晶圓製造主要設備一覽,與PVD、CVD緊密相關

2021-01-19 真空技術與設備網


一塊晶片的誕生需經歷重重考驗，從設計到製造再到封裝測試，每一關都需用到大量的設備和材料。而在半導體加工的過程中，集成電路製造更是半導體產品加工工序最多，工藝最為密集的環節，因此本文將以晶圓製造為例，說明前道過程中所需要的設備，並闡述其市場情況。


晶圓製造過程及應用設備


晶片需要經過設計、製造（包括矽片製造以及晶圓製造）、封裝測試才能最終落到客戶手中。


▲晶片製造流程圖


從圖中的集成電路製造廠板塊我們可以看到，晶圓製造過程中有幾大重要的步驟：氧化、沉積、光刻、刻蝕、離子注入/擴散等。這幾個主要步驟都需要若干種半導體設備，滿足不同的需要。

▲晶圓製造主要步驟使用工藝及設備


設備中應用較為廣泛的有氧化爐、沉積設備、光刻機、刻蝕設備、離子注入機、清洗機、化學研磨設備等。

▲主要設備介紹及其國內外製造企業


晶圓製造主要設備市場情況


根據2017年SEMI公布的數據，在集成電路製程中，晶圓製造設備投入佔比約佔設備投資的80%，而封裝、測試設備投入則佔比分別為9%和6%。在製造過程中，最主要、價值最昂貴的三類分別是沉積設備，包括PECVD,LPCVD等、刻蝕設備、光刻機，佔半導體晶圓廠設備總投資的15%、15%、20-25%。


而這些設備因為被應用於製造，因此其精度和穩定性也要求最高。而憑藉技術資金等優勢佔據大份額的龍頭企業在這些領域尤為領先。

2017年全球營收前十大半導體設備公司


幾乎壟斷了高端光刻市場份額高達80%的ASML，在CVD設備和PVD設備領域都保持領先的美國應用材料（AMAT）以及刻蝕機設備領域龍頭Lam Research穩坐前三。下面將就沉積、刻蝕、光刻這三大領域及代表公司進行詳解。


1. 沉積設備


沉積是半導體製程工藝中的一個非常重要的技術，分為物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD）。


PVD是英文Physical Vapor Deposition的縮寫，中文意思是「物理氣相沉積」，是指在真空條件下，用物理的方法使材料沉積在被鍍工件上的薄膜製備技術。


PVD鍍膜技術主要分為三類，真空蒸發鍍膜、真空濺射鍍和真空離子鍍膜。對應於PVD技術的三個分類，相應的真空鍍膜設備也就有真空蒸發鍍膜機、真空濺射鍍膜機和真空離子鍍膜機這三種。


CVD是英文Chemical Vapor Deposition的縮寫，中文意思為「化學氣相沉積」，是半導體工業中應用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術，其可用於沉積大範圍的絕緣材料、大多數金屬材料和金屬合金材料。從理論上來說，化學氣相沉積法時將兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內，然後他們相互之間發生化學反應，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。


在集成電路製成中，經常使用的CVD技術有：大氣壓化學氣相沉積（APCVD）、低氣壓化學氣相沉積（LPCVD）、等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）以及新型氣相外延生長技術金屬有機化合物化學氣相沉積（MOCVD）等。相應的設備也就有APCVD設備，LPCVD設備，PECVD設備以及MOCVD設備。


2. 刻蝕設備


刻蝕是採用物理或者化學的方法，通過掩膜圖形使薄膜材料選擇性銷蝕的技術，是薄膜製備的「反」過程。


刻蝕分為溼法刻蝕和幹法刻蝕兩類。溼法刻蝕是將矽片浸泡在可與被刻蝕薄膜進行反應的溶液中，用化學方法除去不要部分的薄膜。早期製造業以溼法為主。當半導體製造業進入微米、亞微米時代以後，要求刻蝕的線寬越來越細，傳統的溼法化學刻蝕因其固有的橫向鑽蝕，無法控制線寬，甚至造成斷裂，已不再適應科研及生產的要求，取而代之的是以等離子體技術為基礎的幹法刻蝕方法。這種方法是將被加工的矽片置於等離子體中，在帶有腐蝕性、具有一定能量離子的轟擊下，反應生成氣態物質，去除被刻薄膜，此種方法具有各向異性。


幹法刻蝕種類較多，常見的有等離子體刻蝕（分為圓筒型和平行電極型）、反應離子刻蝕、濺射刻蝕、離子束刻蝕、反應離子束刻蝕等。相應的設備就有等離子體刻蝕機、反應離子刻蝕機、離子束刻蝕機等。


3. 光刻機


光刻機是晶片製造的核心設備之一，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。


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。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、雷射刻蝕等工序。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。


中國半導體製造設備企業


2016年中國半導體設備銷售收入總計57.33億元，同比增長21.5%，其中前十強單位完成銷售收入47.7億元，同比增長28.5%，也就是說，前十強的增速快於整體增速，市場集中度在不斷提高，可喜可賀。

▲2016全國半導體設備十強 數據來源：中國半導體產業協會


目前，中國半導體設備已有了一定的基礎，雖然設備總量不大，但一直並保持著高速增長的態勢。但需要認清的是，目前我國的技術實力與國外相比仍存在較大的差距，尤其與市佔率超80%的設備企業如ASML、應用材料等相比，實力偏弱且絕大部分設備廠商無法滿足國際已經實現量產的製程，較難進入國際代工巨頭的產線。


當然，在落後的局面下，我國半導體設備也在奮起直追，並取得了一定成績，在國內產線上已經進行了一部分國產替代。半導體設備是我國發展半導體集成電路的基石，我們要把握好先行條件，率先推進，爭取早日完成進口替代。

來源：手機技術資訊

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