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国内半导体设备国产化率提升,首家自研量子芯片激光退火仪投产

电子工程专辑讯 近些年来,中国半导体设备国产化率逐渐上升,晶圆扩产逐步推动本土设备、材料等环节的突破,包括长江存储、华虹无锡、积塔、中芯绍兴、华力微、株洲中车六大内资产线总体国产化率快速上升。华海清科、拓荆科技、盛美半导体等国内设备厂商的平均业绩增速维持在68%左右。

图1:中国半导体设备国产化率逐渐上升

设备对芯片制造环节的重要性不言而喻,国家也是积极对Fab/设备/零部件/材料等重资产环节进行补贴。

近期,合肥本源量子计算科技有限责任公司(以下简称本源量子)自主研发国内为数不多的专用于量子芯片生产的MLLAS—100激光退火仪。

据介绍,MLLAS—100激光退火仪可达到百纳米级超高定位精度,对量子芯片中单个量子比特进行局域激光退火,从而定向控制修饰量子比特的频率参数,解决多比特扩展中比特频率拥挤的问题,助力量子芯片向多位数扩展。

也就是说,在生产量子芯片过程中,通过无损探针仪来发现量子芯片的优劣,通过激光退火仪去处理其存在的问题,就像“手术刀”一样精准剔除量子芯片中的“瑕疵”,增强量子芯片在向多比特扩展时的性能,从而进一步提升量子芯片的良品率。

该激光退火仪拥有正向和负向两种激光退火方式,可以在生产过程中灵活调节多比特超导量子芯片中量子比特的关键参数。同时,该设备还可用于半导体集成电路芯片、材料表面局域改性处理等领域。

图2:半导体材料覆盖芯片制造全流程

不过图2的芯片制造流程中没有提到“退火”这个步骤,根据台积电被曝光的晶圆制造全流程的步骤,先了解下晶圆制造工艺具体流程:

1、 表面清洗

2、 初次氧化

3、 CVD(Chemical Vapor deposition) 法沉积一层 Si3N4 (Hot CVD 或 LPCVD) 。(1)常压 CVD (Normal Pressure CVD) (2)低压 CVD (Low Pressure CVD) (3)热 CVD (Hot CVD)/(thermal CVD) (4)电浆增强 CVD (Plasma Enhanced CVD) (5)MOCVD (Metal Organic CVD) & 分子磊晶成长 (Molecular Beam Epitaxy) (6)外延生长法 (LPE)

4、 涂敷光刻胶 (1)光刻胶的涂敷 (2)预烘 (pre bake) (3)曝光 (4)显影 (5)后烘 (post bake) (6)腐蚀 (etching) (7)光刻胶的去除

5、 此处用干法氧化法将氮化硅去除

6 、离子布植将硼离子 (B+3) 透过 SiO2 膜注入衬底,形成 P 型阱

7、 去除光刻胶,放高温炉中进行退火处理

8、 用热磷酸去除氮化硅层,掺杂磷 (P+5) 离子,形成 N 型阱

9、 退火处理,然后用 HF 去除 SiO2 层

10、干法氧化法生成一层 SiO2 层,然后 LPCVD 沉积一层氮化硅

11、利用光刻技术和离子刻蚀技术,保留下栅隔离层上面的氮化硅层

12、湿法氧化,生长未有氮化硅保护的 SiO2 层,形成 PN 之间的隔离区

13、热磷酸去除氮化硅,然后用 HF 溶液去除栅隔离层位置的 SiO2 ,并重新生成品质更好的 SiO2 薄膜 , 作为栅极氧化层。

14、LPCVD 沉积多晶硅层,然后涂敷光阻进行光刻,以及等离子蚀刻技术,栅极结构,并氧化生成 SiO2 保护层。

15、表面涂敷光阻,去除 P 阱区的光阻,注入砷 (As) 离子,形成 NMOS 的源漏极。用同样的方法,在 N 阱区,注入 B 离子形成 PMOS 的源漏极。

16、利用 PECVD 沉积一层无掺杂氧化层,保护元件,并进行退火处理。

17、沉积掺杂硼磷的氧化层 

18、濺镀名列前茅层金属 (1) 薄膜的沉积方法根据其用途的不同而不同,厚度通常小于 1um 。(2) 真空蒸发法( Evaporation Deposition ) (3) 溅镀( Sputtering Deposition )

19、光刻技术定出 VIA 孔洞,沉积第二层金属,并刻蚀出连线结构。然后,用 PECVD 法氧化层和氮化硅保护层。

20、光刻和离子刻蚀,定出 PAD 位置

21、最后进行退火处理,以保证整个 Chip 的完整和连线的连接性 

在芯片制造的掺杂过程中(主要是离子注入)会将原子撞击出晶格结构,损伤晶格硅片。退火可以加热被注入硅片,修复晶格缺陷,还能使杂质原子移动到晶格点并将其激活。常见的硅片退火有两种基本方法:高温炉退火、快速热退火(RTA)。

退火是在离子注入的下一步,也是芯片制造过程中的必要流程。

不过在芯片制造设备上,国内的国产化率还是很低。根据SEMI等市场调研机构的数据,比如光刻机仅有1.2%的国产率,国内厂商上海微电子,目前可以量产90nm分辨率的ArF光刻机;涂胶显影设备仅占1.1%国产率,国内厂商芯源微在28nm及以上工艺节点的多项关键技术有所突破,盛美半导体将在2023年推出i-line型号设备;离子注入设备国产率仅有1.4%,薄膜沉积设备仅有4.6%。

目前在热处理设备、清理设备、刻蚀设备、去胶设备、CMP设备等能实现自给自足,但跟国外相比还是有很大差距。

根据数据了解2021年半导体设备市场规模,薄膜沉积设备主要由AMAT、Lam、TEL垄断主要市场,国内厂商北方华创、拓荆科技、中微公司国产率是4.6%。刻蚀设备也是由AMAT、Lam、TEL占据主要市场,北方华创、中微公司、屹唐股份国产率达22%市场。光刻机市场仅ASML就占据75%的市场,当前最前沿的光刻机设备均由ASML提供,Nikon、Canon占据19%市场份额,国内厂商上海微电子国产率是1.2%的份额。

CMP设备AMAT、EBARA两家占有95%的市场,华海清科、烁科精微电子国产率是18%。涂胶显影设备就TEL占据87%的市场份额,芯源微国产率是1.1%。清洗设备由Screen、TEL、Lam、SEMES占据94%的市场份额,盛美半导体占据1%的市场,其中盛美半导体、芯源微、北方华创、至纯科技的国产率高达31%。

前道测量/检测由KLA占据52%市场,其次是AMAT、Hitachi合计占有23%的市场,其中上海精测、中科飞测国产率仅有2%。

去胶设备的市场规模较小,大约7亿美元,不过也是国产化率较高的部分,其中屹唐半导体占据31.3%的市场份额,比恩科技是25.8%的份额,其次是Hitachi、Lam、泰仕半导体、ulvac、北方华创、HKE。屹唐科技、芯源微、中电科45的国产率74%。

离子注入设备由AMAT、Axcelis占据90%的市场份额,凯世通、中科信国产率仅有1.4%。热处理设备中AMAT和TEL、Hitachi三家占据82%的份额,屹唐科技、北方华创国产率20%。

测试设备有90亿美元的市场规模,不过Teradyne、Advantest、Cohu三家就占据了90.6的市场份额,华峰测控、长川科技国产率小于10%。

半导体设备市场具有龙头效应,短短几年市场率一般很难出现大规模变化。据数据了解,2020年光刻胶的市场规模前五名是JSP、TOK、杜邦、信越化学、富士胶片。

CMP抛光液就Cabot、Hitachi就各占了33%的市场份额,两家已经超过整个市场的半壁江山。CMP抛光垫就Dow就占了79%的市场份额,其他厂商只能喝点汤汤水水了……

半导体靶材主要被JX nippon、Honeywell、TOSOH、Praxair这四家占据了80%的市场份额,剩下的其他厂商大约是20%。电子特气由林德、空气化工、液化空气、太阳日酸占据半壁江山。湿电子化学品中,欧美企业占了31%的市场份额,其中大陆企业占有15%的市场份额。

文章来自:https://www.eet-china.com/

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