他60歲創業，不懼美國多次打壓，用14年造出全球最先進5nm蝕刻機

蝕刻機是什麼？

半導體領域是一個非常複雜的產業鏈，可以說沒有半導體產業的發展，也就沒有如今的網際網路時代，網際網路時代其實也可以叫矽晶片時代，我們電腦、手機、電視等等，它們所用到的晶片、集成電路等都是用矽製造出來的。

半導體工藝流程主要包括單晶矽片製造、IC設計、IC製造和IC封測等環節。

在每個工藝環節中，都需要大量的軟體和硬體設備。

單晶矽片製造需要單晶爐等設備，IC製造需要光刻機、刻蝕機、薄膜設備、擴散\離子注入設備、濕法設備、過程檢測等六大類設備。

在半導體設備中，像台積電等晶圓代工廠設備採購額約占80%，檢測設備約占8%，封裝設備約占7%，矽片廠設備等其他約占5%。

IC 製造設備市場中光刻機、蝕刻機、薄膜設備是最為核心的設備，光刻技術是一種精密的微細加工技術。

常規光刻技術是採用波長為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實現圖形的變換、轉移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指矽片)或介質層上的一種工藝。

光刻機設備目前被荷蘭的ASML所壟斷，這是台積電、英特爾、高通等一大批半導體廠商提供資金、技術打造的壟斷巨頭。

而採用物理或化學方法是物質（原材料）附著於襯底材料表面的過程即為薄膜生長。

薄膜生長廣泛用於集成電路、先進封裝、發光二極體、MEMS、功率器件、平板顯示等領域。

根據工作原理的不同，集成電路薄膜沉積可分為物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)和外延三大類。

主要設備有PECVD、LPCVA、ALD、PVD等。

而中國真正在IC製造三大核心設備領域做到世界領先水平的是蝕刻機設備。

刻蝕是使用化學或者物理方法有選擇地從矽片表面去除不需要材料的過程。

通常的晶圓加工流程中，刻蝕工藝位於光刻工藝之後，有圖形的光刻膠層在刻蝕中不會受到腐蝕源的顯著侵蝕，從而完成圖形轉移的工藝步驟。

刻蝕環節是複製掩膜圖案的關鍵步驟.

在半導體製造中有兩種基本的刻蝕工藝：干法刻蝕和濕法腐蝕。

干法刻蝕是把矽片表面曝露於氣態中產生的等離子體，等離子體通過光刻膠中開出的窗口，與矽片發生物理或化學反應（或這兩種反應），從而去掉曝露的表面材料，所以干法刻蝕也稱等離子刻蝕。

干法刻蝕是亞微米尺寸下刻蝕器件的最重要方法。

利用干法刻蝕的也叫等離子體刻蝕機，等離子體刻蝕機是晶片製造中的一種關鍵設備，用來在晶片上進行微觀雕刻，每個線條和深孔的加工精度都是頭髮絲直徑的幾千分之一到上萬分之一，精度控制要求非常高。

比如，16nm工藝的微觀邏輯器件有60多層微觀結構，要經過1000多個工藝步驟，攻克上萬個技術細節才能加工出來。

在集成電路製造過程中需要多種類型的干法刻蝕工藝，應用涉及矽片上各種材料。

被刻蝕材料主要包括介質、矽和金屬等，通過與光刻、沉積等工藝多次配合可以形成完整的底層電路、柵極、絕緣層以及金屬通路等。

介質刻蝕是用於介質材料的刻蝕，主要包括氧化物刻蝕和氮化矽的刻蝕，是最複雜的刻蝕過程。

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接觸孔和通孔結構的製作需要刻蝕介質，從而在ILD中刻蝕出窗口，而具有高深寬比（窗口的深與寬的比值）的窗口刻蝕具有一定的挑戰性。

矽的等離子體干法刻蝕是矽片製造中的一項關鍵工藝技術，主要作用為製作MOS 柵結構、器件隔離和DRAM 電容結構中的單晶矽槽。

多晶矽柵的結構對刻蝕要求很高，必須對下層柵氧化層有高的選擇比並具有非常好的均勻性和可重複性。

多晶柵刻蝕通常採用氟基氣體。

單晶矽刻蝕主要用於製作溝槽，要求每個溝槽都要保持一致的光潔度、接近的垂直側壁、正確的深度和圓滑的溝槽頂角和底角。

對淺槽的刻蝕使用氟氣，對光刻膠有高選擇比。

對深槽刻蝕常採用氯基或溴基氣體，刻蝕速率高並對氧化矽有高的選擇比。

金屬刻蝕主要應用於金屬互連線、通孔、接觸金屬等環節。

金屬互連線通常採用鋁合金，對鋁的刻蝕採用氯基氣體和部分聚合物。

鎢在多層金屬結構中常用作通孔的填充物，通常採用氟基或氯基氣體。

而在濕法腐蝕中，液體化學試劑（如酸、鹼和溶劑等）以化學方式去除矽片表面的材料。

需要說明的是，濕法腐蝕一般只是用在尺寸較大的情況下（大於3微米）。

來自上海的中微半導體，不僅突破了國外的技術封鎖，還自主研發了5nm等離子體蝕刻機，達到了世界頂尖水平。

中微半導體設備（上海）有限公司的半導體之路

中微半導體設備（上海）有限公司2004年5月31日由尹志堯在創立，尹志堯畢業於中國科學技術大學化學物理系，在矽谷Intel公司、LAM研究所、應用材料公司等電漿蝕刻供職16年，在半導體領域尹志堯個人擁有60多項技術專利，被稱為「矽谷最成功的華人之一」。

尹志堯的回國離不開上海晶片產業的奠基人、國家大飛機項目的啟動者之一江上舟，他一直致力於推動包括大飛機和半導體在內的許多重大科技項目，中國內地最大的晶圓體代工廠中芯國際的創立也離不開他。

在一次世界半導體設備展上，尹志堯偶遇時任上海經委副主任的江上舟。

江上舟仔細觀看了美國應用材料公司的設備後說：「看來刻蝕機比原子彈還複雜，外國人用它來卡我們的脖子，我們能不能自己把它造出來？」

江上舟還鼓勵尹志堯：「我是個癌症病人（2002年江上舟確認肺癌），只剩下半條命，哪怕豁出命去，也要為國家造出刻蝕機。

我們一起干吧！」（2009年，62歲癌症纏身的江上舟還是接任了中芯國際董事長一職，用1年的時間讓中芯國際走出虧損，相繼挖來王寧國、楊士寧等業內人士，促進了中芯國際的大發展，然而，在他躊躇滿志，準備花5年時間，投入大約120億美元，升級擴產時，卻終究沒有敵過癌症，2011年遺憾去世）。

在江上舟的鼓勵下，2004年8月，時年60歲的尹志堯決定回國創業。

他說：「我給外國人做了幾十年嫁衣了，是時候報效祖國了。

」與此同時，他還說服並帶回了一批在矽谷主流半導體設備公司或研究機構工作多年的資深華裔工程師，後來共有15位半導體領域資深工程師與已經60歲的尹志堯一起創建了中微公司。

張忠謀59歲創立台積電，尹志堯60歲創立中微，雖然花甲之年，卻依然雄心萬丈。

尹志堯創業的時候加上政府的支持，才有不到6000萬的資金，在在投資巨大的半導體行業，無異於杯水車薪，而這個時候江上舟為他拉來了5000萬美元的無息貸款。

這讓中微的發展一下進入了快車道。

有技術有資金，中微選擇挑戰蝕刻機和薄膜沉積設備，僅用了4年的時間，2008年，中微基於電感耦合（ICP）技術研發的12英寸刻蝕設備。

它可以配置多達六個刻蝕反應腔和兩個可選的除膠反應腔。

其中刻蝕反應腔採用了軸對稱設計，具有高反應氣體通量。

ICP發射天線採用了中微具有自主智慧財產權的低電容耦合3D線圈設計，可實現對離子濃度和離子能量的高度獨立控制。

反應腔內部塗有高緻密性、耐等離子體侵蝕材料，以獲得更高的工藝重複性和生產率。

中微自行研發的12英寸刻蝕機賣到了台灣，進入了晶片生產線。

中微從成立以來，目標一直就是「「咬住國際先進水平不放鬆」。

但這讓中微承受了巨大的壓力，中微每年的研發支出差不多是5000萬美金，而這只是美國應用材料年均研發投入的1/20，中微2017年的銷售收入才不到2億美元，研發支出占了銷售收入的30%。

不過中微還是用微薄的投入做出了驚人的成就，從2008年起，中微主要攻關的是介質刻蝕工藝，它先後成功開發和銷售了適用於65/45/28/20/14/10/7納米工藝製程的一系列等離子體刻蝕設備，始終保持著與當時的世界先進水平同步。

中微半導體CEO尹志堯形容說：「在米粒上刻字的微雕技藝上，一般能刻200個字已經是極限，而我們的等離子刻蝕機在晶片上的加工工藝，相當於可以在米粒上刻10億個字的水平。

」

中微生產和銷售的500多個刻蝕反應台已經在中國、日本、韓國、新加坡、台灣等國家和地區的40條先進晶片生產線上運行，高質量地生產了6000多萬片晶圓。

2017年7月，台積電宣布將中微納入其7納米工藝設備商採購名單，使中微成為唯一進入台積電7納米工藝蝕刻設備的大陸本土設備商。

2017年初，在美國總統科學技術諮詢委員會向總統提交的報告《確保美國半導體的長期領導地位》中，中微是唯一被提及的中國企業。

此前，美國商務部在實地考察了中微和中芯國際後，於2015年2月9日公告放棄「限制對華出口刻蝕設備」並通報「瓦森納協議」。

這一事件標誌著西方國家在集成電路高端裝備領域的壟斷和對華封鎖首次被打破。

2017年4月，尹志堯宣布，中微已經掌握5nm技術，預計年底正式敲定5納米刻蝕機。

無獨有偶，兩周後，IBM也宣布掌握5奈米技術。

因此，尹志堯這一宣布，意味著中微在核心技術上突破了外企壟斷，中國半導體技術第一次占領至高點。

2018年12月，深圳中微半導體自主研發的5nm等離子體蝕刻機，近日已經通過了台積電的驗證，這標誌著中國在蝕刻機領域已經領先世界。

除了介質刻蝕之外，中微在矽刻蝕上也做出了重大的突破，中微TSV刻蝕設備已經裝備了國內所有的集成電路先進封裝企業。

市場占有率超過50%。

同時還遠銷歐洲，應用於新興的微電機系統（MEMS）傳感器製造。

在薄膜設備領域，像金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）設備。

用於製造藍光LED 的中微MOCVD設備在最近兩年，從幾乎為零的國內市場占有率一舉實現超過70%的市場占有率，徹底打破了美國維科（Veeco）和德國愛思強（Aixtron）兩家供應商長期壟斷市場的局面。

中微可以說是全球MOCVD最大的供應商。

中微目前還在攻破金屬硬掩膜刻蝕領域，從而實現實現了矽刻蝕、介質刻蝕、金屬刻蝕的全覆蓋。

美國對中微10年4次打壓，美國企業還侵權盜取中微專利

中微取得了如此厲害的突破，自然也引來美國的不滿，你一個中國企業憑什麼做得這麼牛！10多年來，美國應用材料、泛林研發、維科三大半導體設備公司輪番對中微發起了商業機密和專利侵權的法律訴訟，意欲遏制中微的發展。

對此，中微有充分的準備，他們在國內外申請了1200多件相關專利，其中絕大部分是發明專利，有力地保護了其自主創新形成的智慧財產權。

尹志堯指出：自從成立以來，中微可以說是被美國起訴最多的公司，其中主要有四場大官司，這四場官司包括了專利訴訟，商業機密等多個方面，但是無一例外，中微都取得了勝利或者達成了和解。

四場大官司分別是2007年和全世界最大的半導體設備公司美國應用材料之戰；第二和第三場是2009年和美國科林研發之戰，這場官司一審科林就敗訴了，之後它們不服結果又繼續上訴，結果中微全贏；而第四場則是和美國維科之戰。

當時，美國維科在MOCVD設備市場被中微打得節節敗退，所以他向約東區的聯邦法院對中微MOCVD設備的晶圓承載器 (石墨托盤) 供應商西格里碳素（SGL）展開了專利侵權訴訟, 維科認為，西格里碳素為中微半導體設計的石墨托盤侵犯了其專利, 要求禁止西格里碳素向中微供貨，並賠償巨額損失。

但其實這是維科侵權盜取了中微的專利，但是美國法院還是支持了維科的訴訟請求，禁止了西格里碳素向中微供貨。

2018年年初，中微決定以其人之道還治其人之身。

中微獲悉，美方涉嫌侵犯中微專利權的設備即將從上海浦東國際機場進口，隨即向上海海關提出扣留侵權嫌疑貨物的申請。

這批貨物價值3000多萬，直接給予了維科重創，只得乖乖坐下來談。

正如尹志堯自己所說的那樣，中微之所以能夠在專利戰中立於不敗之地，是做好了這五點：

中微一直在專利方面做好了五點工作：

第一，員工在入職的時候會簽署保密協議，保證不泄露任何機密文件，明確規定違反之後的後果和個人責任。

第二，中微會詳細研究其他廠商的專利，明確的知道哪些地方不能碰，哪些地方可以繞過去。

第三，中微目前已經申請了1200個專利，形成了自己的專利保護壁壘。

第四，即便有了專利保護等措施，中微為了預防對手下黑手，利用時間等措施來拖垮中微，中微也設置了一定的應對措施，

第五，中微不僅嚴格遵守中國的也遵守全世界各國的智慧財產權法律法規，保證不會違反任何一個國家的法律。

如今，中微在蝕刻機領域已經全球領先，在薄膜設備領域也取得了突破，而薄膜設備還有光刻機設備其餘兩微也在發力，分別是上微還有北微。

上微，就是上海微電子裝備有限公司，它承擔了國家科技重大專項「極大規模集成電路製造技術與成套工藝專項」的65nm光刻機研製項目。

現在，他們突破的是90納米的光刻機。

這是從0到1的突破，儘管90nm光刻機已經不是市場主流，但是他們如今還在不斷發力。

北微，全稱是北方華創科技集團股份有限公司，由北方微電子和七星電子兩家公司重組而成。

其研發團隊以清華、北大、中科院為背景，北微在矽蝕刻還有金屬蝕刻領域已經掌握了14nm工藝，總體差距不是很大。

而在薄膜設備領域，北微基本實現了薄膜工藝的全覆蓋，其 28nm 硬掩膜 PVD 已實現銷售，銅互連PVD、14nm 硬掩膜PVD、Al PVD、LPCVD、ALD 設備已進入產線驗證。

可以說，在半導體領域的六大類設備，以三微、中芯國際、海思、紫光展銳為首的中國半導體企業，正在努力追趕或者超越西方，讓我們一起為他們加油！