半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)ALD：這家公司是龍頭！

引言：在從沙子到芯片的漫長(zhǎng)制造過(guò)程中，多個(gè)環(huán)節(jié)和各種設(shè)備的協(xié)作支持至關(guān)重要。每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)最終芯片的質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。本文，我們將深入探討其中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，薄膜沉積工藝中的原子層沉積（Atomic LayerDeposition，簡(jiǎn)稱為ALD）技術(shù)。后摩爾時(shí)代，ALD技術(shù)將在芯片性能的提升方面扮演著重要的角色。

作為半導(dǎo)體制造的幕后英雄，ALD設(shè)備為芯片的生產(chǎn)提供了巨大的幫助。在這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域中，荷蘭的ASM公司是當(dāng)之無(wú)愧的行業(yè)龍頭。不過(guò)很多人可能對(duì)這家公司并不了解，其實(shí)除了ALD設(shè)備之外，ASM也正在SiC材料制造過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備領(lǐng)域開(kāi)始崛起。因此接下來(lái)，讓我們一同揭開(kāi)這家公司的面紗，深入探討ASM公司的情況，以更全面地了解這一行業(yè)巨頭。

ALD技術(shù)在半導(dǎo)體制造中扮演重要的角色

在半導(dǎo)體制造過(guò)程中，每個(gè)半導(dǎo)體元件的產(chǎn)品都需要經(jīng)過(guò)數(shù)百道工序。這些工序包括前道工藝和后道工藝，前道工藝是整個(gè)制造過(guò)程中最為重要的部分，它關(guān)系到半導(dǎo)體芯片的基本結(jié)構(gòu)和特性的形成，涉及晶圓制造、沉積、光刻、刻蝕等步驟，技術(shù)難點(diǎn)多，操作復(fù)雜。下面就讓我們來(lái)仔細(xì)了解一下：

第一步，從沙子到硅。所有的半導(dǎo)體制造都始于一粒沙子，芯片制造的第一步需要將沙子中的二氧化硅分離出來(lái)。

第二步，晶圓制造。高純硅在高溫下熔化成液體，然后凝固成單晶固體，形成稱為"錠"的晶圓。錠被切割成薄片，決定了晶圓的尺寸。

第三步，沉積。在裸硅晶圓上形成氧化硅層，然后使用低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）沉積氮化硅層，保護(hù)下方的材料不被蝕刻掉。

半導(dǎo)體制造的基本流程以及ASM專注的領(lǐng)域（圖源：ASM）

第四步，光刻、蝕刻。創(chuàng)建掩膜，通過(guò)光刻膠和紫外線形成圖案。接下來(lái)進(jìn)行蝕刻，去除未被保護(hù)的區(qū)域或?qū)?，形成所需的結(jié)構(gòu)或溝槽，用于構(gòu)建半導(dǎo)體器件和電路的不同部分。

第五，薄膜沉積。為了創(chuàng)建芯片內(nèi)部的微型器件，需要不斷地沉積一層層的薄膜并通過(guò)刻蝕去除掉其中多余的部分。

至此，半導(dǎo)體的前道制造步驟就差不多完成了。接下來(lái)就進(jìn)入后道的組裝、測(cè)試和封裝。

在整個(gè)半導(dǎo)體制造過(guò)程中，薄膜沉積是前道制造的核心工藝之一。一般需要使用不同的薄膜沉積技術(shù)如化學(xué)氣相沉積 (CVD)、原子層沉積 (ALD) 和物理氣相沉積(PVD)，來(lái)滿足不同的需求。但在這幾種沉積技術(shù)中，傳統(tǒng)的物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積 (CVD)在精度、均勻性、成分控制、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制備等方面都存在一定的限制。相比之下，原子層沉積 (ALD) 技術(shù)在精度、均勻性、成分控制和復(fù)雜結(jié)構(gòu)制備方面的優(yōu)勢(shì)使其成為當(dāng)今半導(dǎo)體制造和納米技術(shù)領(lǐng)域的重要工具，為高性能和高可靠性的器件制造提供了關(guān)鍵支持。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入后摩爾時(shí)代，邏輯芯片工藝來(lái)到3nm/2nm，晶圓制造的復(fù)雜度和工序量大幅提升。同時(shí)，存儲(chǔ)芯片中3D堆疊結(jié)構(gòu)等新技術(shù)的發(fā)展，還有新型材料的引入，這些都使得ALD的重要性愈發(fā)凸顯。

舉例來(lái)看，ALD是唯一能夠滿足復(fù)雜3D堆疊結(jié)構(gòu)(如3D-NAND)覆蓋和薄膜性能要求的沉積技術(shù)。這從下圖中可以很形象地看出，圖中CVD A中沉積的薄膜（藍(lán)色）并沒(méi)有完全覆蓋結(jié)構(gòu)的下部部分；即使對(duì)CVD進(jìn)行一些工藝調(diào)整（CVD B）實(shí)現(xiàn)了覆蓋，但是底部區(qū)域的薄膜性能和化學(xué)成分很差（圖中白色區(qū)域）；相比之下，使用ALD技術(shù)則顯示了完全的薄膜覆蓋，而且在結(jié)構(gòu)的所有區(qū)域都實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量和均勻的薄膜特性。

相比CVD，ALD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)（圖源：ASM）

雖然短期來(lái)看，CVD依舊占據(jù)最大的市場(chǎng)份額，但是ALD已成為晶圓廠設(shè)備市場(chǎng)中增長(zhǎng)最快的部分之一。在這個(gè)充滿增長(zhǎng)潛力且在芯片制造中扮演關(guān)鍵角色的ALD市場(chǎng)中，ASM公司是ALD設(shè)備領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。

ALD設(shè)備龍頭ASM的崛起

1968年，在全球半導(dǎo)體行業(yè)剛剛誕生之際，企業(yè)家Arthur del Prado在荷蘭成立了ASM。ASM最初切入的是熔爐沉積市場(chǎng)，于1970年開(kāi)始在荷蘭生產(chǎn)。此后ASM孵化出了專注于后端半導(dǎo)體裝配和封裝設(shè)備領(lǐng)域的ASMPT，還與飛利浦的合資企業(yè)即今天的ASML開(kāi)發(fā)光刻技術(shù)。

不過(guò)，自20世紀(jì)90年代初以來(lái)，ASM的工作重心就一直聚焦在沉積技術(shù)領(lǐng)域。對(duì)原子層沉積（ALD）技術(shù)的投資可以說(shuō)是ASM的明智之舉，1999年，ASM是最早認(rèn)識(shí)到ALD 潛力的公司之一。對(duì)此，ASM收購(gòu)了2家ALD技術(shù)相關(guān)的企業(yè)，分別是1999年ASM收購(gòu)了Microchemistry，2004年又收購(gòu)了ASM Genitech Korea。

ASM在ALD領(lǐng)域取得重大突破是在2007年，彼時(shí)，他們推出的Pulsar ALD工具成為第一個(gè)用于大批量制造使用新型鉿基高介電層材料的器件的系統(tǒng)。

如今，ASM大約占據(jù)全球ALD設(shè)備55%的市場(chǎng)份額，是全球最大、市占率最高的ALD設(shè)備供應(yīng)商。ALD業(yè)務(wù)也是ASM最大的設(shè)備營(yíng)收來(lái)源，占比一半以上。2022年ASM營(yíng)收達(dá)到24.11億歐元，同比增長(zhǎng)33%，營(yíng)業(yè)利潤(rùn)增長(zhǎng)29%至6.32億歐元，這已是該公司連續(xù)第六年實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的增長(zhǎng)。ASM的營(yíng)收增長(zhǎng)主要受益于最先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的邏輯代工和內(nèi)存新需求，尤其在3D NAND領(lǐng)域，ASM的ALD設(shè)備收獲了創(chuàng)紀(jì)錄的訂單，此外，先進(jìn)DRAM器件中ALD高k金屬柵極的需求也持續(xù)強(qiáng)勁。

為了不斷推動(dòng)ALD技術(shù)的進(jìn)步，ASM正在不斷增大研發(fā)投入，包括制造基礎(chǔ)設(shè)施、研發(fā)人員和投資收購(gòu)等。據(jù)了解，2023年5月23日，ASM在韓國(guó)華城新建最先進(jìn)的創(chuàng)新和制造中心破土動(dòng)工。在收購(gòu)方面，2022年ASM收購(gòu)了高性能射頻匹配網(wǎng)絡(luò)和射頻發(fā)生器供應(yīng)商Reno Sub-Systems，為其下一代ALD設(shè)備的發(fā)展積蓄力量。

不斷擴(kuò)張半導(dǎo)體設(shè)備的版圖

在邏輯代工和內(nèi)存市場(chǎng)坐穩(wěn)了ALD設(shè)備龍頭地位之后，ASM也在因應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展潮流，探索在模擬/電源、傳感器和晶圓等市場(chǎng)領(lǐng)域的更多的發(fā)展機(jī)會(huì)。

其實(shí)除了ALD設(shè)備之外，ASM在外延設(shè)備（Epi）領(lǐng)域也有多年的經(jīng)驗(yàn)。ASM在外延技術(shù)的積累始于20世紀(jì)70年代成立的ASM美國(guó)公司，這為其后期的外延設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。外延是一種特殊的CVD工藝，用于在原子清潔的晶體表面上沉積新的晶體層，如硅或硅鍺。目前，外延設(shè)備是ASM僅次于ALD的第二大產(chǎn)品線，在過(guò)去五年間，ASM在外延市場(chǎng)的地位不斷提升，外延設(shè)備也成為ASM 2022年增長(zhǎng)最快的業(yè)務(wù)。

SiC外延設(shè)備是ASM在2022年新增的一條產(chǎn)品線。2022年7月18日，ASM通過(guò)收購(gòu)意大利碳化硅 (SiC) 和硅外延反應(yīng)器制造商LPE，切入SiC外延設(shè)備領(lǐng)域。

隨著ASM的外延設(shè)備在電源、模擬和晶圓市場(chǎng)地位不斷擴(kuò)大，該公司預(yù)計(jì)其外延設(shè)備市場(chǎng)份額有望從2020年的15%翻一番，到2025年至少達(dá)到30%。

ASM還在不斷擴(kuò)展在沉積領(lǐng)域的版圖。在垂直爐和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）方面，ASM也在有選擇的進(jìn)行投資。去年7月ASM推出了新的300mm垂直爐設(shè)備，而且已經(jīng)有多個(gè)預(yù)訂單，預(yù)計(jì)在2023年將有穩(wěn)定的收入貢獻(xiàn)。

雖然2023年整個(gè)邏輯代工和內(nèi)存市場(chǎng)的需求有所下滑，但憑借在ALD市場(chǎng)的強(qiáng)勢(shì)地位和公司新產(chǎn)品的推出，新應(yīng)用勢(shì)頭的需求之下，ASM在2023年以17億歐元的積壓訂單創(chuàng)下歷史新高。ASM表示預(yù)計(jì)將跑贏晶圓廠設(shè)備(WFE)市場(chǎng)的發(fā)展情況。

傳承、創(chuàng)新的精神造就了ASM如今的輝煌

50多年深耕一個(gè)領(lǐng)域，ASM今時(shí)今日的成就是傳承和創(chuàng)新的結(jié)果。通過(guò)傳承先輩們的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，ASM在ALD設(shè)備領(lǐng)域積累了豐富的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，ASM始終堅(jiān)持創(chuàng)新，并一直與領(lǐng)先的客戶和供應(yīng)商、全球研究機(jī)構(gòu)(如imec)和重點(diǎn)大學(xué)進(jìn)行密切和早期合作，建立互利的合作伙伴關(guān)系，以更好地開(kāi)發(fā)下一代技術(shù)。據(jù)ASM財(cái)報(bào)透露，2022年ASM與客戶的研發(fā)合作數(shù)量達(dá)到了歷史新高。

因此，ASM總是領(lǐng)先于未來(lái)，推出高性能的ALD設(shè)備，這使半導(dǎo)體材料層的沉積成為可能，從而創(chuàng)造出先進(jìn)芯片。

而所有這一切都離不開(kāi)ASM才華橫溢、充滿激情的人才。三大核心價(jià)值觀：“我們關(guān)心（We Care）”、“我們創(chuàng)新（We Innovate）”、“我們交付（We Deliver）”，是ASM所有工作的核心，也是其文化的基石。

ASM相信開(kāi)放思想的力量，旨在營(yíng)造一個(gè)可以讓創(chuàng)意成長(zhǎng)、發(fā)展和蓬勃發(fā)展的環(huán)境。ASM非常注重多元化和包容性，這有助于其從世界各地廣泛吸引優(yōu)秀的人才。過(guò)去幾年以來(lái)，ASM的人才隊(duì)伍不斷壯大，從2018年到2022年ASM的員工總數(shù)翻了一番，截止2022年底ASM公司的總員工人數(shù)達(dá)到4258人，研發(fā)人員增加了49%。ASM的大家庭中目前有來(lái)自49個(gè)國(guó)籍的員工，且女性員工的數(shù)量從2021年15%增加到2022年底的17%。ASM在中國(guó)已擁有250+員工，在上海、北京、無(wú)錫、合肥、武漢、西安和深圳等地設(shè)有辦公室。ASM自2008年進(jìn)入中國(guó)以來(lái)，積極落實(shí)企業(yè)責(zé)任，多次與全球及中國(guó)當(dāng)?shù)豊GO組織合作，帶領(lǐng)員工加入公益事業(yè)；組織“登月計(jì)劃”、“先鋒杯王者榮耀邀請(qǐng)賽”等活動(dòng)，助力員工開(kāi)心健康地工作。

在快節(jié)奏和不斷變化的半導(dǎo)體行業(yè)中，ASM還在致力于廣泛吸納人才，發(fā)揮創(chuàng)新的精神，及時(shí)準(zhǔn)確的響應(yīng)客戶的需求。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的積累和沉淀，ASM在半導(dǎo)體行業(yè)尤其是在ALD和外延領(lǐng)域中的影響力不可忽視。憑借對(duì)ALD和外延設(shè)備的深耕，以及對(duì)5G、云計(jì)算、人工智能、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)等新領(lǐng)域的敏銳嗅覺(jué)，ASM的影響力將進(jìn)一步擴(kuò)大，繼續(xù)引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，開(kāi)啟發(fā)展的新篇章。

在過(guò)去的十年中，器件結(jié)構(gòu)開(kāi)始從2D轉(zhuǎn)向3D，比如NAND。雖然今天的DRAM仍然是2D，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，也正在向3D-DRAM 發(fā)展。半導(dǎo)體行業(yè)仍然致力于減小晶體管的尺寸，邏輯領(lǐng)域正在從FinFET過(guò)渡到GAA（gate-all-around）器件架構(gòu)。這些行業(yè)轉(zhuǎn)變也將加大對(duì)ALD設(shè)備的需求。在這樣的背景下，ASM正在幫助解決當(dāng)今和未來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)路線圖上的關(guān)鍵問(wèn)題。