目前，国内晶圆厂仍在一定程度上依赖国外半导体设备，但在一些细分产品领域，中国本土设备的市占率已相当可观。

刻蚀设备领域，北方华创和中微公司近年来取得了令人瞩目的进展。中微公司的介质刻蚀机已进入台积电5nm产线，而北方华创则在ICP刻蚀方面表现出色，相关设备已经进入中芯国际的产线验证阶段。

8月初，被誉为 “中国刻蚀机之父”的中微公司董事长尹志尧预计，在未来几个季度，中国本土CCP刻蚀设备市场，自给率将达到60%，ICP刻蚀设备市场，计划以同样快的速度占有中国本土75%的市场份额。

8月25日，据南华早报报道，尹志尧在与分析师举行的电话会议上表示，中微半导体80%的限制进口零部件可在国内替代，明年下半年实现100%国产！

刻蚀机制造的挑战与难度

如果说，刻机的工作就好像木匠用墨线在木板上画线，而刻蚀机的工作则是木匠在木板上按照墨线的痕迹雕花。光刻决定了水平的精度，那么刻蚀就决定了垂直的精度，这两个工艺都是在挑战制造的极限。

刻蚀技术作为微电子制造中的重要环节，在集成电路、光学器件、微纳加工等领域发挥着关键作用。

精密控制：刻蚀过程需要高度精密的控制，以确保在微纳尺度下实现准确的结构刻画。因此制造过程需要严格控制参数、温度、压力等因素，以保持刻蚀的精确性；

材料选择：刻蚀机制造要考虑不同材料的适应性，因为不同的材料对刻蚀过程的反应各不相同。同时，材料的选择也会影响刻蚀机的设计和材质，需要平衡性能、耐用性以及生产成本；

化学反应与物理过程：刻蚀既涉及化学反应，也包括物理过程，如离子束刻蚀、等离子体刻蚀等。将这些复杂的反应与过程结合在一台设备中，要求综合考虑不同机制的相互作用，确保刻蚀效果稳定可控；

设备稳定性：刻蚀过程往往需要长时间的运行，因此设备的稳定性和可靠性至关重要。振动、温度变化、气压等外部因素都可能影响刻蚀的结果，因此需要设计稳定的机械结构和精确的控制系统；

维护和保养：刻蚀机作为高科技设备，需要定期的维护和保养，以确保其长期稳定运行。维护人员需要具备专业知识，能够及时发现并解决设备中的问题，以降低生产中断的风险。

根据等离子体产生和控制技术的不同，又分为电容耦合等离子体 CCP刻蚀机和电感耦合等离子体ICP刻蚀机。

目前，全球刻蚀设备市场呈现垄断格局，泛林半导体、东京电子和应用材料公司占据主要市场份额。其中泛林半导体占据46.7%的市场份额，东京电子和应用材料分别占据26.6%和16.7%。我国刻蚀设备厂商中微公司和北方华创分别占1.4%和0.9%。

什么是刻蚀？

刻蚀是利用化学或者物理的方法将晶圆表面附着的不必要的材质进行去除的过程。刻蚀工艺顺序位于镀膜和光刻之后，即在晶圆上先将用于刻画电路的材料进行薄膜沉积，其上沉积光刻胶。

光刻机和刻蚀机的用途，很多人不是太清楚。简单的来说，光刻机又叫掩模对准曝光机，就是用光将掩膜上的电路结构复制到硅片上，刻蚀机很多人喜欢叫蚀刻机，这样和光刻机就一字之差，更好的理解。刻蚀机就是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，好让线路能够放进去，这就是刻蚀机最牛的地方。

刻蚀的材质包括硅及硅化物、氧化硅、氮化硅、金属及合金、光刻胶等，刻蚀按照被刻蚀材料划分，主要分为硅刻蚀、介质刻蚀以及金属刻蚀，其中介质刻蚀与硅刻蚀机占比分别为 49%和 48%，金属刻蚀占比仅为3%。通过有针对性的对特定材质进行刻蚀，才能使得晶圆制造不同的步骤所制造的电路之间相互影响降至最低，使芯片产品具有良好的性能。

按照刻蚀工艺划分，主要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腐蚀。目前来看，干法刻蚀在半导体刻蚀中占据绝对主流地位，市场占比达到95%。事实上，成为主流工艺方式是有原因的，干法刻蚀的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，从而保证细小图形转移后的保真性。湿法刻蚀由于刻蚀方向的不可控性，导致其在高制程很容易降低线宽宽度，甚至破坏线路本身设计，导致生产芯片品质变差。

近年来全球刻蚀机市场规模有显著提升，原因有二：第一，全球半导体产线资本开支提升，尤其是我国近年来建设大量晶圆厂以及存储产线，带来大量刻蚀机需求；第二，制程提升带动刻蚀机加工时长提升，对刻蚀机本身需求增长。由于光刻机在20nm 以下光刻步骤受到光波长度的限制，因此无法直接进行光刻与刻蚀步骤，而是通过多次光刻、刻蚀生产出符合人们要求的更微小的结构。

刻蚀工艺的特性

“刻蚀”工艺具有很多重要的特性。所以，在了解具体工艺之前，有必要先梳理一下刻蚀工艺的重要术语，请见下图：

第一个关键术语就是“选择比”，该参数用于衡量是否只刻蚀了想刻蚀的部分。在反应过程中，一部分光刻胶也会被刻蚀，因此在实际的刻蚀工艺中，不可能100%只刻蚀到想移除的部分。一个高选择比的刻蚀工艺，便是只刻蚀了该刻去的部分，并尽可能少地刻蚀到不应该刻蚀材料的工艺。

第二个关键词，就是“方向的选择性”。顾名思义，方向的选择性是指刻蚀的方向。该性质可分为等向性（Isotropic）和非等向性（Anisotropic）刻蚀两种：等向性刻蚀没有方向选择性, 除纵向反应外，横向反应亦同时发生；非等向性刻蚀则是借助具有方向性的离子撞击来进行特定方向的刻蚀，形成垂直的轮廓。试想一个包裹糖果的包装袋漏了一道口子，如果把整块糖连包装袋一起放入水中，一段时间后，糖果就会被溶解。可如果只向破口处照射激光，糖果就会被烧穿，形成一个洞，而不是整块糖果被烧没。前一现象就好比等向性刻蚀，而后一现象就如同非等向性刻蚀。

第三个关键词，就是表明刻蚀快慢的“刻蚀速率（Etching Rate）”。如果其他参数不变，当然速率越快越好，但一般没有又快又准的完美选择。在工艺研发过程中，往往需要在准确度等参数与速率间权衡。比如，为提高刻蚀的非等向性，需降低刻蚀气体的压力，但降压就意味着能够参与反应的气体量变少，这自然就会带来刻蚀速率的放缓。

最后一个关键词就是“均匀性”。均匀性是衡量刻蚀工艺在整片晶圆上刻蚀能力的参数，反映刻蚀的不均匀程度。刻蚀与曝光不同，它需要将整张晶圆裸露在刻蚀气体中。该工艺在施加反应气体后去除副产物，需不断循环物质，因此很难做到整张晶圆的每个角落都是一模一样。这就使晶圆不同部位出现了不同的刻蚀速率。

湿法刻蚀和干法刻蚀的优缺点

湿法刻蚀因为使用液体速度更快，每分钟去除的深度更大，但不会形成类似于直方的结构。湿法刻蚀会均匀地刻蚀所有方向，从而导致横向方向上的损耗，而对于CD小型化应该避免这种现象。相反，干法刻蚀可以在某一特定方向上进行切割，使得实现理想中纳米（nm）级的超精细图案轮廓。

此外，湿法刻蚀会产生环境污染，因为使用过的液体溶液需在此工艺完成后进行丢弃处理。相比之下，采用干法刻蚀时，排放管线中会布置洗涤器，这能够在向大气中排放废气之前经过中和过程，从而减少对环境的影响。

然而，由于晶圆上方数多层复杂地缠绕在一起，所以在采用干法刻蚀过程中很难瞄准某一特定的层（膜）。在针对某一特定层进行刻蚀时，采用湿法刻蚀会更容易进行，因为它采用化学反应进行刻蚀。而在进行选择性刻蚀时使用干法并不容易，因为需要结合物理和化学技术。

选干法还是选湿法？

首先，根据芯片产品的制程要求，如果只有干法刻蚀能胜任刻蚀任务，选干法；如果干湿法刻蚀都能胜任的，一般选湿法，因为湿法较经济；如果想精确控制线宽或刻垂直/锥形角度，则选干法。

当然还有一些特殊的结构是必须要用湿法刻蚀的。比如MEMS中刻硅的倒金字塔结构，则只能用湿法刻蚀来完成。

文章来源： 芯片失效分析，半导体封装工程师之家，每日财报，EDA365电子论坛