半导体行业关键技术ALD：这家公司是龙头！
引言：在从沙子到芯片的漫长制造过程中，多个环节和各种设备的协作支持至关重要。每个环节都对最终芯片的质量起着关键作用。本文，我们将深入探讨其中一个关键环节，薄膜沉积工艺中的原子层沉积（Atomic LayerDeposition，简称为ALD）技术。后摩尔时代，ALD技术将在芯片性能的提升方面扮演着重要的角色。
作为半导体制造的幕后英雄，ALD设备为芯片的生产提供了巨大的帮助。在这个细分领域中，荷兰的ASM公司是当之无愧的行业龙头。不过很多人可能对这家公司并不了解，其实除了ALD设备之外，ASM也正在SiC材料制造过程中的关键设备领域开始崛起。因此接下来，让我们一同揭开这家公司的面纱，深入探讨ASM公司的情况，以更全面地了解这一行业巨头。
(资料图)
ALD技术在半导体制造中扮演重要的角色
在半导体制造过程中，每个半导体元件的产品都需要经过数百道工序。这些工序包括前道工艺和后道工艺，前道工艺是整个制造过程中最为重要的部分，它关系到半导体芯片的基本结构和特性的形成，涉及晶圆制造、沉积、光刻、刻蚀等步骤，技术难点多，操作复杂。下面就让我们来仔细了解一下：
第一步，从沙子到硅。所有的半导体制造都始于一粒沙子，芯片制造的第一步需要将沙子中的二氧化硅分离出来。
第二步，晶圆制造。高纯硅在高温下熔化成液体，然后凝固成单晶固体，形成称为"锭"的晶圆。锭被切割成薄片，决定了晶圆的尺寸。
第三步，沉积。在裸硅晶圆上形成氧化硅层，然后使用低压化学气相沉积（LPCVD）沉积氮化硅层，保护下方的材料不被蚀刻掉。
半导体制造的基本流程以及ASM专注的领域（图源：ASM）
第四步，光刻、蚀刻。创建掩膜，通过光刻胶和紫外线形成图案。接下来进行蚀刻，去除未被保护的区域或层，形成所需的结构或沟槽，用于构建半导体器件和电路的不同部分。
第五，薄膜沉积。为了创建芯片内部的微型器件，需要不断地沉积一层层的薄膜并通过刻蚀去除掉其中多余的部分。
至此，半导体的前道制造步骤就差不多完成了。接下来就进入后道的组装、测试和封装。
在整个半导体制造过程中，薄膜沉积是前道制造的核心工艺之一。一般需要使用不同的薄膜沉积技术如化学气相沉积 (CVD)、原子层沉积 (ALD) 和物理气相沉积(PVD)，来满足不同的需求。但在这几种沉积技术中，传统的物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积 (CVD)在精度、均匀性、成分控制、复杂结构制备等方面都存在一定的限制。相比之下，原子层沉积 (ALD) 技术在精度、均匀性、成分控制和复杂结构制备方面的优势使其成为当今半导体制造和纳米技术领域的重要工具，为高性能和高可靠性的器件制造提供了关键支持。
随着半导体行业进入后摩尔时代，逻辑芯片工艺来到3nm/2nm，晶圆制造的复杂度和工序量大幅提升。同时，存储芯片中3D堆叠结构等新技术的发展，还有新型材料的引入，这些都使得ALD的重要性愈发凸显。
举例来看，ALD是唯一能够满足复杂3D堆叠结构(如3D-NAND)覆盖和薄膜性能要求的沉积技术。这从下图中可以很形象地看出，图中CVD A中沉积的薄膜（蓝色）并没有完全覆盖结构的下部部分；即使对CVD进行一些工艺调整（CVD B）实现了覆盖，但是底部区域的薄膜性能和化学成分很差（图中白色区域）；相比之下，使用ALD技术则显示了完全的薄膜覆盖，而且在结构的所有区域都实现了高质量和均匀的薄膜特性。
相比CVD，ALD技术的优势（图源：ASM）
虽然短期来看，CVD依旧占据最大的市场份额，但是ALD已成为晶圆厂设备市场中增长最快的部分之一。在这个充满增长潜力且在芯片制造中扮演关键角色的ALD市场中，ASM公司是ALD设备领域的龙头企业。
ALD设备龙头ASM的崛起
1968年，在全球半导体行业刚刚诞生之际，企业家Arthur del Prado在荷兰成立了ASM。ASM最初切入的是熔炉沉积市场，于1970年开始在荷兰生产。此后ASM孵化出了专注于后端半导体装配和封装设备领域的ASMPT，还与飞利浦的合资企业即今天的ASML开发光刻技术。
不过，自20世纪90年代初以来，ASM的工作重心就一直聚焦在沉积技术领域。对原子层沉积（ALD）技术的投资可以说是ASM的明智之举，1999年，ASM是最早认识到ALD 潜力的公司之一。对此，ASM收购了2家ALD技术相关的企业，分别是1999年ASM收购了Microchemistry，2004年又收购了ASM Genitech Korea。
ASM在ALD领域取得重大突破是在2007年，彼时，他们推出的Pulsar ALD工具成为第一个用于大批量制造使用新型铪基高介电层材料的器件的系统。
ASM公司的Pulsar® XP ALD设备（图源：ASM）
如今，ASM大约占据全球ALD设备55%的市场份额，是全球最大、市占率最高的ALD设备供应商。ALD业务也是ASM最大的设备营收来源，占比一半以上。2022年ASM营收达到24.11亿欧元，同比增长33%，营业利润增长29%至6.32亿欧元，这已是该公司连续第六年实现两位数的增长。ASM的营收增长主要受益于最先进节点的逻辑代工和内存新需求，尤其在3D NAND领域，ASM的ALD设备收获了创纪录的订单，此外，先进DRAM器件中ALD高k金属栅极的需求也持续强劲。
为了不断推动ALD技术的进步，ASM正在不断增大研发投入，包括制造基础设施、研发人员和投资收购等。据了解，2023年5月23日，ASM在韩国华城新建最先进的创新和制造中心破土动工。在收购方面，2022年ASM收购了高性能射频匹配网络和射频发生器供应商Reno Sub-Systems，为其下一代ALD设备的发展积蓄力量。
不断扩张半导体设备的版图
在逻辑代工和内存市场坐稳了ALD设备龙头地位之后，ASM也在因应市场发展潮流，探索在模拟/电源、传感器和晶圆等市场领域的更多的发展机会。
其实除了ALD设备之外，ASM在外延设备（Epi）领域也有多年的经验。ASM在外延技术的积累始于20世纪70年代成立的ASM美国公司，这为其后期的外延设备奠定了基础。外延是一种特殊的CVD工艺，用于在原子清洁的晶体表面上沉积新的晶体层，如硅或硅锗。目前，外延设备是ASM仅次于ALD的第二大产品线，在过去五年间，ASM在外延市场的地位不断提升，外延设备也成为ASM 2022年增长最快的业务。
ASM的Intrepid® ES™ & Intrepid® ESA™ Epitaxy外延沉积设备（图源：ASM）
SiC外延设备是ASM在2022年新增的一条产品线。2022年7月18日，ASM通过收购意大利碳化硅 (SiC) 和硅外延反应器制造商LPE，切入SiC外延设备领域。
随着ASM的外延设备在电源、模拟和晶圆市场地位不断扩大，该公司预计其外延设备市场份额有望从2020年的15%翻一番，到2025年至少达到30%。
ASM还在不断扩展在沉积领域的版图。在垂直炉和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方面，ASM也在有选择的进行投资。去年7月ASM推出了新的300mm垂直炉设备，而且已经有多个预订单，预计在2023年将有稳定的收入贡献。
ASM的300毫米垂直炉设备Dragon ® XP8 PECVD（图源：ASM）
虽然2023年整个逻辑代工和内存市场的需求有所下滑，但凭借在ALD市场的强势地位和公司新产品的推出，新应用势头的需求之下，ASM在2023年以17亿欧元的积压订单创下历史新高。ASM表示预计将跑赢晶圆厂设备(WFE)市场的发展情况。
传承、创新的精神造就了ASM如今的辉煌
50多年深耕一个领域，ASM今时今日的成就是传承和创新的结果。通过传承先辈们的经验和知识，ASM在ALD设备领域积累了丰富的专业知识和经验。同时，ASM始终坚持创新，并一直与领先的客户和供应商、全球研究机构(如imec)和重点大学进行密切和早期合作，建立互利的合作伙伴关系，以更好地开发下一代技术。据ASM财报透露，2022年ASM与客户的研发合作数量达到了历史新高。
因此，ASM总是领先于未来，推出高性能的ALD设备，这使半导体材料层的沉积成为可能，从而创造出先进芯片。
而所有这一切都离不开ASM才华横溢、充满激情的人才。三大核心价值观：“我们关心（We Care）”、“我们创新（We Innovate）”、“我们交付（We Deliver）”，是ASM所有工作的核心，也是其文化的基石。
ASM相信开放思想的力量，旨在营造一个可以让创意成长、发展和蓬勃发展的环境。ASM非常注重多元化和包容性，这有助于其从世界各地广泛吸引优秀的人才。过去几年以来，ASM的人才队伍不断壮大，从2018年到2022年ASM的员工总数翻了一番，截止2022年底ASM公司的总员工人数达到4258人，研发人员增加了49%。ASM的大家庭中目前有来自49个国籍的员工，且女性员工的数量从2021年15%增加到2022年底的17%。ASM在中国已拥有250+员工，在上海、北京、无锡、合肥、武汉、西安和深圳等地设有办公室。ASM自2008年进入中国以来，积极落实企业责任，多次与全球及中国当地NGO组织合作，带领员工加入公益事业；组织“登月计划”、“先锋杯王者荣耀邀请赛”等活动，助力员工开心健康地工作。
在快节奏和不断变化的半导体行业中，ASM还在致力于广泛吸纳人才，发挥创新的精神，及时准确的响应客户的需求。
结语
经过半个多世纪的积累和沉淀，ASM在半导体行业尤其是在ALD和外延领域中的影响力不可忽视。凭借对ALD和外延设备的深耕，以及对5G、云计算、人工智能、生物技术和医学等新领域的敏锐嗅觉，ASM的影响力将进一步扩大，继续引领行业发展，开启发展的新篇章。
在过去的十年中，器件结构开始从2D转向3D，比如NAND。虽然今天的DRAM仍然是2D，但从长远来看，也正在向3D-DRAM 发展。半导体行业仍然致力于减小晶体管的尺寸，逻辑领域正在从FinFET过渡到GAA（gate-all-around）器件架构。这些行业转变也将加大对ALD设备的需求。在这样的背景下，ASM正在帮助解决当今和未来半导体技术路线图上的关键问题。
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