只知道AI還不夠 智能晶片生產核心設備也需要了解

之前我們已經了解了AI晶片製造的整個流程工藝、大家相信大家也都有了一定的了解。

今天DmindAI君接著帶大家吧啦吧啦在智能晶片製造流程中用到的一些核心製造設備。

話不多說、直接上菜！

隨著人工智慧概念的迅速發展、晶片產業更是巨頭市場的必爭之地。

2018年人工智慧相關產品紛紛落地、帶動了智能晶片供應的一片火熱、然而中國的整個晶片產業製造能力還比較薄弱、大部分生產晶片的設備依賴進口。

據有關數據顯示中國每年都要花大資金引進晶片製造的核心設備。

那麼製造設備都是有那些呢？在製造環節中起到什麼作用呢？

概述：

矽生產設備------晶圓製造設備------薄膜沉積設備------CMP 研磨設備------清洗設備------封裝設備-----測試設備

01原料矽生產設備

單晶爐

單晶爐是一種在惰性氣體（氮氣、氦氣為主）環境中,用石墨加熱器將多晶矽等多晶材料熔化,用直拉法生長無錯位單晶的設備。

工作原理：

把高純度的多晶矽原料放入高純石英坩堝，通過石墨加熱器產生的高溫將其熔化；然後，對熔化的矽液稍做降溫，使之產生一定的過冷度，再用一根固定在籽晶軸上的矽單晶體（稱作籽晶）插入熔體表面，待籽晶與熔體熔和後，慢慢向上拉籽晶，晶體便會在籽晶下端生長；

接著，控制籽晶生長出一段長為100mm左右、直徑為3～5mm的細頸，用於消除高溫溶液對籽晶的強烈熱衝擊而產生的原子排列的位錯，這個過程就是引晶；隨後，放大晶體直逕到工藝要求的大小，一般為75～300mm，這個過程稱為放肩；

接著，突然提高拉速進行轉肩操作，使肩部近似直角；然後，進入等徑工藝，通過控制熱場溫度和晶體提升速度，生長出一定直徑規格大小的單晶柱體；最後，待大部分矽溶液都已經完成結晶時，再將晶體逐漸縮小而形成一個尾形錐體，稱為收尾工藝。

這樣一個單晶拉制過程就基本完成，進行一定的保溫冷卻後就可以取出。

主要企業：

國際：德國PVA TePla AG公司、日本Ferrotec公司、美國QUANTUM DESIGN公司、德國Gero公司、美國KAYEX公司。

國內：北京京運通、七星華創、北京京儀世紀、河北晶龍陽光、西安理工晶科、常州華盛天龍、上海漢虹、西安華德、中國電子科技集團第四十八所、上海申和熱磁、上虞晶盛、晉江耐特克、寧夏晶陽、常州江南、合肥科晶材料技術有限公司、瀋陽科儀公司。

02晶圓製造過程設備

光刻機

光刻機又名:掩模對準曝光機，曝光系統，光刻系統等。

簡單來說就是：用光來製作一個圖形的工藝 、在塗底的矽片表面，將掩膜版上圖形器件電路圖「複製」到矽片上。

按照用途可以分為好幾種：有用於生產晶片的光刻機；有用於封裝的光刻機；還有用於LED製造領域的投影光刻機。

本文我們只討論用於生產晶片的光刻機。

它是晶片製造的核心設備之一。

一般的光刻工藝要經歷矽片表面清洗烘乾、塗底、旋塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。

工作原理：

在加工晶片的過程中，光刻機通過一系列的光源能量、形狀控制手段，將光束透射過畫著線路圖的掩模，經物鏡補償各種光學誤差，將線路圖成比例縮小後映射到矽片上，然後使用化學方法顯影，得到刻在矽片上的電路圖。

經過一次光刻的晶片可以繼續塗膠、曝光。

越複雜的晶片，線路圖的層數越多，也需要更精密的曝光控制過程。

主要企業：

國際：荷蘭阿斯麥（ASML）公司、美國泛林半導體公司、日本尼康公司、日本Canon公司、美國ABM公司、德國德國SUSS公司、美國MYCRO公司。

國內：上海微電子、奧普光電、中國電子科技集團第四十八所、中國電子科技集團第四十五所、上海機械廠、成都南光實業股份有限公司等

等離子刻蝕機

什麼是等離子：

氣體在溫度升高時、分子或者原子由於激烈的相互碰撞而離解為電子和正離子。

這時氣體將進入一種新的狀態，即主要有電子和正離子組成的狀態。

這種狀態物質叫做等離子體。

等離子刻蝕是一種反應性等離子工藝 、在反應室中通過把導入的氣體變成等離子、作用在被刻蝕物體表面來完成定製的腐蝕工藝。

主要企業：

國際：英國牛津儀器公司、美國Torr公司、美國Gatan公司、英國Quorum公司、美國利曼公司、美國Pelco公司。

國內：北京儀器廠、北京七星華創電子有限公司、中國電子科技集團第四十八所、戈德爾等離子科技（香港）控股有限公司、中國科學院微電子研究所、北方微電子、北京東方中科集成科技股份有限公司、北京創世威納科技。

反應離子刻蝕系統

在系統內部通過施加高頻電壓、讓導入的氣體產生化學反應作用於矽片表面、進行刻蝕基片、實現加工

反應離子腐蝕技術是一種各向異性很強、選擇性高的干法腐蝕技術。

它是在真空系統中利用分子氣體等離子來進行刻蝕的，利用了離子誘導化學反應來實現各向異性刻蝕，即是利用離子能量來使被刻蝕層的表面形成容易刻蝕的損傷層和促進化學反應，同時離子還可清除表面生成物以露出清潔的刻蝕表面的作用。

但是該刻蝕技術不能獲得較高的選擇比，對表面的損傷大，有污染，難以形成更精細的圖形。

工作原理：

主要企業：

國際：日本Evatech公司、美國NANOMASTER公司、新加坡REC公司、韓國JuSung公司、韓國TES公司。

國內：北京儀器廠、北京七星華創電子有限公司、成都南光實業股份有限公司、中國電子科技集團第四十八所。

離子注入機

離子注入機是集成電路製造前工序中的關鍵設備，離子注入是對半導體表面附近區域進行摻雜的技術，其目的是改變半導體的載流子濃度和導電類型。

離子注入與常規熱摻雜工藝相比可對注入劑量、注入角度、注入深度、橫向擴散等方面進行精確的控制，克服了常規工藝的限制，提高了電路的集成度、開啟速度、成品率和壽命，降低了成本和功耗。

離子注入機廣泛用於摻雜工藝，可以滿足淺結、低溫和精確控制等要求，已成為集成電路製造工藝中必不可少的關鍵裝備。

工作原理：

離子注入機由離子源、質量分析器、加速器、四級透鏡、掃描系統和靶室組成，可以根據實際需要省去次要部位。

離子源是離子注入機的主要部位，作用是把需要注入的元素氣態粒子電離成離子，決定要注入離子的種類和束流強度。

離子源直流放電或高頻放電產生的電子作為轟擊粒子，當外來電子的能量高於原子的電離電位時，通過碰撞使元素髮生電離。

碰撞後除了原始電子外，還出現正電子和二次電子。

正離子進入質量分析器選出需要的離子，再經過加速器獲得較高能量，由四級透鏡聚焦後進入靶室，進行離子注入。

主要企業：

國際：美國維利安半導體設備公司、美國CHA公司、美國AMAT公司、Varian半導體製造設備公司（被AMAT收購）。

國內：北京儀器廠、中國電子科技集團第四十八所、成都南光實業股份有限公司、瀋陽方基輕工機械有限公司、上海矽拓微電子有限公司。

晶圓劃片機

該晶片生產設備功能：把晶圓，切割成小片的碟。

主要企業：

國際：日本DISCO公司、德國OEG公司

國內：中國電子科技集團第四十五所、北京科創源光電技術有限公司、瀋陽儀器儀表工藝研究所、西北機器有限公司（原國營西北機械廠709廠）、匯盛電子電子機械設備公司、蘭州蘭新高科技產業股份有限公司、大族雷射、深圳市紅寶石雷射設備有限公司、武漢三工、珠海萊聯光電、珠海粵茂科技。

晶片減薄機

由於製造工藝的要求，對晶片的尺寸精度、幾何精度、表面潔凈度以及表面微晶格結構提出很高要求。

因此在幾百道工藝流程中，不可採用較薄的晶片，只能採用一定厚度的晶片在工藝過程中傳遞、流片。

通常在集成電路封裝前，需要對晶片背面多餘的基體材料去除一定的厚度。

這一工藝過程稱之為晶片背面減薄工藝，對應裝備就是晶片減薄機。

作用:

1.通過減薄/研磨的方式對晶片襯底進行減薄，改善晶片散熱效果。

2.減薄到一定厚度有利於後期封裝工藝。

常規工藝:

減薄/拋光到80-100um

粗糙度: 5-20nm

平整度: ±3um

主要企業：

國際：德國G&N公司、日本DISCO公司、日本OKAMOTO公司、以色列Camtek公司。

國內：蘭州蘭新高科技產業股份有限公司、深圳方達研磨設備製造有限公司、深圳市金實力精密研磨機器製造有限公司、煒安達研磨設備有限公司、深圳市華年風科技有限公司。

03薄膜沉積設備

等離子體增強化學氣相澱積系統

低壓化學氣相澱積系統

原子層化學氣相沉積設備

有機金屬化學氣相沉積

低壓化學氣相澱積系統

薄膜沉積又分為化學沉積和物理沉積，其中化學沉積設備主要有LPCVD、PECVD等。

LPCVD是低壓化學氣相澱積系統，是將反應物以氣態形式輸送到被加熱的襯底表面發生化學反應澱積固態薄膜的設備。

LPCVD的爐體結構與高溫氧化爐大體相同，但增加了抽真空機構。

爐管採用石英管製成，外圍裝有電阻加熱器，外部和內部分別裝有熱電偶測溫器。

晶圓在石英舟中密集擺放，通過自動裝卸片機構裝進或取出。

整機控制系統由溫度控制器、壓力控制器、氣體控制器和爐微控制器組成。

PECVD是等離子體增強化學氣相澱積系統，是在反應腔中的低壓氣體上施加射頻電場，使氣體發生輝光放電離化出等離子體。

等離子體具有很高的能量，僅需將襯底晶片加熱到100～400℃就能激發並維持CVD反應，遠遠低於LPCVD所需的高溫條件（300～900℃），故稱為等離子體增強CVD。

這正是它的最大特點之一，因而對於低熔點材料的膜澱積是非常適合的。

並且PECVD成膜的台階覆蓋能力和隙孔溝槽的填充能力更是優於LPCVD。

PECVD系統通常由反應腔、射頻電源、氣源系統、真空及壓力控制、計算機控制系統等幾部分組成。

反應室內有上下平行的兩塊電極板，射頻電壓加在上極上，下電極接地。

射頻電壓使平板電極間產生等離子體放電。

半導體晶片置於下電極托盤上，並用電阻加熱器加熱。

工作氣體由位於下電極周圍的進氣口進入，併流過放電區。

整個工藝過程採用計算機通過對真空系統、工作壓強、射頻電源匹配、氣體流量及工藝過程的全自動控制。

氣相外延爐

為氣相外延生長提供特定的工藝環境，實現在單晶上，生長與單晶晶相具有對應關係的薄層晶體，為單晶沉底實現功能化做基礎準備。

氣相外延即化學氣相沉積的一種特殊工藝，其生長薄層的晶體結構是單晶襯底的延續，而且與襯底的晶向保持對應的關係。

主要企業：

國際：美國CVD Equipment公司、美國GT公司、法國Soitec公司、法國AS公司、美國Proto Flex公司、美國科特·萊思科（Kurt J.Lesker）公司、美國Applied Materials公司。

國內：中國電子科技集團第四十八所、青島賽瑞達、合肥科晶材料技術有限公司、北京金盛微納、濟南力冠電子科技有限公司。

氧化爐

氧化爐作用主要是提供要求的氧化氛圍，實現半導體預期設計的氧化處理過程，為半導體材料進行氧化處理，是半導體加工過程的不可缺少的一個環節。

磁控濺射台

磁控濺射是為了在低氣壓下進行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率。

通過在靶陰極表面引入磁場，利用磁場對帶電粒子的約束來提高等離子體密度以增加濺射率的方法。

設備功能：

通過二極濺射中一個平行於靶表面的封閉磁場，和靶表面上形成的正交電磁場，把二次電子束縛在靶表面特定區域，實現高離子密度和高能量的電離，把靶原子或分子高速率濺射沉積在基片上形成薄膜。

主要企業：

國際：美國Vaportech公司、美國AMAT公司、美國PVD公司、荷蘭Hauzer公司、英國Teer公司、瑞士Platit公司、瑞士Balzers公司、德國Cemecon公司。

國內：中國電子科技集團第四十八所、北京儀器廠、瀋陽中科儀器、成都南光實業股份有限公司、科睿設備有限公司、上海機械廠。

04研磨設備

化學機械研磨機

化學機械研磨亦稱為化學機械拋光，其原理是化學腐蝕作用和機械去除作用相結合的加工技術，是目前機械加工中唯一可以實現表面全局平坦化的技術。

化學機械研磨技術綜合了化學研磨和機械研磨的優勢。

單純的化學研磨，表面精度較高，損傷低，完整性好，不容易出現表面/亞表面損傷，但是研磨速率較慢，材料去除效率較低，不能修正表面型面精度，研磨一致性比較差；單純的機械研磨，研磨一致性好，表面平整度高，研磨效率高，但是容易出現表面層/亞表面層損傷，表面粗糙度值比較低。

化學機械研磨吸收了兩者各自的優點，可以在保證材料去除效率的同時，獲得較完美的表面，得到的平整度比單純使用這兩種研磨要高出1-2個數量級，並且可以實現納米級到原子級的表面粗糙度。

05清洗設備

清洗表面顆粒以及雜質。

主要廠商：電子科技集團45所

06封裝設備

封測環節中用到的一些設備主要有貼片機、焊線機、劃片機、封裝切割機、粘片機等設備這裡就不一一介紹（後期文章中DmindAI君會繼續更新）

引線鍵合機

引線鍵合（Wire Bonding）是一種使用細金屬線，利用熱、壓力、超聲波能量為使金屬引線與基板焊盤緊密焊合，實現晶片與基板間的電氣互連和晶片間的信息互通。

在理想控制條件下，引線和基板間會發生電子共享或原子的相互擴散，從而使兩種金屬間實現原子量級上的鍵合。

引線鍵合的作用是從核心元件中引入和導出電連接。

07檢測設備

檢查矽片尺寸、外觀、平整度、電性能等是否符合要求。

探針測試台

探針台主要應用於半導體行業、光電行業、集成電路以及封裝的測試。

廣泛應用於複雜、高速器件的精密電氣測量的研發，旨在確保質量及可靠性，並縮減研發時間和器件製造工藝的成本。

探針測試台通過探針與半導體器件的pad接觸，進行電學測試，檢測半導體的性能指標是否符合設計性能要求。

主要企業：

國際：美國QA公司、美國MicroXact公司、德國Ingun公司、韓國Ecopia公司、韓國Leeno公司。

韓國FORTIX

國內：中國電子科技集團第四十五所、北京七星華創電子有限公司、瑞柯儀器、華榮集團、深圳市森美協爾科技。

總結：從本篇文章中不難看出，在晶片生產的整個環節中需要用到大量的設備，其中最為核心的是矽片生產過程中用到的單晶爐，晶圓製造過程中用到的光刻機、薄膜沉積設備、刻蝕機、離子注入設備、CMP研磨設備以及清洗設備，因此在隨後的幾期中將結合相關的工藝流程簡要介紹上述設備。

後期會繼續分析晶片製造產業鏈情況。

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