等離子灰化

1. 3 秒看懂

等離子灰化是在真空腔中利用氧基等離子體中高活性的自由基，將晶圓表面光刻膠氧化為CO、CO₂和H₂O並抽走的關鍵工藝。它處於光刻與刻蝕/離子注入之間，直接決定後續形貌轉移的精度和晶片良率。全球幹法去膠裝置市場超10億美元，先進製程已全面轉向遠端等離子體源(RPS)以減少對低k介質和薄膜的損傷，最高階能力正向原子層級別延伸。

2. 3 分鐘產業解釋

• 功能定位：等離子灰化（常稱“幹法去膠”）是半導體前道製造工序鏈的標準模組。光刻膠在完成掩模作用後必須完全去除，不能殘留有機物或金屬汙染物。灰化在刻蝕完成之後或離子注入之後進行，也是先進封裝中去除聚醯亞胺、臨時鍵合膠等有機材料的主要手段。
• 產業鏈位置：橫向屬於晶圓製造裝置(WFE)市場，縱向夾在光刻與刻蝕/薄膜沉積之間。上游為等離子體發生器、反應腔體、射頻電源、真空系統和高純氣路系統；下游為邏輯代工廠、儲存IDM廠、先進封裝廠及化合物半導體廠。
• 市場驅動：①先進邏輯向5nm/3nm/2nm推進，EUV光刻膠更難去除且對襯底損傷極其敏感；②3D NAND層數由128層向300層以上邁進，高深寬比結構要求灰化氣體深入底部並避免側壁損傷；③GAA全環繞柵極電晶體帶來新材料的灰化選擇性挑戰；④先進封裝（FOWLP、TSV、混合鍵合）對有機材料去除需求擴大。
• 中國市場現狀：在28nm及以上成熟製程，國產等離子灰化裝置已實現批次匯入。根據屹唐半導體2022年申報科創板上市的招股說明書，其幹法去膠裝置2020年全球市佔率約31.3%，為當年全球第一；北方華創等企業的刻蝕及去膠平台亦獲得國內產線重複訂單。但14nm以下需要極高選擇比與超低損傷的高階機型，國產裝置仍處於驗證或小批次階段、與海外頭部存在代差。

3. 技術原理

等離子灰化的反應基礎是以氧為主要活性成分的等離子體。主流工藝氣體為氧氣(O₂)，有時摻入少量含氟氣體（CF₄、NF₃）或氫基氣體以提升去除速率或處理硬化光刻膠。

• 核心化學反應：電子碰撞使O₂解離為氧自由基(O*)，自由基與光刻膠（碳氫聚合物主鏈）反應： CₓHᵧ（s）+ O* → CO/CO₂↑ + H₂O↑ 揮發性產物被渦輪分子泵與幹泵組成的真空系統連續抽走，實現表面潔淨。
• 等離子體激發方式：
  • 射頻容性耦合(CCP)：早期平板式裝置使用，離子轟擊能量較大，易損傷襯底，現多用於厚膠快速去除或非敏感層。
  • 射頻感性耦合(ICP)：通過線圈將能量耦合入等離子體，離子密度高但離子能量較低，通過偏壓獨立控制。
  • 微波激發(2.45GHz)：常用於遠端等離子體源，產生極高密度自由基，無電極汙染。
• 遠端等離子體源(RPS)原理：將等離子體產生區與工藝腔用離子過濾結構（如接地網格或彎曲路徑）隔開，使絕大部分帶電離子和電子被阻擋，基本只有電中性自由基抵達晶圓。此類設計能將離子誘導的物理濺射損傷降至近乎為零，大幅保護超低k(ULK)介電材料(k≈2.5以下)和薄側壁。主流RPS多采用微波或ICP激發的遠端腔，再通過石英分配盤通入反應腔。
• 關鍵工藝步驟：①襯底升溫（100–300°C，由靜電卡盤或紅外燈控溫），增強反應速率並抑制再附著；②通工藝氣體並點火，穩定等離子體；③主反應期清除光刻膠主體；④過沖(over-ash)階段確保膠底殘留全無，同時控制襯底氧化損失；⑤氣體切換、抽空降溫。
• 面臨的特殊挑戰：
  • 高劑量離子注入後的光刻膠表面會出現碳化硬殼，需用含氟/含氫氣體先行軟化；
  • EUV光刻膠含有銻、錫等金屬氧化物奈米簇，去除後需防金屬殘留汙染；
  • 3D NAND的長通道易產生反應物輸運限制，底部去膠不完全可導致條形缺陷，常需脈衝式等離子體及交替氣體迴圈。

4. 關鍵引數

灰化裝置與工藝的評價圍繞速率、均勻性、損傷控制和顆粒表現展開，典型指標與重要性如下：

• 灰化速率：以nm/min或μm/min計量。對於主流厚膠（1–3μm），速率在3000–8000nm/min的佔多數；先進邏輯後道低k介質上的去膠，速率可能有意壓制在2000nm/min以下以控制損傷。提升速率依靠高密度自由基、最優溫度和適量含氟新增劑。
• 片內均勻性：通常由襯底口徑49點或81點檢測，以非均勻性(NU%)衡量。幹法去膠裝置的典型規格為3%–5%(1σ)以內；先進產線要求≤3%。均勻性與氣體分配盤設計、抽氣對稱性及卡盤溫度均勻性高度相關。
• 襯底損傷：
  • 矽損失：對於前段(FEOL)無保護矽表面的灰化，矽損失須<0.1–0.2nm；
  • 氧化矽/氮化矽損失：一般要求<1nm，且折射率變化<0.01以避免電效能偏移；
  • ULK損傷：電容結構側壁碳損耗導致k值上升，採用長波長FTIR或汞探針表徵碳含量及其介電常數變化，檢測限值由產線器件視窗決定。
• 顆粒效能：在清潔基準晶圓的灰化前後使用表面掃描器測量>90nm或>45nm的顆粒增加數。先進裝置典型目標為每片增加10顆@0.16μm。
• 選擇比：光刻膠對底層介質（Si、SiO₂、SiN、low-k）的去除速率比。普通去膠的選擇比>20:1；先進製程RPS灰化可輕鬆達100:1甚至更高，但對含碳ULK材料化學損耗則需工藝精細調控。
• 尾氣排放：使用FTIR或四極質譜儀監控COF₂、HF、F₂等副產物，配備等離子體水洗或熱分解廢氣處理裝置使排放濃度符合半導體工廠環保要求。
• 裝置引數：靜電卡盤溫度均勻性、射頻功率穩定性、氣體流量控制精度（±1%滿量程）、真空系統顆粒返流率等，皆影響工藝視窗。

5. 技術路線

等離子灰化技術經歷了數代演進，折射出對損傷、均勻性和效率持續嚴苛的需求：

• 第一代：桶式灰化爐（Barrel Asher） 20世紀70-80年代使用。晶圓被放入石英桶，周圍通過線圈或外部電極形成等離子體。結構簡單、產能高，但自由基密度低、離子轟擊不可控、均勻性差，已基本退出關鍵產線。
• 第二代：平板電容式（Planar CCP Asher） 晶圓平放在接地或RF驅動的平行板電極之間。離子轟擊輔助去除光刻膠提高了速率，但離子能量高（幾百eV），易導致襯底物理損傷與電荷積累。適用於非敏感層或厚膠快速去除。
• 第三代：下游式/遠端等離子體灰化（Downstream / Remote Plasma Asher） 將等離子體產生區移出反應腔，通過輸送管和離子過濾結構使得中性自由基到達晶圓。大幅降低了物理濺射和充電損傷，成為90nm節點後的主流。微波源或ICP遠端源是兩大分支。
• 第四代：脈衝式及多步等離子體灰化 引入RF功率脈衝或氣體調變。通過低佔空比的脈衝，中間讓反應產物擴散、移除區域性電荷積累，特別適合高深寬比3D NAND去膠和低損傷ULK工藝。
• 第五代：原子層灰化(ALA)與自限制灰化 類似原子層刻蝕(ALE)，使用分步氣體注入與吸附、通過微弱等離子體活化或離子啟用精確去除單層或數層光刻膠，旨在實現埃級襯底損失控制。目前主要處於研發與早期評估階段，Lam Research、TEL等龍頭已在會議論文中展示過原型資料，但2019-2023年公開資料未見正式批次產納用的報道。
• 附加技術：整合原位監測（如OES、干涉儀終點檢測），即時關注光刻膠膜厚變化以確定終點，避免過灰化。

主流裝置商的技術路線選擇常體現為：Lam Research傾向於微波遠端等離子體平台；TEL在高階裝置上採用ICP-RPS，並可整合乾洗步驟；Applied Materials採用其Producer平台的多工位架構；屹唐半導體(Mattson)擁有微波RPS和ICP兩條路線，產品覆蓋廣。

6. 上游：核心部件與材料

等離子灰化裝置的供應鏈高度專業化，關鍵上游領域如下：

• 等離子體發生器與射頻/微波電源
  • 射頻電源（13.56MHz為主）：MKS Instruments、Advanced Energy佔據主要份額，匹配合網路常由同一廠商或Comet等提供。國產方面，北廣科技、恆運昌等逐步進入供應商名錄，但在高功率精度和可靠性上仍有差距。
  • 微波電源：MKS、Sairem等是主要供應商，用於微波RPS。
• 反應腔體與材料
  • 腔體多為鋁合金並內襯陽極化處理或Y₂O₃（氧化釔）塗層以增強耐氟自由基腐蝕和降低顆粒脫落。部件供應商包括富士金、美國Parker等；國內瀋陽富創精密、江蘇微導等可提供加工與塗層服務。
  • 石英件（氣體分配盤、觀察窗）由賀利氏、菲利華石英等提供。
• 真空系統
  • 渦輪分子泵+幹泵組合：Edwards（Atlas Copco）、Pfeiffer、Ebara、島津等為主流。其中Edwards在半導體泵類市佔率約30%–40%（公開資料估計，口徑無統一權威資料）。中科儀、漢鍾精機等國產幹泵在非最苛刻環境已有應用。
• 氣體輸送系統
  • 質量流量控制器(MFC)：Horiba、Brooks、MKS佔主導；國產七星華創（北方華創旗下）在部分工藝裝置啟用。
  • 氣路閥件、VCR接頭、調壓閥：Swagelok、Fujikin、Parker等佔據絕對份額。
• 工藝氣體
  • 高純氧氣、氮氣、CF₄、NF₃、H₂混合氣體等，由林德、液化空氣、大陽日酸三大國際氣體公司及國內華特氣體、金宏氣體、和遠氣體等供應。國產高純含氟氣體在部分產線獲驗證。
• 標準部件
  • 靜電卡盤、升降針、邊緣環等，均需高純和耐腐蝕材料，供應商包括日本NTK、京瓷以及國產的多家精密陶瓷企業。

這些上游環節中，先進射頻電源、高精度MFC、特殊氣體閥門的國產替代仍處於攻堅階段。

7. 下游應用場景與要求

等離子灰化廣泛覆蓋半導體制造各細分領域，不同應用對工藝的側重點差異顯著：

• 邏輯晶片（先進製程） 代表客戶：台積電、三星、英特爾、中芯國際等。關鍵需求：
  • BEOL互連層引入超低k介質（k<2.5），灰化必須將碳損耗降至最低，採用遠端等離子體及低溫工藝；
  • FinFET和GAA奈米片結構對側壁損耗極度敏感，需防止含氟氣體掏空或粗化；
  • EUV光刻膠去除難點在於其金屬組分殘留，經常需要結合溼法清洗。
• 儲存晶片
  • 3D NAND：長江儲存、三星、SK海力士等134–236層產品的溝道高深寬比（>60:1）給自由基輸送帶來挑戰。脈衝等離子體、交替氣體流與程序升溫是主流解決方案。顆粒控制是儲存的第一要求。
  • DRAM：如長鑫儲存、三星等，電容溝槽深度較高，灰化後需保證側壁氮化矽無損和底部無殘餘，以免影響電容值。
• 功率半導體與化合物半導體 SiC、GaN器件製造中光刻膠常經歷高溫硬烘烤，去除更困難。且SiC襯底昂貴、對錶面粗糙度敏感，灰化需高選擇比且不能引入碳汙染。北方華創、應用材料等有專為化合物半導體的灰化解決方案。
• 先進封裝 扇出型封裝(FOWLP)、2.5D/3D封裝採用臨時鍵合膠、聚醯亞胺(PI)等厚有機層，需要高通量、高均勻性灰化。矽通孔(TSV)去膠過程深度可達100μm以上，是介於前道與封裝之間的特殊需求。TEL、Screen等兼有封裝去膠裝置，國內盛美上海亦版面配置。

據公開資訊，2022年全球晶圓製造前道裝置採購額約980億美元（SEMI），其中去膠裝置佔比約2%，由此推斷下游主要產線每年對灰化工藝的資本支出在15–20億美元規模（口徑為含新擴產與升級）。

8. 受益公司

等離子灰化市場發展衍生出的受益群體包括裝置製造商、核心零部件/材料供應商及工藝升級獲利的晶圓廠，主體如下：

• 國際裝置商
  • Lam Research：溼法與幹法去膠裝置組合，EX系列在先進邏輯和儲存全球份額領先，2023財年（截至2023年6月）公司總營收約174億美元，其刻蝕及去膠類產品線是關鍵貢獻。
  • Tokyo Electron (TEL)：Tactras系列整合灰化、去聚合物及去靜電功能，在日韓市場佔有重要地位。
  • Applied Materials：Producer平台以高產能和低缺陷進入晶圓廠大批次產線。
  • PSK（韓國）：在DRAM和部分NAND客戶中佔據一定份額。
• 國內裝置商
  • 屹唐半導體（Mattson）：據其招股說明書引用的Gartner資料，2020年全球幹法去膠裝置市場份額31.3%，位居第一。產品包括Suprema系列，覆蓋從0.5μm到5nm邏輯及128層以上3D NAND的幹法去膠。2021年營收約36.6億元人民幣，其中去膠裝置營收約17.8億元。2023年9月科創板IPO終止，後續動向受關注。
  • 北方華創：依託刻蝕與薄膜技術平台，其HSE系列等裝置可提供去膠功能，2023年年報揭露公司電子工藝裝備營收約176億元，但未獨立揭露去膠裝置營收，公開資料未見細分份額。
  • 其他延伸性參與者：中微公司主要聚焦介質刻蝕與MOCVD，雖有提及去膠延伸，但去膠並非其主力產品線，公開資料未見大規模出貨統計資料。
• 核心部件/材料受益方
  • MKS Instruments（2023年營收約36億美元），Advanced Energy（約20億美元），在等離子體電源領域受灰化裝置擴產拉動。
  • 華特氣體：含氟氣體如四氟化碳等供貨國內幹法去膠工藝。
  • 富創精密：為裝置廠提供腔體、閥門等精密零部件，2023年營業營收約15.7億元，受益於國內去膠等裝置零部件替代趨勢。
• 晶圓廠（間接受益）
  • 先進灰化工藝幫助中芯國際、華虹半導體提升成熟製程良率及向14nm節點爬坡；幫助長江儲存、長鑫儲存在高深寬比結構中控制缺陷，提升儲存晶片競爭力。具體對單一晶圓廠效益的影響無法剝離量化。

注：以上公司財務資料均來自其年度報告或IPO申報檔案，年份如2023年即指該財年或自然年。

9. 市場規模

採用多來源交叉描述，口徑統一為“幹法去膠裝置市場”（含等離子灰化），資料均標明年份與出處：

• 全球歷史規模（來源：屹唐半導體招股說明書引用的Gartner資料）
  • 2019年：8.83億美元
  • 2020年：9.59億美元
  • 2021年：11.24億美元 Gartner當時預測2022年市場約12.5億美元。2023年受儲存器下行週期影響，WFE總支出下降約3-5%，去膠市場預計約12億美元（公開口徑未見精確數，為行業普遍推斷）。
• 中國市場：根據SEMI資料，2023年中國佔全球半導體裝置銷售額約34%（金額約365億美元）。以同樣比例估算，中國幹法去膠裝置市場規模約4億美元左右。此外，國產裝置在國內招標中的金額份額有上升趨勢，例如2022-2023年國內主要晶圓廠公開招標中去膠裝置國產中標臺數佔比超過50%（據中國招標投標公共服務平台中標公告的不完全統計，口徑為臺數）。
• 增長驅動與展望：SEMI在2024年中預計2025年全球WFE有望重回1000億美元以上。幹法去膠裝置隨工藝複雜化（多層EUV工藝、GAA、3D NAND 300層）將在2025-2027年保持約8%-10%的年複合增長率（行業分析師公開預測，引用自Gartner及Yole已釋出報告摘要）。先進封裝專用去膠市場也正以年增10%以上速度擴張。
• 細分結構：幹法去膠裝置佔整體去膠（含溼法去膠）市場的約70%（2021年，Gartner），等離子灰化是其中主體。遠端等離子體源機型在先進產能的資本支出佔比逐步上升，2023年估計RPS機型佔幹法去膠裝置銷量的60%以上，成熟製程仍有部分桶式和平板式裝置存量用於非關鍵層。

所有數字均為市場公開資料或行業內公認的估計值，部分年份推測已註明“推斷”“未精確統計”。

10. 玩家對比

以下對全球主要幹法去膠裝置商進行橫向比較，主要依據各自官方資料及公開報道，避免主觀評價，僅列示技術平台、應用範圍和市場地位事實：

• Lam Research 主打遠端微波等離子體平台，典型系列如EX。應用涵蓋邏輯7nm以下、3D NAND高深寬比。強調無離子損傷、低顆粒以及通過先進終點檢測實現精密控制。全球裝機量領先，在先進製程份額較高。
• Tokyo Electron (TEL) 提供Tactras系列，可在一個平台內完成等離子去膠、幹法去除殘留聚合物和晶圓去靜電。多步驟整合節省FAB空間和傳送時間，在日本、韓國儲存器客戶群中滲透率高。
• Applied Materials 採用Producer平台的多工位（多腔）、雙晶圓架構，追求高產能（wph）。強調高產率下的低缺陷率，適合邏輯代工和儲存器大批次製造。
• 屹唐半導體（Mattson Technology） 幹法去膠Suprema系列擁有微波和ICP兩條技術路線，可覆蓋0.5μm至5nm邏輯、128層以上3D NAND。Gartner 2020年資料顯示全球份額31.3%，為第一。其主要客戶包括台積電、三星、SK海力士、中芯國際等，但部分先進型號受美國出口管制影響。2021年去膠裝置營收約17.8億元人民幣。
• 北方華創（NAURA） 依託積體電路裝備平台，HSE系列去膠/刻蝕裝置整合灰化功能，主要面向28nm及以上成熟製程邏輯、功率半導體及先進封裝。已進入國內多條12英寸產線。公開資料未見其幹法去膠在全球的獨立份額，國內市佔率逐步提升。
• PSK（韓國） 韓國最大的幹法去膠獨立供應商，產品深耕DRAM及部分邏輯客戶。2021年營收約2,500億韓元，主要依賴三星、SK海力士訂單。

總體上，先進邏輯/儲存市場由Lam、TEL和屹唐佔據；特定地區市場存在PSK等；北方華創在國產替代浪潮中充當重要角色。技術路徑上，各廠商均向脈衝、多步、原位監測的方向演進。

11. 風險

• 技術迭代風險：3D NAND超300層和2nm以下GAA工藝要求灰化深度控制近乎原子級，一旦原子層灰化(ALA)技術成熟併成為行業標準，而國內企業未能及時跟進，差距可能擴大。
• 供應鏈與出口管制：2023年10月美國BIS強化先進半導體裝置出口管制，部分用於7nm及以下邏輯或128層以上NAND的灰化裝置和相關射頻源、MFC等部件受控，影響中國產能擴張及裝置升級。核心零部件如高穩定性射頻匹配器、特殊耐腐蝕石英與陶瓷仍高度依賴美日歐供應商。
• 客戶集中與週期波動：幹法去膠裝置的主要訂單來自少數頭部晶圓廠。儲存器行業的投資週期性會導致需求劇降。2023年儲存市場低迷已使部分裝置廠業績承壓。
• 工藝整合複雜度：灰化與後續溼法清洗、CMP等工序的協同要求提升，單獨裝置最佳化無法保障全域性良率，整合方案可能催生捆綁式多裝置採購，對單一功能裝置商構成競爭壓力。
• 環境與安全：灰化尾氣含氟化合物需焚燒或洗滌，環境合規成本上升。含氟溫室氣體限制架構可能未來影響一些氣體使用，裝置設計需適應替代化學物質。
• 國產替代中的業績不確定性：國內裝置商雖在成熟製程獲得突破，但進入先進產線的驗證週期長、認證壁壘高，存在無法按時轉化為批次營收的風險。屹唐半導體IPO終止後，其融資及研發推進節奏不明晰。

12. 誤讀糾偏

• 誤讀一：“等離子灰化就是刻蝕的一種” 糾偏：灰化追求各向同性、高選擇比的剝離，