湿法工艺,集成电路制造中的重要一环,贯穿整个半导体生产过程。晶圆制造环节的湿法步骤最多,几乎每一步光刻、刻蚀、沉积、离子注入、CMP(化学机械抛光)均需要经历湿法工艺。特别是先进制程工艺中,湿法清洗(Cleaning)变得越来越重要,逐渐成为控制缺陷密度的最后一道工艺防线。
我们特地邀请求是缘半导体联盟会员企业:若名芯半导体科技(苏州)有限公司(简称若名芯)董事长余涛接受我们的采访。请他为我们详细地介绍国产湿法工艺设备产业的情况,分享他对湿法设备产业发展的观察和思考。通过他的分享,我们可以清晰地理解湿法工艺在集成电路制造中的位置:锦上添花还是雪中送炭?
2002~2018,余涛就职于芝浦机电株式会社工作长达16年,主要负责28~14nm线宽的高端湿法刻蚀设备在国内主流Fab客户的规格洽谈和机台导入。熟悉湿法设备工作机理、Fab工艺,了解半导体设备产业。
余涛于2019年参与创立若名芯,专注于湿法设备研发。经过几年的潜心突破,若名芯顺利研制出第一台国产高温磷酸设备且顺利进入某先进工艺产线验证。若名芯团队专注于湿法设备赛道,涵盖不同的清洗设备类型,颇有“后来者居上”的黑马之姿。
求是缘:您能否为我们科普一下:在半导体制造工艺中,湿法工艺具体包含哪些工序?不同的湿法工艺的目的是什么?
余涛:湿法顾名思义就是通过液体来“清扫”晶圆表面的东西,清洗的对象包括:有机物、Particle、金属粒子(铜、铁、铝等)、去胶(光刻胶、介质掩模)。
清洗主要是去除Particle,清扫晶圆表面;湿法刻蚀(腐蚀)则是去除膜层的,针对不同的特殊层。
清洗的底层逻辑比较好理解:如果水(纯水)能洗干净,就用水洗;如果水洗不干净,就上酸碱药液。酸碱药液也有浓度之分,如果低浓度的洗不干净,就用高浓度;如果常温(25℃)洗不干净,就上到中温(75℃),如果还不够就上更高的温度(高温150℃以上)。
清洗行业常见的药液:水(纯水)、酸(氟酸、硝酸、硫酸等)、碱(APM,KOH等)、有机物(TMAH,丙酮等)。对于清洗行业而言,高温、高浓度的强酸强碱还是比较有挑战的细分应用场景。
清洗在半导体的制造流程中涉及的工序非常多:光刻之后的去胶清洗,刻蚀之后的polymer清洗,离子注入之后的清洗,CMP后的Slurry清洗,包括电镀工艺在内也包含清洗模块。
特别是7nm以下的先进制程,清洗工艺已经占据30%左右的工序。清洗工艺的重要性不言而喻。以前大家都把焦点放在光刻工序,把清洗归类为“辅助设备”。但是随着先进工艺对清洗的要求越来越高,清洗水平的高低直接影响良率,所以清洗工序被称为半导体制造过程中的“隐形卫士”。换言之,如果没有好的清洗能力水平管控,做不出良率高的芯片。
清洗作为“全流程管家”,覆盖大硅片衬底的生产→前道晶圆的制造→后道封测、出厂等各段工序。
成熟工艺的槽式清洗相对比较容易;但是到先进工艺节点之后,清洗变得越来越复杂,也越来越重要。因为粘污多是纳米级、亚纳米级,肉眼无法识别,但其对芯片的电极特性损害却很大。
按照主流产业口径,Wet湿法设备包含:清洗、湿法刻蚀(腐蚀)2大类。而CMP(使用Slurry)、电镀(硫酸铜)和化镀等则可被归类为泛湿法设备。
求是缘:在产业界,大家常常把“清洗”工序比喻为良率背后的“隐形卫士”。请您再为我们展开讲一讲“清洗工艺”具体包含哪些清洗类型,不同“清洗工艺”类型的优缺点分别是什么?
余涛:清洗号称“全流程管家”几乎覆盖了半导体制造的全流程。根据不同的划分口径可以分成不同的清洗类型。
根据清洗方法不同可分为:干法清洗和湿法清洗。
干法清洗是主要是用等离子清洗,来改变表面的浸润性,使用的场景比较少。去除颗粒能力较小。
湿法清洗主要是采用药液来清洗,药液常见的有纯水、酸碱,有机等。根据不同清洗要求,选择不同的清洗药水类型,匹配不同的浓度和温度等。湿法清洗又可进一步分为:单片清洗机和槽式清洗机。槽式清洗则是采用25片,或50片晶圆每批次,一批一批的wafer浸泡入各种液体槽内完成清洗。槽式清洗的批量效率更高且成本更实惠,被大范围应用于传统成熟工艺产线。但槽式的缺点是容易引起交叉污染,第一片洗完之后的沾污很容易影响后续的片子。
单片清洗的好处在于它可以清洗晶圆的正反面、侧面等,清洗后的干净程度要高些。
基于工艺需求、成本和效率考量,能用槽式优先槽式清洗机,槽式洗不干净再上单片清洗机。因此,在14nm及其以下的先进工艺节点,单片清洗机居多;在7nm以下的更先进线宽工艺的产线,几乎全是单片清洗机,槽式清洗机极为罕见。
求是缘:湿法刻蚀工艺(WET腐蚀)作为湿法工艺的一种,其具体工作原理和其适配的应用场景有哪些?
余涛:清洗是去Particle和有机物等。而湿法刻蚀(腐蚀)则是去膜。半导体的工艺主要是长膜和去膜,特定的药液去除特定的膜层。我们用特殊的药液,通过不同浓度和不同温度。
比如我们使用氟酸来去除二氧化硅膜层;我们的磷酸设备则是面向SiN膜层。
湿法刻蚀有几个常用的核心指标:
1.刻蚀率(刻蚀的速度)。在先进制程工艺(14nm及以下),精细刻蚀尤为重要。规定“吃掉”几纳米就是几纳米。“吃少了”达不到工艺要求,“吃多了”过度刻蚀也不行。
2.选择比。想吃(刻蚀)的区域越快越好,不想吃(刻蚀)的区域越慢越好。我们的磷酸WET设备选择比已经达到100:1.
3.均匀性。晶圆是一个面,我们不能只看其中一个点的情况,我们需要关注整张晶圆的均匀性情况;我们还要关注不同批次晶圆之间的批次均匀性。
最终Fab选择是液体刻蚀还是干法刻蚀,取决于工艺层物质特性。Fab会基于各种结构的特性来选择是采用干法还是湿法。湿法刻蚀的另一个特性就是同向性。对于一些复杂结构,如需要掏空形成空腔结构,等离子无法精准地完成,就只能采用湿法刻蚀。
半导体产业发展主要依赖三方:客户工艺、设备和材料供应商一起合作往前走。设备和材料商主要是提供建议,展现出能力让Fab工艺知道;Fab的工艺根据需求来最终决定工艺Flow.
经过近20~30年的发展,干法刻蚀和湿法刻蚀两条路径泾渭分明,越往先进工艺越难,彼此很难跨到对方的阵营。
求是缘:您能否为我们介绍一下:更小的线宽工艺、新型的3D结构集成结构表面处理、新兴的异构集成、先进封装等新技术应用,为我们湿法设备厂商带来哪些挑战与机遇?
余涛:逻辑器件的结构越来越小,线宽越来越小(纳米→亚纳米),清洗难度越来越高。越是精细化的要求则倒逼设计(画图能力)、选型(选原材料能力 耐腐蚀、耐高温等)的水平也需跟上。逻辑器件讲究的是图像到达埃米结构,各种膜厚尺寸都比较小。我们使用高温磷酸(选择比可达到100:1)来精准地去除SiN膜,而对其他膜只有很少的Loss量。
结合国内客观产业环境来看,国内暂时缺乏7nm以下的线宽工艺应用场景。越是往深水区走,客户的工艺环境验证和反馈尤为重要。设备未经应用环境的验证,是无法发现真正的问题。幸运地是,我们的拳头产品--高温磷酸设备已经顺利进入某先进逻辑工艺制程验证。
湿法设备在存储Fab也有广泛应用。比如超声兆声清洗设备不仅可满足存储器件工艺的深宽比要求,还能有效降低Pattern Damage问题;高温硫酸设备可配合完成刻蚀工艺。
纵观半导体产业发展史,我们必须先理解国产替代的产生的时代背景:我们起步比较晚,必须先向“海外老师们”学习,从最简单的模仿起步,学会吃透之后做出产品,再基于客户使用过程中的反馈做改善我们的产品。
未来设备发展过程中会遇到哪些挑战?特别是先进技术节点上的困难,作为设备厂商,我们目前还无法凭空去想象和确认,因为我们的下游Fab还没有相应的应用场景出现。受制于国际产业环境制约,难以接触到国外的先进工艺节点环境,深水区我们没有经验可借鉴。
求是缘:您如何看待全球中高端湿法设备市场的竞争格局,您认为国产企业该如何发力,才能在中高端湿法设备供应市场逐渐拔得头筹?
余涛:全球湿法设备市场(清洗腐蚀)70+亿美金(约500亿RMB),中国占据35-40%.
全球湿法设备比较强的三家海外巨头友商: DNS、TEL、LAM,占据高阶湿法设备(高温、强酸强碱)约70-80%市场份额。
国内湿法设备赛道三家上市公司:北方华创(并购芯源微)、盛美、至纯三家比较有代表性。观察这三家友商的主营产品、营收指标等便可大概看出来国产湿法设备企业基本框架和发展战略。每家公司都有其独特的发展路径,依赖于核心团队底蕴,各有千秋。虽然距离Baseline海外巨头尚有差距,但国内三大上市友商已然起势并逐渐缩小差距。
作为非上市的国产设备创业团队,我们还是依赖“进口替代”逻辑。我们的发展底层逻辑是:专注做湿法设备,把高端湿法设备做好。我们走差异化路线,做友商们暂时不做或者暂时做不好的产品:如单片高温磷酸设备。
我认为在湿法设备领域创业,创业团队首先要清楚自己在市场中的角色定位。我们坚持做差异化的产品活下来;其次,创业团队最好能有自我造血、回血的能力。我们前两年依赖股东自己投钱支持→在大环境的加持下顺利融完了天使轮→待产品验证后顺利回款实现自我造血闭环→银行贷款+融资+设备销售回款来储备更多的子弹→继续扩展做更高端的湿法设备。
我们的湿设备布局路径:大硅片的清洗设备(CMP后的清洗、外延后的清洗、Final Clean清洗)→高温磷酸湿法刻蚀设备(已交付)、掩模板的清洗设备(Blank)→高温硫酸设备(更多的应用需求场景)。
传统的半导体行业发展逻辑:需要长周期、重投入,慢慢做,搞完一个机型再进阶投入研发下一个机型。但现在逻辑截然相反,我们需要在最短的时间把设备做出来。就像打仗一样,需要组建最强大的团队往前冲。因此我们能看到现阶段国内的产业资源(巨量资金、政策等)大部分倾斜给到上市公司。这对于非上市的设备企业而言是不公平的。虽然我们也可以融资,但到手里的资金体量完全不是一个量级。这不是一个纯粹的市场行为,阶段性解决中美博弈问题可以理解支持,但长期倾斜是不合理的。
作为非上市创业团队,我们要主动求变。首先,我们主动出击拥抱上市公司资源(业内同行、业外非同行等),借助上市公司的资源来获得资本、出海口等便利,实现快速发展。其次,我们也积极联合非上市企业抱团取暖,各取所长;最后,我们还是要依靠自身实力,继续保持走差异化的路径,满足客户所需,养活团队,稳步发展。
求是缘:您能否再结合应用行业,为我们介绍一下若名芯的主要产品线和应用市场的布局策略?
余涛:若名芯的第一类设备始于12吋的大硅片清洗。大硅片衬底厂商的是我们第一家客户,首次实现了现金流回血。在大硅片(颗粒直径19nm)颗粒清洗的设备机台,我们也是国内第一家&唯一一家实现大批次出货的国产设备厂商,另外一家是日本友商。
若名芯的第二类设备是高温磷酸设备。我们的高温磷酸设备恰如其分地协助解决了客户高端湿法设备卡脖子的难题。在尚无原型机的情况下,我们便幸运地拿到了客户一半的预付款,并进入验证交付阶段。目前,我们的高温磷酸设备已陆续进入2家Fab产线验证。若名芯团队有做高温磷酸的技术和经验沉淀,再迁移做高温硫酸就已水到渠成。我们的高温硫酸设备已经在研发中。
从理性的角度来看:如果团队没有12吋的技术沉淀,建议就不要再创业做自研设备,不如尽早卖掉或者转型,虽然目前依然还能赚快钱。但若更客观地研判:硅基6~8吋(碳化硅除外)的存量市场太小,需求不大。12吋市场的竞争对手太强大,发展速度很快。
面向下游Fab客户,但凡有一家国产友商先进入供应链,后续再进入的就成为B角(2nd source)。B角因为入局晚,所以只能在产品性能、服务等方面下狠功夫。B角既要能保证自己的品质性能上无限接近A角,又要能提供24小时驻场服务、随叫随到,还要在商务方面给客户实实在在的让利(价格、账期)。
若名芯的第三类清洗设备是面向掩模版清洗。我们的设备陆续交付给华东、华中的掩模版客户。
若名芯的第四类产品是传统硅基槽式清洗机。槽式大家都能做,最终拼的是价格和服务。但我们不怕卷,因为我们在国产供应链这一块做得比较扎实,成本优势明显。
若名芯的第五类产品:电镀/化镀则是采用体外孵化的方式进行。化镀设备主要是联合化镀药水生态伙伴,布局比较早,发展也比较快;电镀设备则稍慢些,还在研发中。
总结一下我们若名芯的产品布局思路:槽式清洗机、大硅片清洗设备这两类产品能为我们若名芯发展提供稳定的现金流,是公司发展的底气,是养活团队的“六便士”。高温磷酸和高温硫酸设备则是公司未来,是湿法设备人的情怀,是不可缺的“白月光”。
求是缘:近几年来,国内半导体产业发展可谓是风起云涌。创业热潮、资本市场的喧闹和产业并购整合......作为产业人,您如何看待产业发展过程中的这些现象?
余涛:有一点很明确:半导体赛道不缺市场。无论是成熟工艺(Power、IGBT、MEMS)、车载(汽车电子)还是先进工艺(AI、算力芯片)都有需求且都在增长。只要产品真的能做得出来,一定能有人买。作为半导体创业人,我们由衷地感谢这个赛道。在我们没有任何原型机的情况下,我们幸运地拿到天使轮融资。若名芯的英文名Runsemi,寓意飞奔的半导体。的确,这几年半导体产业发展特别火,很多非产业人、资本涌入进来是好事情。但过火也会招致麻烦,比如持续的中美博弈、被卡脖子。
作为国产设备创业团队,我们还是坚持之前提到的3条的合作路径,与同类上市公司、非同类上市公司以及非上市公司合作,实现优势互补、快速扩张的目的。
作为快速成长期的团队,我们希望能够增加企业的知名度。企业越有知名度,对我们的业务开展、人才招聘、融资以及并购都有裨益,加速企业发展。
并购是一个长期的过程。并购交割完成只是一个开始,后续两个团队的磨合、价值观碰撞、理念融合才是难点所在。截至目前,我们已经顺利完成2次收购整合。从结果上来看,这2次并购比较顺利。既实现了双方资源能力互补,又提升了集团整体的营收。
现在国内IPO难度变大,企业既要满足科技属性,又要有规模、还要求净利润数字达标。最后一点,我想表达的是:创业人一定要务实。抛掉某些执念,谁对公司平台有帮助,谁能给公司带来光明,我们就和谁结伴而行一起走。
之前创业是“九死一生”,现在创业是“九十九死一生”。因此在创业之前,我们首先要选对赛道。建议新玩家不要再进入半导体设备赛道创业。池子里的玩家已经不少,但池子毕竟空间有限。最后要么被并掉,要么被卷死。大鱼吃小鱼,这是亘古不变的生存逻辑。
求是缘:作为求是缘半导体联盟的会员单位,您可否分享一下您和贵司加入联盟的契机和原因是什么?您对联盟有哪些期待和建议?认为联盟应该在哪些方面继续优化,才能更好地服务产业会员?
余涛:我个人认为求是缘半导体联盟发展得挺好,从最初的十几人成长到现在几千人。
我听说联盟源于多年前我就职于上海工研院参与筹备国产装备集团那段时光。联盟理事长陈荣玲先生时任工研院的高级顾问兼装备集团董事长,我担任虚拟CEO。短短一年的筹备期,陈理事长手把手教我指导我,内容覆盖公司战略、行业分析、经营管理等多个方面,令我受益匪浅。
我后来正式加入联盟之后,发现联盟聚集了大量的半导体产业人,我们的大部分客户都在联盟会员群里(个人会员、单位会员)。
作为产业会员,我建议联盟能多组织产业链上下游之间的交流活动。按照细分领域来举办一些有内容深度、有协同价值的活动。坦白讲,国内除了光刻机难买,其它设备相对而言还是能买到的。我们呼吁Fab伙伴能多给国内设备供应商提供机会,自己人多帮助自己人。
求是缘半导体还可以进一步挖掘联盟生态资源优势尝试开展投融资资源对接,配合做一些政府园区招引,助力推动实现装备集团化、产业集群化。
此外,我建议联盟充分利用联盟的专家理事资源开设特色班,帮助产业人更新补充产业新知,学习管理运营企业,扩充对行业的理解广度和深度。
采访者后记
之前产业界还在讨论,湿法工艺在集成电路制造中的位置:锦上添花还是雪中送炭?如今答案一目了然。
湿法设备在产线中的角色从原来的“边缘人”配套辅助设备,逐渐向主流工艺设备对齐。
“雪中送炭、锦上添花、隐形卫士”,这些溢美之词加诸于湿法设备之上都合适,毕竟它干的就是守护良率的事。
溢美之词背后的问题引人关注:中低端湿法设备卷成红海,国产扎堆;高端湿法设备蓝海,国产身影寥寥。
是继续在低端红海中煎熬,还是拼尽全力跳转到蓝海中遨游?
如何从红海跳转到蓝海?团队底蕴是否深厚,现金流能否撑得住,客户是否愿意给机会,机台是否经得起验证,客户服务、成本供应链优势是否明显……每一个问题既是机遇也是陷进。
在这个“既要…又要…还要…”的时代,湿法设备创业人面临多重挑战:既要“向内求”保持做差异化的实力,又要“向外找”联合外部资源拓业务,还要“抬头看”懂得顺势而为、乘势而上。最后,预祝我们辛苦忙碌的国产半导体人能早日抵达并畅游于产业蓝海。
采访人:刘红
摄影/编辑:马丹凤
审阅:常亮、徐若松
感谢联盟会员单位:若名芯团队对本次采访给予的支持和帮助。
感谢会员单位代表:华进知识产权沈诚、何艳丽参与本次采访。