張雯琪 / 工研院產科國際所
一、半導體沉積和蝕刻製程設備的重要性
半導體關鍵製程包括沉積、光阻塗佈、曝光、蝕刻、離子佈植、拋光、擴散、清洗等。以設備而言，沉積設備市場約占總半導體設備市場25%；蝕刻設備則約占21%，是晶片製造中不可或缺的重要設備，也是影響缺陷和良率的重點項目。
薄膜製程是在高真空的腔體中、將欲沉積的材料加熱並通入，使此氣體附著於基板上形成一層薄膜，過程中再經由微調腔體溫度、壓力、電場/磁場、電漿、流量和時間等參數，來改變薄膜材料特性。主要的薄膜設備包括物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)，PVD的原理是材料在高真空的環境中，從高純度靶材濺射到基板上；CVD的原理是化學前驅物被通入製程反應腔體進行化學反應，並將副產物沉積在基板上。
蝕刻製程的目的是為了製作特定圖樣，透過移除晶圓表面的特定區域來完成，主要有「乾式」蝕刻和「濕式」蝕刻兩種方法。乾式蝕刻多數使用電漿技術形成圖樣；而濕式蝕刻使用化學溶液，多數用於清潔或去除晶圓表面的薄膜材料。
乾式蝕刻主要又包括等離子蝕刻和反應離子蝕刻。等離子蝕刻為各向異性蝕刻，通過基板表面的薄膜材料和反應氣體進行化學反應來去除材料。反應離子蝕刻則是利用電漿中的自由基以電場加速後，去轟擊被刻蝕的材料，反應後的副產物被真空泵抽走，達到蝕刻的目的。
在先進製程中，晶片的精密度要求更高，線寬已經進入奈米等級，薄膜的狀況和優劣對產品的效能影響顯著，因此結構的階梯覆蓋效果對於高階晶片的重要性引起更多的關注。原子級沉積(Atomic Layer Deposition; ALD)與原子級蝕刻(Atomic Layer Etching; ALE)設備雖然不是近期才開發的技術，一直以來，作為保護膜、絕緣層，應用於半導體、面板、MEMS、電池、太陽能、醫療製藥、精密機械零件、光學元件等領域，但是由於可以做到原子等級的薄膜厚度控制，所以導入先進半導體晶片製作的需求數量都大幅增加。根據研調報告，ALD設備市場規模預估2022~2027年複合成長率為25%，同期ALE設備年複合成長率為8.2%。
二、半導體原子級薄膜設備的技術發展
原子級薄膜沉積(ALD)已經有50年以上的歷史，自1970年代，芬蘭Tuomo Suntola等人研發出原子級鍍膜技術，於1977年申請第一篇專利，1980年發表第一篇論文以來，逐漸獲得科學家的關注。在1990 年代末期，半導體製程開始導入ALD，然而，ALD的成長速度僅在0.1 µm/h左右，因此，當時ALD並沒有量產上的優勢，在半導體製程方面的應用有限。
直到近年來，電子產品的微縮，結構複雜度增加，使得ALD逐漸受到重視。ALD屬於一種化學氣相沉積(CVD)技術，特別之處在於，ALD是將CVD的反應過程拆半，分成兩個過程接續進行。也就是說，CVD是將要反應的氣體同時通入腔體進行反應形成薄膜；而ALD是將第一種反應氣體前驅物和晶圓表面吸附；再通入氬氣或氮氣等鈍氣，帶走過多的前驅物及副產物；接著通入第二種前驅物，和第一種前驅物發生反應，形成薄膜；最後再使用氬氣或氮氣等鈍氣，帶走過多的反應氣體及副產物。交替完成兩個半反應後，即形成原子級單一層膜(1~2 Å)的薄膜，而這層薄膜的階梯覆蓋性佳，均勻性好，薄膜材料緻密且無孔洞，非常適合日漸微縮的線寬製作或高深比結構應用。
ALD設備在過去受限於量產效率、高成本，市場應用比較少。但是半導體精微化的發展，使得薄膜品質、厚度和精準度的要求提高，ALD剛好可以補足CVD和PVD的不足。ALD設備市場規模預估2022~2027年複合成長率為25%，2027年達107億美元。
目前領導設備商為ASM International (ASMI)，ASMI自1999年開始發展ALD技術，目前擁有約30%的市場份額。2022年ASMI公司營收為2,411百萬歐元，相較於2021年成長39%，並於2022年投入302百萬歐元的研發資金，相較於2021年成長46%，而驅動研發支出提高的主要原因，就是因為半導體晶片正從FinFET過渡到GAA結構，將導致ALD設備需求顯著增加，ASMI持續加強並穩固其在ALD設備產業地位。
ASMI的ALD設備包括加熱型ALD (Thermal ALD)和電漿型ALD (Plasma Enhanced ALD; PEALD)，加熱型ALD的原理是藉由化學前驅物氣體分子間之自發性化學反應來進行製程，鍍膜過程對溫度非常敏感，而反應溫度容易受到基板種類、化學氣體前驅物的種類/通入量/通入時間間隔所影響，製程變數 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。