术。 因此,尹志尧这一宣布,意味着中微在核心技术上突破了外企垄断,中国半导体技术第一次占领至高点。

  2018年12月,深圳中微半导体自主研发的5nm等离子体蚀刻机,近日已经通过了台积电的验证,这标志着中国在蚀刻机领域已经领先世界,做到了世界一流水平。

  从2004年创立中微,到2018年造出5nm蚀刻机,尹志尧一共花了14年的时间。

  除了介质刻蚀之外,中微在硅刻蚀上也做出了重大的突破,中微TSV刻蚀设备已经装备了国内所有的集成电路先进封装企业。市场占有率超过50%。同时还远销欧洲,应用于新兴的微电机系统(MEMS)传感器制造。

  在薄膜设备领域,像金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备。用于制造蓝光LED 的中微MOCVD设备在最近两年,从几乎为零的国内市场占有率一举实现超过70%的市场占有率,彻底打破了美国维科(Veeco)和德国爱思强(Aixtron)两家供应商长期垄断市场的局面。中微可以说是全球MOCVD最大的供应商。

  中微目前还在攻破金属硬掩膜刻蚀领域,从而实现实现了硅刻蚀、介质刻蚀、金属刻蚀的全覆盖。

  中微取得了如此厉害的突破,自然也引来美国的不满,你一个中国企业凭什么做得这么牛!10多年来,美国应用材料、泛林研发、维科三大半导体设备公司轮番对中微发起了商业机密和专利侵权的法律诉讼,意欲遏制中微的发展。

  对此,中微有充分的准备,他们在国内外申请了1200多件相关专利,其中绝大部分是发明专利,有力地保护了其自主创新形成的知识产权。

  尹志尧指出:自从成立以来,中微可以说是被美国起诉最多的公司,其中主要有四场大官司,这四场官司包括了专利诉讼,商业机密等多个方面,但是无一例外,中微都取得了胜利或者达成了和解。

  四场大官司分别是2007年和全世界最大的半导体设备公司美国应用材料之战;第二和第三场是2009年和美国科林研发之战,这场官司一审科林就败诉了,之后它们不服结果又继续上诉,结果中微全赢;而第四场则是和美国维科之战。

  当时,美国维科在MOCVD设备市场被中微打得节节败退,所以他向约东区的联邦法院对中微MOCVD设备的晶圆承载器 (石墨托盘) 供应商西格里碳素(SGL)展开了专利侵权诉讼, 维科认为,西格里碳素为中微半导体设计的石墨托盘侵犯了其专利, 要求禁止西格里碳素向中微供货,并赔偿巨额损失。

  但其实这是维科侵权盗取了中微的专利,但是美国法院还是支持了维科的诉讼请求,禁止了西格里碳素向中微供货。2018年年初,中微决定以其人之道还治其人之身。

  中微获悉,美方涉嫌侵犯中微专利权的设备即将从上海浦东国际机场进口,随即向上海海关提出扣留侵权嫌疑货物的申请。这批货物价值3000多万,直接给予了维科重创,只得乖乖坐下来谈。

  正如尹志尧自己所说的那样,中微之所以能够在专利战中立于不败之地,是做好了这五点:

  第一,员工在入职的时候会签署保密协议,保证不泄露任何,明确规定违反之后的后果和个人责任。第二,中微会详细研究其他厂商的专利,明确的知道哪些地方不能碰,哪些地方可以绕过去。第三,中微目前已经申请了1200个专利,形成了自己的专利保护壁垒。第四,即便有了专利保护等措施,中微为了预防对手下黑手,利用时间等措施来拖垮中微,中微也设置了一定的应对措施,第五,中微不仅严格遵守中国的也遵守全世界各国的知识产权法律法规,保证不会违反任何一个国家的法律。

  如今,中微在蚀刻机领域已经全球领先,在薄膜设备领域也取得了突破,而薄膜设备还有光刻机设备其余两微也在发力,分别是上微还有北微。

  上微,就是上海微电子装备有限公司,它承担了国家科技重大专项“极大规模集成电路制造技术与成套工艺专项”的65nm光刻机研制项目。现在,他们突破的是90纳米的光刻机。这是从0到1的突破,尽管90nm光刻机已经不是市场主流,但是他们如今还在不断发力。

  北微,全称是北方华创科技集团股份有限公司,由北方微电子和七星电子两家公司重组而成。其研发团队以清华、北大、中科院为背景,北微在硅蚀刻还有金属蚀刻领域已经掌握了14nm工艺,总体差距不是很大。

  而在薄膜设备领域,北微基本实现了薄膜工艺的全覆盖,其 28nm 硬掩膜 PVD 已实现销售,铜互连PVD、14nm 硬掩膜PVD、Al PVD、LPCVD、ALD 设备已进入产线验证。

  可以说,在半导体领域的六大类设备,以三微、中芯国际、海思、紫光展锐为首的中国半导体企业,正在努力追赶或者超越西方,让我们一起为他们加油!


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