中国粉体网讯 集成电路装备，即在芯片制造和封测流程中应用到的设备，广义上也包括生产半导体原材料所需的机器设备。整个芯片制造和封测过程包含上千道加工工序，涉及的设备种类大体有8大类，细分又可以划出上百种不同的机台，其中关键产品主要包括光刻设备、刻蚀设备、薄膜沉积设备、热处理设备、湿法设备、化学机械研磨设备、离子注入设备、量测设备等。
其中，半导体装备的零部件性能、质量和精度直接决定着设备的可靠性和稳定性，是中国在半导体制造能力上向高端化跃升的关键基础要素。零部件产业通常具有高技术密集、学科交叉融合、市场规模占比小且分散，但在价值链上却举足轻重等特点。
一般而言，设备零部件的支出占设备价值的50%~80%，而其中关键零部件的支出占比很高。以刻蚀机为例，10种主要关键零部件占设备总零部件支出的85%左右。可见，核心零部件技术是半导体装备产业赖以生存和发展的关键支撑，其水平直接决定中国在半导体装备产业创新方面的基础能级。
2022年，北方华创科技集团股份有限公司董事长赵晋荣等在《前瞻科技》发表文章，聚焦4大类核心工艺装备技术的发展现状，具体剖析了集成电路装备及其关键部件的主要技术发展和挑战。中国粉体网编辑选取部分内容分享与读者。
刻蚀设备
刻蚀设备是集成电路装备中最重要的核心设备之一，根据Gartner统计数据，2021年刻蚀设备全球市场规模近210亿美元，在全球集成电路装备市场的规模占比约23%。全球刻蚀设备呈现泛林半导体、东电电子和应用材料3家寡头垄断格局，3家合计占据了超过90%的市场份额。
NMC612D 12英寸硅刻蚀机（图源：北方华创）
中国大陆主要刻蚀设备厂商包括北方华创、中微半导体、屹唐半导体等，整体规模不足全球3%。刻蚀设备按等离子体产生的方式可分为：电感耦合等离子体（ICP）刻蚀、电容耦合等离子体（CCP）刻蚀、电子回旋共振（ECR）等离子体刻蚀、无等离子体（Dryclean）刻蚀4大类；按刻蚀工艺又可分为：硅刻蚀、金属刻蚀、介质刻蚀、去胶、干法去除等。
刻蚀设备的水平主要取决于关键零部件的技术性能。随着线宽节点的不断变小，对刻蚀技术的均匀性、负载控制能力、高深宽比刻蚀能力、颗粒控制能力等方面的要求也推动了关键零部件的技术演进。刻蚀机通常的关键技术主要包括静电卡盘技术、射频电源及其匹配器技术、终点检测技术和腔室内壁涂层技术。
例如，先进制程对静电卡盘的温度控制要求更高，因而需要设置超过100个区域来精确控制局部温度的补偿调整；需要射频电源具备功率输出的高稳定性和高可靠性，具备脉冲调制和脉冲管理功能，并能够实现多层级功率控制；需要更精确的终点检测（如光学发射光谱仪（OES））识别精细刻蚀工艺过程中信号强度变化；需要新型的腔室内壁涂层材料（如氟氧化钇（YOF）、钇铝石榴石（YAG）等）来满足越来越苛刻的颗粒控制要求。可以说，更高性能的刻蚀机依赖于更高性能的零部件，装备技术的创新依赖于零部件技术的创新和发展。
薄膜沉积设备
薄膜沉积是芯片制造的核心工艺环节，约占设备投资额的18%。随着薄膜沉积工艺的不断发展，根据不同应用演化出了物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD，含外延（EPI）、原子层沉积（ALD）等）等不同工艺设备用于晶圆制造的不同工艺制程。
SES680A 硅APCVD系统
据Gartner数据统计，2021年全球半导体薄膜沉积设备市场规模约167亿美元。薄膜沉积设备目前基本由应用材料、泛林半导体、东电电子、先晶半导体等国际巨头垄断。中国主要薄膜沉积设备厂商包括北方华创、拓荆科技等，其整体规模不足全球2%。
薄膜沉积设备根据薄膜材料的不同，可以分为金属薄膜（Al/Cu/W/Ti）、介质薄膜（SiO2/Si3N4）以及半导体材料薄膜（单晶Si、多晶Si）；按照设备工艺原理不同，可以大致分为PVD和CVD两大类，其中CVD设备又根据具体反应机理不同分为EPI、金属化学气相沉积（MCVD）、介质沉积、ALD等设备。
Polaris A系列ALD 设备
不同应用原理的薄膜沉积设备对核心零部件技术的要求也不尽相同，但整体来说控制材料产生的方式（溅射源或气体源）、基座温控技术、薄膜应力控制技术等是薄膜沉积设备的核心技术要点。
一是PVD设备通常的关键技术包括溅射源技术、静电卡盘技术、射频匹配器技术和腔室工艺内衬组件技术等。
二是CVD设备的主要关键技术包括反应源传输系统的温控和时控技术，反应源匀流分布及快速和均匀排气技术，基座真空吸附和温控技术，快速射频启辉，射频馈入及匹配技术等。
三是外延工艺作为CVD技术的另一种应用方向，其要求设备对热场与流场有很好的控制能力。主要技术包括广域测温仪技术、耐腐蚀压力计技术和超纯石英石墨加工技术。
热处理设备
根据Gartner数据，2021年全球半导体热处理设备市场规模约为50亿美元。在全球热处理工艺设备市场，科意半导体、应用材料、东电电子三巨头占据70%的市场份额，中国主要热处理设备厂商包括北方华创、屹唐半导体等，整体规模已占据全球市场的3%。
热处理工艺主要分为氧化、扩散、退火3大类，所使用的半导体设备有炉管式（Furnace）、单片式快速热处理（RTP）等设备。其中，立式炉按工艺应用可以分为氧化退火设备、薄膜沉积设备。单片快速热处理工艺包括浸入式退火（Soak Anneal）、尖峰退火（Spike Anneal）、毫秒级退火（Millisec﹐nd Anneal）、原位氧化等种类。
THEORIS 302／FLOURIS 201 立式退火炉
热处理设备的核心零部件及技术包括高精度的温控算法技术、加热器部件、高温计部件、晶圆载具、高纯碳化硅、高纯石英等。
湿法设备
湿法清洗是贯穿集成电路制造的重要工艺环节，也是影响半导体芯片良率的最重要的因素之一。清洗工艺步骤是先进工艺步骤中占比最大的工序，在逻辑电路工艺中占比大于30%，在3DNAND和DRAM工艺中占比近40%。伴随半导体制造技术节点的进步，清洗工序的数量和重要性将继续提高。
根据Gartner统计数据，2021年湿法设备全球市场规模约为50.8亿美元，全球湿法设备呈现迪恩士、东电电子、细美事和泛林半导体4家寡头垄断格局，4家合计占据了超过90%的市场份额。国内湿法设备厂商北方华创、盛美半导体、沈阳芯源、至纯科技整体规模不足全球5%。
Bpure系列 石英舟/管清洗机
湿法设备主要包括槽式清洗设备、单片清洗设备和批式旋转喷淋清洗设备等。湿法清洗是针对不同的工艺需求，采用特定的化学药液和去离子水，对晶圆表面进行湿法刻蚀，清洗或表面处理，达到去除多余膜层以及可能产生不良影响的颗粒、有机物、金属污染等。
湿法设备的工艺能力主要取决于其搭载的核心零部件及技术。随着技术节点的延伸，对晶圆表面的清洗及腐蚀均匀性、纳米级颗粒控制能力等提出更高的要求。湿法设备涉及的核心零部件包括精密化学传输装置、二流体清洗喷嘴和晶圆卡盘等。湿法设备工艺能力的进一步提升，一方面依赖更高性能的零部件，另一方面依赖各类超高纯材料，这两者的持续创新和发展推动湿法设备的持续更新变革。
如需详细了解国内外集成电路装备产业的发展现状、核心工艺装备技术的发展趋势及配套关键部件技术面临的挑战，可阅读《集成电路核心工艺装备技术的现状与展望》（赵晋荣, 韦刚, 侯珏, 等.）。
（中国粉体网编辑整理/平安）
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