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涨知识!晶圆制造主要设备一览

2019-8-8 13:21| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 44660| 评论: 0|来自: 芯药研究所

摘要: 一块芯片的诞生需经历重重考验,从设计到制造再到封装测试,每一关都需用到大量的设备和材料。而在半导体加工的过程中,集成电路制造更是半导体产品加工工序最多,工艺最为密集的环节,因此本文将以晶圆制造为例,说 ...

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一块芯片的诞生需经历重重考验,从设计到制造再到封装测试,每一关都需用到大量的设备和材料。而在半导体加工的过程中,集成电路制造更是半导体产品加工工序最多,工艺更为密集的环节,因此本文将以晶圆制造为例,说明前道过程中所需要的设备,并阐述其市场情况。

晶圆制造过程及应用设备
芯片需要经过设计、制造(包括硅片制造以及晶圆制造)、封装测试才能最终落到客户手中。

芯片制造流程图

从图中的集成电路制造厂板块我们可以看到,晶圆制造过程中有几大重要的步骤:氧化、沉积、光刻、刻蚀、离子注入/扩散等。这几个主要步骤都需要若干种半导体设备,满足不同的需要。


晶圆制造主要步骤使用工艺及设备

设备中应用较为广泛的有氧化炉、沉积设备、光刻机、刻蚀设备、离子注入机、清洗机、化学研磨设备等。

主要设备介绍及其国内外制造企业

晶圆制造主要设备市场情况
根据2017年SEMI公布的数据,在集成电路制程中,晶圆制造设备投入占比约占设备投资的80%,而封装、测试设备投入则占比分别为9%和6%。在制造过程中,最主要、价值最昂贵的三类分别是沉积设备,包括PECVD,LPCVD等、刻蚀设备、光刻机,占半导体晶圆厂设备总投资的15%、15%、20-25%。

而这些设备因为被应用于制造,因此其精度和稳定性也要求较高。而凭借技术资金等优势占据大份额的龙头企业在这些领域尤为领先。

2017年全球营收前十大半导体设备公司
几乎垄断了高端光刻市场份额高达80%的ASML,在CVD设备和PVD设备领域都保持领先的美国应用材料(AMAT)以及刻蚀机设备领域龙头Lam Research稳坐前三。下面将就沉积、刻蚀、光刻这三大领域及代表公司进行详解。

1. 沉积设备
沉积是半导体制程工艺中的一个非常重要的技术,分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。

PVD是英文Physical Vapor Deposition的缩写,中文意思是“物理气相沉积”,是指在真空条件下,用物理的方法使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。

PVD镀膜技术主要分为三类,真空蒸发镀膜、真空溅射镀和真空离子镀膜。对应于PVD技术的三个分类,相应的真空镀膜设备也就有真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机这三种。

CVD是英文Chemical Vapor Deposition的缩写,中文意思为“化学气相沉积”,是半导体工业中应用更为广泛的用来沉积多种材料的技术,其可用于沉积大范围的绝缘材料、大多数金属材料和金属合金材料。从理论上来说,化学气相沉积法时将两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应,形成一种新的材料,沉积到晶片表面上。

在集成电路制成中,经常使用的CVD技术有:大气压化学气相沉积(APCVD)、低气压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)以及新型气相外延生长技术金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)等。相应的设备也就有APCVD设备,LPCVD设备,PECVD设备以及MOCVD设备。

2. 刻蚀设备
刻蚀是采用物理或者化学的方法,通过掩膜图形使薄膜材料选择性销蚀的技术,是薄膜制备的“反”过程。

刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。湿法刻蚀是将硅片浸泡在可与被刻蚀薄膜进行反应的溶液中,用化学方法除去不要部分的薄膜。早期制造业以湿法为主。当半导体制造业进入微米、亚微米时代以后,要求刻蚀的线宽越来越细,传统的湿法化学刻蚀因其固有的横向钻蚀,无法控制线宽,甚至造成断裂,已不再适应科研及生产的要求,取而代之的是以等离子体技术为基础的干法刻蚀方法。这种方法是将被加工的硅片置于等离子体中,在带有腐蚀性、具有一定能量离子的轰击下,反应生成气态物质,去除被刻薄膜,此种方法具有各向异性。

干法刻蚀种类较多,常见的有等离子体刻蚀(分为圆筒型和平行电极型)、反应离子刻蚀、溅射刻蚀、离子束刻蚀、反应离子束刻蚀等。相应的设备就有等离子体刻蚀机、反应离子刻蚀机、离子束刻蚀机等。

3. 光刻机
光刻机是芯片制造的核心设备之一,按照用途可以分为好几种:有用于生产芯片的光刻机;有用于封装的光刻机;还有用于LED制造领域的投影光刻机。

在加工芯片的过程中,光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段,将光束透射过画着线路图的掩模,经物镜补偿各种光学误差,将线路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法显影,得到刻在硅片上的电路图。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、激光刻蚀等工序。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片,线路图的层数越多,也需要更精密的曝光控制过程。

中国半导体制造设备企业
2016年中国半导体设备销售收入总计57.33亿元,同比增长21.5%,其中前十强单位完成销售收入47.7亿元,同比增长28.5%,也就是说,前十强的增速快于整体增速,市场集中度在不断提高,可喜可贺。

2016全国半导体设备十强 数据来源:中国半导体产业协会

目前,中国半导体设备已有了一定的基础,虽然设备总量不大,但一直并保持着高速增长的态势。但需要认清的是,目前我国的技术实力与国外相比仍存在较大的差距,尤其与市占率超80%的设备企业如ASML、应用材料等相比,实力偏弱且绝大部分设备厂商无法满足国际已经实现量产的制程,较难进入国际代工巨头的产线。

当然,在落后的局面下,我国半导体设备也在奋起直追,并取得了一定成绩,在国内产线上已经进行了一部分国产替代。半导体设备是我国发展半导体集成电路的基石,我们要把握好先行条件,率先推进,争取早日完成进口替代。

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