江苏微导纳米装备科技有限公司




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SEMI中国专访 | 微导纳米“0到1”实现原子层沉积设备国产突破


近日,SEMI中国专访了江苏微导纳米科技股份有限公司副董事长及CTO黎微明博士,就后摩尔时代全球半导体设备的竞争态势和国内半导体设备产业的发展,展开了深入讨论。微导纳米以原子层沉积(ALD)技术为核心,主要从事先进微米级、纳米级薄膜沉积设备的研发、生产和销售,向下游客户提供先进薄膜沉积设备、配套产品及服务。本文希望以微导纳米的ALD设备为例,探究半导体设备国产化之路的机遇与挑战。


以下为原文分享



后摩尔时代的半导体设备新竞争:

微导纳米“0到1”实现原子层沉积设备国产突破

原子层沉积(ALD)设备以及工艺技术正成为后摩尔时代不可或缺的关键一环。研究机构Yole在去年11月的一份报告中指出,ALD设备正打入所有超越摩尔定律应用领域,2020 年,专门用于超越摩尔(MtM)器件制造的 ALD 设备市场总价值为 3.45 亿美元,CIS 在其中占主导地位(占比 47%)。Yole预测,未来几年将以 12%的 CAGR 增长,至 2026 年可达 6.8 亿美元的市场规模


作为集成电路先进制程晶圆制造的关键设备——薄膜沉积设备的细分领域之一,ALD设备在28nm及以下节点制程逻辑芯片、DRAM、3D NAND以及新型存储器、新型应用市场中的应用需求越来越大。ALD技术凭借独特优势,拥有精确的膜厚控制和优越的台阶覆盖率,能够较好地满足器件尺寸不断缩小以及结构 3D 立体化等技术演进中,工艺对于超薄薄膜沉积、薄膜沉积三维共形性、以及薄膜质量等方面的更高要求,成为了后摩尔时代最关键的薄膜工艺技术之一。


公开资料显示,ALD技术于1974年由芬兰人Tuomo Suntola博士发明,在国外已经形成产业化,比如英特尔公司研发的45/32纳米芯片中的高介电薄膜;国内方面,我国引入ALD技术晚于国外三十年。2010年10月,在黎微明博士的牵头组织下,芬兰PICOSUN公司和复旦大学在国内主办了第一届中国ALD学术交流会。黎微明博士拥有近30年的原子层沉积(ALD)技术研发和产业化经验,是最早从事ALD技术研究的华人之一,长期担任国际ALD会议技术委员会成员,也是中国ALD会议发起人,在国际ALD技术领域享有很高声誉。

微导纳米CTO 黎微明博士


“我们当时就希望把ALD技术推广到国内产业界。”黎微明博士回忆起当年的情形仍难掩兴奋。十年后,2020年12月,黎微明博士所在的公司——江苏微导纳米科技股份有限公司(下称“微导纳米”)的首套国产高电介质(high-k)原子层沉积设备发货到国内晶圆厂,并通过28nm工艺测试和器件验证。逻辑芯片制造采用high-k技术,尤其是针对具有三维特点的FINFET结构,需要使用具有低蒸汽压的固态前驱体进行薄膜沉积,在保障精确材料性能的基础上对工艺携带颗粒也有极高的要求,因此对设备和工艺提出了极大的技术挑战,目前仅有ASM可为全球市场提供该类量产设备和技术。微导纳米ALD设备和核心技术具有突出的技术先进性,总体性能和关键性能参数已达到国际同类设备水平,打破了国外半导体 ALD设备长期垄断的局面。


今年3月3日,上交所官网显示,微导纳米科创板IPO已获得受理,公司拟募资10亿元,这也是虎年以来科创板首家受理企业。


从0到1,死磕ALD工艺设备“硬骨头”

“其实整个发展的历程比我预期的时间要更长,也足以表明国家发展半导体设备的决心之大、难度之大。”黎微明博士说,国内首届ALD会议的十年后,微导纳米首套用于300mm(12 英寸)晶圆的量产ALD设备终于发货到国内的晶圆厂。据了解,微导纳米是目前唯一获得了high-k薄膜专用ALD设备批量订单的国产设备供应商,而此前同类型设备及技术几乎全部由国外的大型设备厂商来提供。


诞生于2015年的微导纳米,成立伊始就将业务核心聚焦在ALD技术上,专注于先进薄膜沉积装备的开发、设计、生产和服务。但对于当时的团队来说,整个开发过程十分艰难,对于ALD设备的国产化,国内更处于0到1的起步阶段。


“当时,整个半导体装备的产业链在国内是不完善的。”黎微明指出,很多关键的材料以及零部件都要依靠进口,同时还面临人才稀缺问题,本身ALD技术在国内的发展时间不长,这部分的人才短板尤为突出。所幸微导纳米以黎微明博士为核心,聚集了一批在ALD领域耕耘多年的资深专业人才。公开资料显示,目前公司拥有研发人员近200人,公司也是国内极少数能在短期内快速反馈并协助客户解决产线上 ALD 技术问题的设备厂商之一。作为微导纳米的副董事长兼CTO,黎微明过去7年来带领团队持续攻坚克难,凭着一种对技术孜孜以求的信念、一股“死磕”硬骨头的毅力,在一路坚持着,致力于开发先进的半导体装备和工艺技术,来支持全球的半导体产业。公司在2019年、2020年前后,终于迎来了国产化的难得机遇。



根据Gartner的数据,半导体薄膜沉积设备各个细分环节的市场占比上,目前 CVD 设备占比 56%,PVD 设备市占率 23%,其次是 ALD(11%) 及其他镀膜设备。但随着半导体制程的不断推进,晶圆制造的复杂度和工序量大大提升。ALD 技术凭借优异的三维共形性、大面积成膜的均匀性和精确的膜厚控制等特点,技术优势愈加体现,在半导体领域 28nm 及以下节点先进制程、存储器件中的典型应用中将发挥不可替代的作用。未来,ALD设备在半导体薄膜沉积环节的市场占有率也有望持续提高。


与此同时,下游半导体行业的技术革新和产能扩张也进一步推高对ALD技术和设备的需求。ALD 技术在high-k 材料、金属栅、电容电极、金属互联、TSV,以及浅沟道隔离等工艺中均存在大量应用,广泛应用于逻辑芯片、存储芯片、第三代化合物半导体等领域。


据了解,微导纳米研制的high-k薄膜原子层沉积设备能够满足国内外先进半导体制造工艺的技术需求,解决了当前国内逻辑芯片制造28nm技术节点、高电介质(high-k)材料工艺和装备技术国产化的问题,并具有向先进节点延伸的可能性,打破了长期的国外垄断。黎微明博士透露,目前他们还在大力推进上游生态的国产化,争取到今年年底该套设备实现90%-95%的国产化率。


多技术赛道带动ALD增长 

国产设备迎技术创新好时机


集成电路尺寸及线宽的缩小、产品结构的立体化及生产工艺的复杂化等因素都对半导体设备行业提出了更高的要求和更多的需求。尺寸缩减趋势重点推动光刻设备的进步,3D 结构化趋势重点推动刻蚀、薄膜设备的进步。


Maximize Market Research 的统计显示,全球半导体薄膜沉积设备市场规模从 2017 年的 125 亿美元扩大至 2020 年的 172 亿美元,年复合增长率为 11.2%。预计至 2025 年,市场规模可达 340 亿美元。

黎微明博士指出,近两年整个市场对芯片的需求越来越大,这是由于下游应用的多点爆发,包括5G通讯技术、智能电动汽车技术、人工智能以及AR/VR等应用市场的兴起。同时他强调,随着后摩尔时代的到来,应用端还要求器件越来越小,成本要越来越低,这些趋势都将带动对ALD技术的需求,并且这种增长会呈现指数级增长的态势。


Yole的分析师认为,ALD 设备市场将迎来大幅增长有两个主要原因。一方面,超越摩尔(MtM,More than Moore)器件在所有的应用趋势中的地位日趋重要,例如基于化合物半导体的功率器件,特别是氮化镓和碳化硅,以及包括 mini LED和微米级 LED 在内的光子器件。这些器件在汽车及消费电子领域的应用需求呈现急剧增长态势,也进一步拉高ALD设备的销售预期。Yole的数据显示,其中用于功率器件生产的ALD设备的 CAGR 为12%,用于光子器件的设备 CAGR为 30%。Yole指出,所有 MtM 应用中使用的 CIS 器件、硅功率电子器件和先进封装(主要是晶圆级封装)的晶圆高产量进一步加强了这种增长。


另一方面,过去一两年来,全球芯片缺货的大背景下,全世界的晶圆厂都在扩产能,这同时也是部署新材料和工艺以改善设备性能的绝佳机会。Yole认为,持续上行的全球半导体市场为 MtM ALD 设备市场提供了乐观的前景,但ALD 市场竞争也将日趋激烈,市场份额在未来几年内可能会发生重大变化。


再看国内的半导体设备市场,尽管最近几年发展速度有了明显加快,在部分领域已有一定的进步,但整体国产设备特别在核心设备化上的国产化率仍然较低。整个半导体薄膜沉积设备行业仍基本由 Applied Materials、ASM、Lam Research、TEL 等国际巨头垄断。不过近年来随着国家对半导体产业的持续投入,我国半导体制造体系和产业生态得以建立和逐步完善,一些本土设备厂商也在快速崛起。国内主要半导体薄膜沉积设备企业包括北方华创、中微公司、微导纳米,以及拓荆科技等。统计数据显示,半导体薄膜沉积设备的国产化率虽然由 2016 年的 5%提升至 2020 年的 8%,但总体占比,尤其是中高端产品的占比仍较低。


黎微明博士指出,针对材料和工艺以及设备技术的创新,是国内半导体设备产业接下去发展的关键。值得关注的是,2020年初微导纳米专门设立了产业化应用中心,配备高级别的洁净室与半导体级检测设备,以满足半导体领域对生产环境与检测设备的要求。黎微明博士介绍,“产业化应用中心基于长期对半导体材料和工艺以及装备方面的经验积累,以及消化融合对半导体ALD应用当下最先进的技术需求的理解,是一个真正意义的‘创新中心’。通过产业化应用中心,我们在紧跟客户和市场需求的同时,不断研发一些创新的材料工艺和设备技术,对行业技术进行前瞻式探索。”黎微明博士分强调坚持将材料创新与工艺创新协同的重要意义,因为这会直接影响设备技术的发展方向。


他进一步解释,国外在ALD技术引入器件方面已经深耕了三十多年,已经形成了一定的知识产权壁垒,对国内产业来说,材料和工艺技术上的创新是当务之急。这一点上包括晶圆厂及产业链上下游厂商都需要进一步加大对创新技术研发的投入,尤其是要加大尝试新技术研发的力度,保障协同发展。


“现在可以说,ALD设备的国产化有了一个非常好的开端,包括微导纳米在内的国产厂商都迎来了一个技术开发创新的好时机。”回顾从12年前的国内首届ALD会议至今,当下ALD领域取得的“0到1”的国产化突破实属不易,而“接下去更关键的‘1到N’的产业化之路才刚刚开始。”





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