随着半导体行业持续向大尺寸基板、超高精度原子级制程迭代，晶圆生产设备核心零部件面临严苛升级需求，即在尺寸放大的同时，必须严格保障气流控制、沉积刻蚀均匀性与长期运行稳定性，传统制造方案已难以适配先进工艺迭代节奏。针对这一行业痛点，Plasway-Technologies联合Alumina Systems与俐陶智，共同研发出适配先进制程的500毫米氧化铝双通道气体分配环，依托高精度陶瓷增材制造技术，成功搭载于Plasway-Technologies 快速原子层工艺平台（FALP-Fast Atomic Layering Process），实现单一腔室内高速等离子体增强原子层沉积（PEALD-Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition）与原子层刻蚀（ALE-Atomic Layer Etching）同步作业，彻底解决了大尺寸晶圆基材气体分布不均、制程切换慢、产能受限等行业难题。
半导体行业对高速、高均匀性原子层沉积（ALD）与原子层刻蚀（ALE）工艺的极致追求，催生了新一代精密气体分配组件的研发需求，而传统陶瓷成型工艺已无法满足这类复杂结构的制造要求。2016年创立Plasway Technologies的公司创始人兼首席执行官Stephan Wege表示，晶圆生产效率的提升始终依托两大核心指标：加工速度与工艺精度，这也是团队研发的核心出发点。
团队的核心研发目标，是打造一台可在单一腔室内集成PEALD与ALE双工艺的新型设备，通过高速气体切换机制大幅提升产能，同时实现全域均匀的气体分布效果，这一构想最终实现成为快速原子层工艺（FALP）技术体系。
整套FALP架构的核心载体，即为陶瓷增材制造工艺制备的500毫米氧化铝双通道气体分配环，也是支撑单腔双工艺高速加工的核心技术壁垒。该部件能够在同一反应腔室内完成高速PEALD与ALE制程，精准调控晶圆表面的气流动力学状态，保障工艺稳定性与一致性。
Stephan Wege指出，制约原子层级制程提速的核心瓶颈十分明确：“你需要高效导入工艺气体、快速且均匀地将气体输送至晶圆表面，随后迅速完成气体抽除。”
团队通过气流动力学仿真验证发现，传统设备的气体入口与喷淋头之间存在微小死区，会直接阻碍气体的快速置换与均匀分布。Stephan Wege解释道，这是传统喷淋结构无法突破的固有缺陷：“传统喷淋头设计存在结构性短板，无法让反应腔下部形成稳定层流，同时前驱体无法实现快速、精准分隔，会提前发生接触反应，因此我们必须突破传统结构，探索全新的设计方案。”
装配大口径气体分配环的FALP腔盖组件（图片来源：Plasway-Technologies）
轻量化点阵结构特写，该结构用于降低构件自重，并最大限度减少热处理过程中的形变（图源：俐陶智）
为何选用PEALD而非传统ALD？
原子层沉积工艺由两组半循环反应构成，依靠连续、自限制的表面反应机制成型，是制备先进高性能芯片的核心制程，可在基板表面沉积超薄介电层或金属薄膜，有效保护晶圆内部高深宽比、超精细的沟槽与微孔结构。传统ALD工艺首先将高挥发性、热稳定性强、高活性的前驱体通入基板完成反应，随后抽除残余前驱体、完成腔室吹扫，再通入共反应物启动第二轮半循环反应，最终再次吹扫腔室，整套流程繁琐且耗时。
谈及工艺迭代的核心思路，Stephan Wege表示：“我们的目标是全面提速ALD整套工序，同时进一步提升工艺精度。双通道气体分配环就是实现这一目标的核心载体，它能够让前驱体与共反应物以完全独立、均匀的切向流形态，以最高流速送入同一腔室，在晶圆表面形成高度对称的稳定层流。”
该结构可实现两种工艺气体入腔前完全隔离，杜绝提前反应，无需清理脉冲间隙的介质反应容积，大幅提升气体切换效率。为实现极致的制程提速效果，Plasway-Technologies在基板正中央配置抽速达3600 L/s的涡轮分子泵，以对称式吹扫模式保障晶圆全域吹扫速率一致。
Stephan Wege坦言，传统ALD工艺已逐渐成为晶圆量产的产能瓶颈：“ALD技术诞生数十年，单次循环仅能在晶圆表面沉积单原子层材料，制程效率极低。”而等离子增强工艺完美弥补了这一短板，“传统热ALD多采用水、臭氧作为氧化共反应物，而PEALD依托氧气自由基等离子体，凭借极高的表面反应活性，可大幅降低沉积温度，高效完成金属薄膜等前驱体的沉积成型。”
原子层刻蚀（ALE）：工艺相反，腔室共用
原子层刻蚀可视为原子层沉积的逆向工艺：ALD通过镀膜保护基板结构，ALE则以单原子层精度去除材料，能够精准控制刻蚀深度、全域均匀性与表面光洁度，适配先进芯片的精密微纳加工需求。
Stephan Wege详细解读了ALE工艺的核心原理与技术难点：“硅材料刻蚀过程中，需要依托氯气等离子体改性表层硅结构，常规温度下等离子体不会触发硅的刻蚀反应，温度超出工艺窗口则会转化为普通溅射刻蚀，因此离子能量的精准调控是核心关键。腔室吹扫去除残余氯气后，依靠氩离子完成表层刻蚀，必须精准平衡离子能量，仅打断硅材料最表层的化学键，避免损伤基底结构。”
依托分配环的双通道专属结构，搭配精准的射频频率选型，FALP平台可独立调控等离子体密度与离子能量，精准匹配ALE工艺的严苛要求，实现最优加工性能。
Stephan Wege总结道：“PEALD与ALE两种工艺的前驱体反应特性各有不同，但核心需求高度一致，都需要快速、均匀的气体调控能力。缩短粒子腔室停留时间、实现极速气体交换，是提升制程性能的核心关键。行业始终追求极致加工速度，因此我们致力于将两种反向精密工艺集成于单一腔室，而这款双通道气体分配环，正是实现高速原子层加工的核心部件。”
需求主导方案：陶瓷增材制造与氧化铝材料
该核心部件需要在单一陶瓷基体中集成两套无交叉、高复杂度的内置流道系统，同时搭载经过流体动力学仿真优化的拉瓦尔喷嘴结构，这类复杂设计完全超出注浆成型、陶瓷注射成型、干压成型等传统陶瓷工艺的制造极限，唯有成熟的陶瓷增材制造技术可落地实现。
德国Alumina Systems GmbH自项目研发初期便深度参与，该公司产品与工艺开发负责人Steffen Walter阐释了选用高纯氧化铝陶瓷的核心原因：“FALP腔室内存在强等离子体腐蚀与高腐蚀性介质，同等规格的金属环形部件使用寿命会大幅衰减。经过多轮验证，99.9%高纯氧化铝是适配等离子体工艺的最优方案，能够长期耐受腐蚀性气体工况，保障设备长期稳定运行。”
第一代380毫米FALP分配环，搭载3D打印喷嘴与双通道前驱体进气结构；上图为CAD三维模型，下图为装配于等离子腔体实景，图片来源：Plasway-Technologies
气体分配环四步迭代，俐陶智核心技术支撑
自2018年首批原型件试制落地以来，这款半导体核心气体分配环历经四轮重大设计迭代，逐步实现从原型验证到工业化量产、从小尺寸到大尺寸的全面升级：
阶段1：增材制造喷嘴+整体陶瓷环(380毫米)
2018年研发团队推出首款380毫米（15英寸）原型件，部件主体采用传统注浆成型工艺，仅核心喷嘴结构依托俐陶智设备生产。同年，首台FALP验证样机交付德累斯顿弗劳恩霍夫陶瓷技术研究所（IKTS），在洁净车间环境下完成全方位性能测试，团队依托双频容性耦合等离子体反应器，成功验证了快速气体脉冲工艺的可行性。
初代产品的研发重心聚焦于进气结构优化与温度精准控制，核心创新点为具备动态阀特性的专用喷嘴与两套相互独立的气体分配通道。该阶段已成功验证设备的极速气体切换能力与优异的布气均匀性，依托大抽速真空泵实现前驱体快速吹扫，脉冲结束后残余气体排放量极低，可稳定完成高速气体交换与全域均匀布气。同时测试证实，双通道独立喷嘴设计彻底规避了前驱体交叉接触问题，省去了复杂的通道吹扫排空工序，是制程提速的核心关键。
初代复合结构产品虽完成了技术可行性验证，但存在明显短板。Stephan Wege指出，初代设备涡轮泵非对称布置，气体关停后无法维持理想的均匀气流分布；Steffen Walter补充道：“这种复合制造方案可验证技术原理，但量产效率极低，不具备工业化落地价值，因此我们很快确定了全3D打印的迭代方向。”
阶段2：首款全增材制造环形件
第二轮重大迭代中，研发团队摒弃复合制造模式，实现环形件整体全流程增材制造，依托光固化陶瓷增材制造工艺一体成型。全新结构大幅优化流体通路性能，同时精简材料用量、降低构件自重，综合性能显著提升。
本阶段核心突破是一体化喷嘴流道系统的全面优化，流道出口与喷嘴的位置、角度、几何结构精准匹配，彻底消除传统结构中环体与喷嘴的拼接接缝，从根源上规避接缝导致的气流分布偏差，大幅提升工艺一致性。
但大尺寸一体式结构也带来了全新制造难题：大尺寸生坯脱模失效风险高，烧结过程翘曲变形隐患突出，同时清洗、脱脂、烧结等工序转运难度大，仓储收纳效率低，制约量产落地。
阶段3：380毫米环形件分段化设计
第三阶段研发核心目标，是解决一体式大尺寸环体的转运难题与烧结变形风险。Steffen Walter介绍道：“初代整环性能表现优异，但制造与良率风险突出。俐陶智提出了突破性的分段方案，将380毫米整环拆分为6组完全一致的分段，全部烧结完成后再统一粘接组装，彻底解决了传统工艺痛点。”
深耕陶瓷-金属连接技术的Alumina Systems，快速研发出适配的玻璃粘接工艺，可实现6组扇段烧结后的高精度气密封接，保障整体结构稳定性与流道独立性。
分段化设计带来了全方位的性能与工艺升级，Stephan Wege表示：“分段尺寸完美适配俐陶智LCM设备的加工能力，我们可以进一步优化流道与喷嘴的结构复杂度，充分发挥陶瓷3D打印的超高精度优势。”
同时，分段结构大幅降低量产风险、提升生产效率、控制制造成本，具体优势包括：构件转运仓储更便捷、烧结翘曲变形风险最小化、脱脂效率大幅提升、原材料成本降低、单件报废损失可控、批量产能显著提升，单批次打印可产出三套圆环所需分段。
Stephan Wege补充了核心性能升级成果：“依托CeraFab打印系统的超高精度，气体流道内壁光滑度大幅提升，流路动力学特性得到极致优化。迭代完成后，相较于传统金属环设备，设备连续稳定运行时长从1个月提升至9个月，整体产能直接提升三倍。”
浅沟槽隔离（STI）晶圆结构，展现ALD沉积工艺的保形均匀性
(图源：Plasway-Technologies)
X射线光电子能谱（XPS）数据表征PEALD薄膜化学计量比，结果显示形成稳定氧化硅（SiOₓ）物相，硅氧比稳定维持在0.48，并且能够平稳过渡至氧化铝（Al₂O₃）薄膜 (图源：Plasway-Technologies)
阶段4：500毫米直径分段式环形件
分段制造工艺的成熟，为产品大型化迭代奠定了基础，行业大尺寸基板的迭代需求，推动团队开启500毫米超大直径环形件的研发。Stephan Wege介绍：“半导体行业迭代速度极快，市场对大尺寸基板设备的需求持续攀升。两年前，我们接到客户定制需求，研发500毫米直径专利分配环，让FALP腔室适配430毫米大尺寸基板。”
研发团队保留双通道独立进气的核心原理，同时将扇段数量从6组优化为8组。依托多年成熟的研发流程与稳定的分工体系，项目快速落地。Stephan Wege对合作成果高度认可：“俐陶智团队高效完成了大尺寸结构的适配优化，氧化铝浆料的收缩率控制精度令人折服。Alumina Systems全程负责脱脂、烧结、粘接等全后续工序，配合高效默契。”
为适配大直径环形件，FALP设备升级可调式安装基座，兼容多规格环形部件装配。Alumina Systems充分发挥陶瓷-金属异质连接技术优势，将两路不锈钢进气接头精准集成于陶瓷环体结构，保障气密性与结构强度。
FALP设备直径可调安装机制与不锈钢进气集成结构细节
(图源：Plasway-Technologies)
针对300毫米晶圆加工场景，Plasway-Technologies自主研发双极静电吸盘（ESC），搭配高抽速涡轮分子泵，实现晶圆温度的超高精度闭环控制。Stephan Wege表示：“均匀性测试数据充分验证了方案的可行性，我们打造出首款搭载高精度ESC温控系统的PEALD设备，可独立精准调控等离子体密度、离子能量与晶圆温度三大核心参数。”
面向300毫米晶圆基板开发的双极静电吸盘（ESC）：(上) 静电吸盘，配备晶圆基底支撑结构，可在FALP腔室内实现晶圆温度精准控制；(下) 装载晶圆后的静电吸盘 (图源：Plasway-Technologies)
随着部件尺寸与扇段数量升级，俐陶智应用团队同步优化CeraFab设备的分段排版方案，最大化利用打印成型空间。Steffen Walter介绍：“三年前S65设备单批次仅能打印4段，如今CeraFab S320设备单批次可成型14段，一次打印即可产出近两套500毫米完整圆环，量产效率大幅跃升。”
单台S320设备成型14段，提升500毫米分配环的生产效率
(图源：Plasway-Technologies)
封接工艺：最终组装流程
Alumina Systems采用专用玻璃粘接技术完成分段分配环的一体化组装：在烧结完成的分段结合面涂刷定制配方玻璃料，再进行二次高温烧结，玻璃熔融后浸润陶瓷结合面，冷却固化后形成高强度气密连接，将多组分段整合为完整环形结构，同时严格保障两条内部气体通道完全独立、互不干涉。为提升设备工况稳定性，部件组装完成后，会在接缝顶部加装盖板加固结构，彻底规避工况风险。
待后续加工与最终装配的生坯 (图源：Plasway-Technologies)
严格的质量控制测试流程
所有分段上机装配前，Plasway-Technologies与Alumina Systems会对每一组构件开展全方位功能与结构完整性检测，严控产品良率。Steffen Walter介绍了初代产品的迭代痛点：“初代上机圆环测试发现，等离子体点火后，6点至9点区间的喷嘴沉积均匀性偏差明显。而分段化设计让我们可以在质检阶段，利用定制测试设备单独检测每一组分段的性能，合格后再统一粘接组装，从根源上保障成品气体分布的稳定性与一致性。”
质检环节可前置至脱脂、烧结工序之前，提前筛除缺陷生坯，减少后续加工损耗。每批次产品均会生成气体分布均匀性图谱，任一分段参数不达标，都会直接替换全新构件，再进行封接组装，杜绝次品产生。
同时，Alumina Systems会对成品分段开展裂纹渗透检测与紫外无损扫描，精准识别肉眼不可见的微小缺陷，所有缺陷构件直接报废处理。Steffen Walter强调：“工程陶瓷一旦产生裂纹，无任何修复方案，必须直接剔除，保障每一件成品的可靠性。”
FALP腔室内ALD沉积均匀性对比：(a) 早期环形件设计，等离子体点火后出现沉积不均现象；(b) 优化后的环形件设计，整环区域气流分布均匀，薄膜沉积效果一致 (图源：Plasway-Technologies)
Stephan Wege补充最终质量控制标准：“成品圆环的双通道流道会独立检测，所有喷嘴逐一校验校准，腔室流体动力学检测是我们的核心质检环节。目前18英寸分配环适配17英寸基板加工时，二氧化硅薄膜沉积不均匀性可稳定控制在3%左右，达到行业顶尖水平。”
18英寸ALD气体分配环气流均匀性测试，结果显示在17英寸基板上二氧化硅（SiO₂）薄膜整体沉积不均匀性低于3%(图源：Plasway-Technologies)
未来拓展应用潜力与展望
单腔集成PEALD与ALE双工艺的突破，解锁了全新的半导体制程组合方案，Plasway-Technologies已基于FALP平台完成多项ALD/ALE联合工艺验证。
集成于FALP腔盖的380毫米分段式气体分配环装配特写
(图源：Plasway-Technologies)
团队成功实现单腔无破真空连续制备电容叠层结构：通过ALE去除硅晶圆原生氧化层后，依次沉积10nm氧化铝绝缘层、14nm导电氮化钛层、10nm绝缘氧化硅层与第二层14nm导电氮化物层，整套复杂叠层结构仅需15分钟即可完成。Stephan Wege表示：“我们真正实现了单腔一体化成型，无需中断真空环境，制程效率实现量级提升。”
通过精准调控氧化铝PEALD工艺的离子能量，可制备性能更优的多晶薄膜，替代传统无定形薄膜。目前Plasway-Technologies已联合德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所（IFW），启动专项项目，深入研究该工艺的重现性与多晶结构精准调控技术。
在高深宽比结构加工领域，团队实现了行业突破。Stephan Wege介绍：“行业普遍认为PEALD无法填充25–30倍超高深宽比沟槽，但我们依托FALP平台成功攻克该难题。凭借原位刻蚀能力，可精准调控氮钛元素比例，让薄膜性能灵活切换，既可制备高导电富钛薄膜，也可成型高阻隔功能薄膜。”
此外，设备可实现各向同性关键尺寸修整，可将200–700nm的初始光刻胶结构逐步修整至200nm精准尺寸。修整完成后，可在低至20℃的低温条件下直接在光刻胶表面沉积氧化铝，完成双重图形化工艺，去除横向氧化层与光刻胶后，可制备出50nm级高精度氧化铝硬掩模，整套工序全程在单一腔室内完成。
FALP腔室内实现各向同性关键尺寸修整：将初始尺寸200–700nm的光刻胶结构修整至约200nm (图源：Plasway-Technologies)
谈及未来材料迭代方向，Stephan Wege表示：“后续我们将探索更低溅射率的新型工程陶瓷材料，进一步提升部件使用寿命。设备核心始终是高精度气流动力学调控，但材料与等离子体的适配性，是延长核心部件寿命的关键突破口。”
设备硬件层面也将迎来重大升级，2026年第四季度，Plasway-Technologies将推出四腔室量产设备，相较于现有单腔设备，整体产能将提升四倍，全面适配大规模工业化量产需求。
Stephan Wege总结道：“这款双通道气体分配环解锁了海量创新可能，FALP设备成功将晶圆制造两大核心精密工艺集成于单一腔室，实现了高速工况下的极致流体控制，充分验证了高速原子层制程的可行性。我们将持续探索设备性能边界，依托这套创新方案，落地更多半导体精密制造的全新技术构想。”
