晶圆制造常见参数（半导体晶圆制造工艺及设备大全）

半导体可以分为四类产品，分别是集成电路、光电子器件、分立器件和传感器。美国半导体产业协会（SIA）最新发布的数据显示，2018 年全球半导体市场规模为 4688 亿美元，其中规模最大的是集成电路产品，市场规模达到 3933亿美元，占半导体总市场的 83%。

2018 年全球前 10 大半导体设备厂商排名（单位：百万美元）

集成电路还可以分为微处理器、逻辑电路、模拟电路和存储器；分立器件可以分为二极管、三极管和电容。

半导体的制造流程非常复杂，而且大多数设备被国外厂商垄断。在实际投资当中，75-80%的费用会产生在设备投资里，而设备投资中的70-80%又会用于晶圆制造环节的设备上。

在这些设备当中，刻蚀设备、光刻设备、薄膜设备占比最高，其次是扩散设备、抛光设备、离子注入及量测设备。

今天我们先来科普一下硅片制备环节。

01

拉晶环节

所需设备：单晶炉

半导体晶圆是从大块硅锭切割后的结果，而硅锭是从大块具有多晶结构和未掺杂本征材料生长得来。把多晶块转变成一个大单晶，给予正确的定向和适量的N型或P型掺杂，这就是晶体生长。晶体生长主要通过三种方法：直拉法、液体掩盖直拉法和区熔法。

无论是直拉法还是区熔法，使用的设备均为单晶炉，单晶炉由炉体、热场、磁场、控制装置等部件组成，其中控制炉内温度的热场和控制晶体生长形状的磁场是决定单晶炉生产能力的关键。

全球主要晶圆制造厂商对于28nm至至5nm各技术节点的进入时间

资料来源：中国半导体行业协会，长城证券研究所

02

切片环节

所需设备：切割机、滚圆机、截断机

晶体生长之后变进入晶圆准备环节，第一步是硅切片加工。硅切片加工的目的在于将硅锭切成一定厚度的薄晶片，切后的参数如晶向偏离度、TTV等精度对后道工序的加工（如研磨、刻蚀和抛光等）起直接作用，主要包括切去两端、硅片定位、精准切割等步骤

03

清洗环节

所需设备：清洗类设备

对原料硅片进行清洗工序。在不破坏硅片表面特性的前提下，使用不同的化学品进行前段清洗，去除半导体硅片表面的尘埃颗粒、有机物残留薄膜和吸附在表面的金属离子，以确保后续热氧化层成长的质量。主要方式为将硅片沉浸在清洗机化学液体槽内或使用化学液体喷雾清洗，再使用超纯水清洗，以避免化学液残留。

04

氧化环节

所需设备：管式反应炉、快速热处理设备

氧化是在800-1250℃高温的氧气和惰性携带气体（N2）下使硅片表面的硅氧化生成二氧化硅膜。热氧化层中重要的闸极氧化层(Gateoxide)与场氧化层(Fieldoxide)即以此方法形成。根据反应气体的不同，氧化工艺通常分为干氧氧化和湿氧氧化两种方式。

干氧氧化制备的二氧化硅结构致密，厚度均匀，对于注入和扩散的掩蔽能力强，工艺重复性强，其缺点是生长速率较慢。这种方法一般用于高质量的氧化，如栅介质氧化、薄缓冲层氧化，或者在厚层氧化时用于起始氧化和终止氧化。

在湿氧工艺中，可在氧气中直接携带水汽，也可以通过氢气和氧气反应得到水汽，通过调节氢气或水汽与氧气的分压比改变氧化速率。湿氧氧化由于反应气体中同时存在氧气和水汽，而水汽在高温下将分解为氧化氢(HO)，氧化氢在氧化硅中的扩散速率比氧快得多，所以湿氧氧化速率比干氧氧化速率高约一个数量级。

05

光刻环节

所需设备：光刻机

晶圆表面上的电路设计图案直接由光刻技术决定。首先要在硅片上涂上一层耐腐蚀的光刻胶，随后让强光通过一块刻有电路图案的镂空掩模板照射在硅片上。被照射到的部分(如源区和漏区)光刻胶会发生变质，而构筑栅区的地方不会被照射到，所以光刻胶会仍旧粘连在上面。接下来就是用腐蚀性液体清洗硅片，变质的光刻胶被除去，露出下面的硅片，而栅区在光刻胶的保护下不会受到影响。光刻工艺决定着整个IC工艺的特征尺寸，代表着工艺技术发展水平。

荷兰ASML占据超过70%的高端光刻机市场，紧随其后的是Nikon和Canon。光刻机研发成本巨大，Intel、台积电、三星都主动出

资入股ASML支持研发，并有技术人员驻厂；格罗方德、联电及中芯国际等的光刻机主要也是来自ASML。国内光刻机厂商有上海微电子、中电科集团四十五研究所、合肥芯硕半导体等。

刻蚀环节：刻蚀机，光刻机把图案印上去，然后刻蚀机根据印上去的图案刻蚀掉有图案（或者没有图案）的部分，留下剩余的部分。

刻蚀可分为干法刻蚀和湿法刻蚀，它们的区别就在于湿法使用溶剂或溶液来进行刻蚀。

国外刻蚀设备厂商主要有TEL、Tokyo Electron、AMAT、Lam等。国内企业中，中微半导体、北方华创等在刻蚀机方面也有突破。

06

离子注入环节

所需设备：离子注入机、等离子去胶机、清洗设备等

离子注入是在真空与低温环境将杂质离子加速以高能离子束植入硅片表面所需特定区域，以植入物质的质量与能量控制在硅表面掺入的浓度与范围。离子注入工序后，通过高温退火，消除前期植入造成的晶格缺陷并使注入离子活化，注入离子起施主或受主的作用。在集成电路制造工艺中，离子注入通常应用于深埋层、倒掺杂阱、阈值电压调节、源漏扩散注入、源漏注入、多晶硅掺杂、形成 PN 结合电阻/电容等。

掺杂：

高温环境下在硅表面掺入纯杂质原子的过程，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用，将 P 型半导体与 N 型半导体制作在同一块半导体硅片上。

07

沉积环节

所需设备：CVD设备、PVD设备等

在集成电路制备中，很多薄膜材料由淀积工艺形成。主要包括化学气相 (CVD)淀积和物理气相淀积(PVD)两大类工艺，可以在晶圆表面生成了许多薄膜，这些薄膜可以是绝缘体、半导体或导体。它们由不同的材料组成，是使用多种工艺生长或淀积的。从全球范围看，AMAT在CVD设备和PVD设备领域都保持领先。

08

CMP环节

所需设备：抛光机、清洗设备、测量设备等

CMP是指利用化学研磨液与机械力使晶圆制造中各层的全面性平坦的方式，以在晶圆的局部与整体各层表面减少凹凸起伏的情况，在已形成图案的硅片上进行化学机械抛光，使之形成整体平面，以减轻多层结构造成的严重不平的表面形态，满足光刻时对焦深的要求。根据对象的不同，CMP工艺主要分为硅抛光、硅氧化物抛光、碳化硅抛光、钨抛光和铜抛光。

09

金属化环节

所需设备：物理气相沉积设备、化学气相淀积设备、电镀设备、清洗设备等

金属化是在硅片表面上制成金属或合金的导体。在硅片上沉积金属以作为电路的内引线的方法有蒸发、溅射、CVD等。金属溅镀就是将金属薄膜沉积在硅片表面的工艺过程。在此工艺中，薄膜主要以物理填充而不是化学反应。它是通过给金属靶材加上直流电，并利用磁场作用将靶材上的金属溅射出去并沉积到晶圆表面。铝是8英寸硅片常用的金属沉积材料，12英寸硅片常用的金属沉积材料是铜，其它的材料包括金、钛、钼、钨、钛钨合金、钯等。

10

电学测试及包装入库

所需设备：晶圆中测测试机、分选机、探针台

电学测试是用探针对生产加工好的硅片产品功能进行测试，验证每个晶圆是否符合产品规格，检测通过的晶圆即可进行包装入库。

全球集成电路检测设备市场主要由美国泰瑞达（Teradyne）和日本爱德万（Advantest）占据，国产厂商中，领先厂商包括上海睿励、长川科技等。

附1：2018 年世界各地区特征尺寸晶圆产能占各地区晶圆总产能比

附2：部分晶圆制程设备厂商名单

表格数据来源：IC insights

,