半導體晶圓製造工藝及設備大全！（附名錄）

半導體可以分為四類產品，分別是集成電路、光電子器件、分立器件和傳感器。

美國半導體產業協會（SIA）最新發布的數據顯示，2018 年全球半導體市場規模為 4688 億美元，其中規模最大的是集成電路產品，市場規模達到 3933億美元，占半導體總市場的 83%。

集成電路還可以分為微處理器、邏輯電路、模擬電路和存儲器；分立器件可以分為二極體、三極體和電容。

半導體的製造流程非常複雜，而且大多數設備被國外廠商壟斷。

在實際投資當中，75-80%的費用會產生在設備投資里，而設備投資中的70-80%又會用於晶圓製造環節的設備上。

在這些設備當中，刻蝕設備、光刻設備、薄膜設備占比最高，其次是擴散設備、拋光設備、離子注入及量測設備。

今天我們先來科普一下矽片製備環節。

01

拉晶環節

所需設備：單晶爐

半導體晶圓是從大塊矽錠切割後的結果，而矽錠是從大塊具有多晶結構和未摻雜本徵材料生長得來。

把多晶塊轉變成一個大單晶，給予正確的定向和適量的N型或P型摻雜，這就是晶體生長。

晶體生長主要通過三種方法：直拉法、液體掩蓋直拉法和區熔法。

無論是直拉法還是區熔法，使用的設備均為單晶爐，單晶爐由爐體、熱場、磁場、控制裝置等部件組成，其中控制爐內溫度的熱場和控制晶體生長形狀的磁場是決定單晶爐生產能力的關鍵。

全球主要晶圓製造廠商對於28nm至至5nm各技術節點的進入時間

02

切片環節

所需設備：切割機、滾圓機、截斷機

晶體生長之後變進入晶圓準備環節，第一步是矽切片加工。

矽切片加工的目的在於將矽錠切成一定厚度的薄晶片，切後的參數如晶向偏離度、TTV等精度對後道工序的加工（如研磨、刻蝕和拋光等）起直接作用，主要包括切去兩端、矽片定位、精準切割等步驟

03

清洗環節

所需設備：清洗類設備

對原料矽片進行清洗工序。

在不破壞矽片表面特性的前提下，使用不同的化學品進行前段清洗，去除半導體矽片表面的塵埃顆粒、有機物殘留薄膜和吸附在表面的金屬離子，以確保後續熱氧化層成長的質量。

主要方式為將矽片沉浸在清洗機化學液體槽內或使用化學液體噴霧清洗，再使用超純水清洗，以避免化學液殘留。

04

氧化環節

所需設備：管式反應爐、快速熱處理設備

氧化是在800-1250℃高溫的氧氣和惰性攜帶氣體（N2）下使矽片表面的矽氧化生成二氧化矽膜。

熱氧化層中重要的閘極氧化層(Gateoxide)與場氧化層(Fieldoxide)即以此方法形成。

根據反應氣體的不同，氧化工藝通常分為干氧氧化和濕氧氧化兩種方式。

干氧氧化製備的二氧化矽結構緻密，厚度均勻，對於注入和擴散的掩蔽能力強，工藝重複性強，其缺點是生長速率較慢。

這種方法一般用於高質量的氧化，如柵介質氧化、薄緩衝層氧化，或者在厚層氧化時用於起始氧化和終止氧化。

在濕氧工藝中，可在氧氣中直接攜帶水汽，也可以通過氫氣和氧氣反應得到水汽，通過調節氫氣或水汽與氧氣的分壓比改變氧化速率。

濕氧氧化由於反應氣體中同時存在氧氣和水汽，而水汽在高溫下將分解為氧化氫(HO)，氧化氫在氧化矽中的擴散速率比氧快得多，所以濕氧氧化速率比干氧氧化速率高約一個數量級。

05

光刻環節

所需設備：光刻機

晶圓表面上的電路設計圖案直接由光刻技術決定。

首先要在矽片上塗上一層耐腐蝕的光刻膠，隨後讓強光通過一塊刻有電路圖案的鏤空掩模板照射在矽片上。

被照射到的部分(如源區和漏區)光刻膠會發生變質，而構築柵區的地方不會被照射到，所以光刻膠會仍舊粘連在上面。

接下來就是用腐蝕性液體清洗矽片，變質的光刻膠被除去，露出下面的矽片，而柵區在光刻膠的保護下不會受到影響。

光刻工藝決定著整個IC工藝的特徵尺寸，代表著工藝技術發展水平。

荷蘭ASML占據超過70%的高端光刻機市場，緊隨其後的是Nikon和Canon。

光刻機研發成本巨大，Intel、台積電、三星都主動出

資入股ASML支持研發，並有技術人員駐廠；格羅方德、聯電及中芯國際等的光刻機主要也是來自ASML。

國內光刻機廠商有上海微電子、中電科集團四十五研究所、合肥芯碩半導體等。

刻蝕環節：刻蝕機，光刻機把圖案印上去，然後刻蝕機根據印上去的圖案刻蝕掉有圖案（或者沒有圖案）的部分，留下剩餘的部分。

刻蝕可分為干法刻蝕和濕法刻蝕，它們的區別就在於濕法使用溶劑或溶液來進行刻蝕。

國外刻蝕設備廠商主要有TEL、Tokyo Electron、AMAT、Lam等。

國內企業中，中微半導體、北方華創等在刻蝕機方面也有突破。

06

離子注入環節

所需設備：離子注入機、等離子去膠機、清洗設備等

離子注入是在真空與低溫環境將雜質離子加速以高能離子束植入矽片表面所需特定區域，以植入物質的質量與能量控制在矽表面摻入的濃度與範圍。

離子注入工序後，通過高溫退火，消除前期植入造成的晶格缺陷並使注入離子活化，注入離子起施主或受主的作用。

在集成電路製造工藝中，離子注入通常應用於深埋層、倒摻雜阱、閾值電壓調節、源漏擴散注入、源漏注入、多晶矽摻雜、形成 PN 結合電阻/電容等。

摻雜：

高溫環境下在矽表面摻入純雜質原子的過程，從而改變和控制半導體內雜質的類型、濃度和分布，以便建立起不同的電特性區域。

採用不同的摻雜工藝,通過擴散作用，將 P 型半導體與 N 型半導體製作在同一塊半導體矽片上。

07

沉積環節

所需設備：CVD設備、PVD設備等

在集成電路製備中，很多薄膜材料由澱積工藝形成。

主要包括化學氣相 (CVD)澱積和物理氣相澱積(PVD)兩大類工藝，可以在晶圓表面生成了許多薄膜，這些薄膜可以是絕緣體、半導體或導體。

它們由不同的材料組成，是使用多種工藝生長或澱積的。

從全球範圍看，AMAT在CVD設備和PVD設備領域都保持領先。

08

CMP環節

所需設備：拋光機、清洗設備、測量設備等

CMP是指利用化學研磨液與機械力使晶圓製造中各層的全面性平坦的方式，以在晶圓的局部與整體各層表面減少凹凸起伏的情況，在已形成圖案的矽片上進行化學機械拋光，使之形成整體平面，以減輕多層結構造成的嚴重不平的表面形態，滿足光刻時對焦深的要求。

根據對象的不同，CMP工藝主要分為矽拋光、矽氧化物拋光、碳化矽拋光、鎢拋光和銅拋光。

09

金屬化環節

所需設備：物理氣相沉積設備、化學氣相澱積設備、電鍍設備、清洗設備等

金屬化是在矽片表面上製成金屬或合金的導體。

在矽片上沉積金屬以作為電路的內引線的方法有蒸發、濺射、CVD等。

金屬濺鍍就是將金屬薄膜沉積在矽片表面的工藝過程。

在此工藝中，薄膜主要以物理填充而不是化學反應。

它是通過給金屬靶材加上直流電，並利用磁場作用將靶材上的金屬濺射出去並沉積到晶圓表面。

鋁是8英寸矽片常用的金屬沉積材料，12英寸矽片常用的金屬沉積材料是銅，其它的材料包括金、鈦、鉬、鎢、鈦鎢合金、鈀等。

10

電學測試及包裝入庫

所需設備：晶圓中測測試機、分選機、探針台

電學測試是用探針對生產加工好的矽片產品功能進行測試，驗證每個晶圓是否符合產品規格，檢測通過的晶圓即可進行包裝入庫。

全球集成電路檢測設備市場主要由美國泰瑞達（Teradyne）和日本愛德萬（Advantest）占據，國產廠商中，領先廠商包括上海睿勵、長川科技等。

附1：2018 年世界各地區特徵尺寸晶圓產能占各地區晶圓總產能比

附2：部分晶圓製程設備廠商名單