半导体制造工艺设备及材料2020

半导体制造工艺设备及材料

半导体设备和材料处于产业链上游，是推动技术进步的关键环节。半导体设备和材料应用于集成电路（IC）、LED、MEMS、分立器件等领域，其中以IC领域的占比和技术难度最高。IC制造分为前道、后道，以及中道制程，主要有氧化炉、PVD、CVD、光刻、涂胶显影、刻蚀、CMP、晶圆键合、离子注入、清洗、测试、减薄、划片、引线键合、电镀等设备，半导体材料主要包括衬底（硅片/蓝宝石/GaAs等）、光刻胶、电子气体、溅射靶材、CMP材料、掩膜版、电镀液、封装基板、引线框架、键合丝、塑封材料等。

1半导体制造工艺流程及其需要的设备和材料半导体产品的加工过程主要包括晶圆制造（前道，Front-End）和封装（后道，Back-End）测试，随着先进封装技术的渗透，出现介于晶圆制造和封装之间的加工环节，称为中道（Middle-End）。由于半导体产品的加工工序多，所以在制造过程中需要大量的半导体设备和材料。在这里，我们以最为复杂的晶圆制造（前道）和传统封装（后道）工艺为例，说明制造过程的所需要的设备和材料。

集成电路产业链晶圆生产线可以分成7个独立的生产区域：扩散（Thermal Process）、光刻（Photo- lithography）、刻蚀（Etch）、离子注入（Ion Implant）、薄膜生长（Dielectric Deposition）、抛光（CMP）、金属化（Metalization）。这7个主要的生产区和相关步骤以及测量等都是晶圆洁净厂房进行的。在这几个生产区都放置有若干种半导体设备，满足不同的需要。例如在光刻区，除了光刻机之外，还会有配套的涂胶/显影和测量设备。

先进封装技术及中道（Middle-End）技术IC晶圆制造流程图

IC晶圆生产线的7个主要生产区域及所需设备和材料

传统封装工艺流程

传统封装（后道）测试工艺可以大致分为背面减薄、晶圆切割、贴片、引线键合、模塑、电镀、切筋/成型和终测等8个主要步骤。与IC晶圆制造（前道）相比，后道封装相对简单，技术难度较低，对工艺环境、设备和材料的要求远低于晶圆制造。

传统封装的主要步骤及所需设备和材料 2主要半导体设备及所用材料 1) 氧化炉设备功能：为半导体材料进行氧化处理，提供要求的氧化氛围，实现半导体预期设计的氧化处理过程，是半导体加工过程的不可缺少的一个环节。所用材料：硅片、氧气、惰性气体等。国外主要厂商：英国Thermco公司、德国Centrothermthermal Solutions GmbH Co.KG公司等。国内主要厂商：七星电子、青岛福润德、中国电子科技集团第四十八所、青岛旭光仪表设备有限公司、中国电子科技集团第四十五所等。

七星电子公司的立式氧化炉 2) PVD（物理气相沉积）设备功能：通过二极溅射中一个平行于靶表面的封闭磁场，和靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域，实现高离子密度和高能量的电离，把靶原子或分子高速率溅射沉积在基片上形成薄膜。所用材料：靶材、惰性气体等。

应用材料公司的PVD设备

国外主要厂商：美国应用材料公司、美国PVD公司、美国Vaportech公司、英国Teer公司、瑞士Platit公司、德国Cemecon公司等。国内主要厂商：北方微电子、北京仪器厂、沈阳中科仪器、成都南光实业股份有限公司、中国电子科技集团第四十八所、科睿设备有限公司等。 3) PECVD 设备功能：在沉积室利用辉光放电，使反应气体电离后在衬底上进行化学反应，沉积半导体薄膜材料。所用材料：特种气体（前驱物、惰性气体等）。

美国应用材料公司的PECVD设备

国外主要厂商：美国Proto Flex公司、日本Tokki公司、日本岛津公司、美国泛林半导体（Lam Research）公司、荷兰ASM国际公司等。

国内主要厂商：北方微电子、中国电子科技集团第四十五所、北京仪器厂等。 4) MOCVD 设备功能：以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。所用材料：特种气体（MO源、惰性气体等）。国外主要厂商：德国Aixtron爱思强公司、美国Veeco公司等。国内主要厂商：中微半导体、中晟光电、理想能源设备等。

德国Aixtron（爱思强）公司的MOCVD设备

5) 光刻机设备功能：将掩膜版上的图形转移到涂有光刻胶的衬底（硅片）上，致使光刻发生反应，为下一步加工（刻蚀或离子注入）做准备。所需材料：光刻胶等国外主要公司：荷兰阿斯麦（ASML）公司、日本尼康公司、日本Canon公司、美国ABM公司、德国SUSS公司、美国Ultratech公司、奥地利EVG公司等。国内主要公司：上海微电装备（SMEE）、中国电子科技集团第四十八所、中国电子科技集团第四十五

所、成都光机所等。

上海微电子装备公司的光刻机

6) 涂胶显影机设备功能：与光刻机联合作业，首先将光刻胶均匀地涂到晶圆上，满足光刻机的工作要求；然后，处理光刻机曝光后的晶圆，将曝光后的光刻胶中与紫外光发生化学反应的部分除去或保留下来。

涂胶显影机

所用材料：光刻胶、显影液等。国外主要厂商：日本TEL、德国SUSS、奥地利EVG等。国内主要厂商：沈阳芯源等。

7) 检测设备（CDSEM、OVL、AOI、膜厚等）设备功能：通过表

征半导体加工中的形貌与结构、检测缺陷，以达到监控半导体加工过程，提高生产良率的目的。所用材料：特种气体等。国外主要厂商：美国的KLA-Tencor、美国应用材料、日本Hitachi、美国Rudolph公司、以色列Camtek公司等。国内主要公司：上海睿励科学仪器等。

半导体检测设备

8) 干法刻蚀机设备功能：平板电极间施加高频电压，产生数百微米厚的离子层，放入式样，离子高速撞击式样，实现化学反应刻蚀和物理撞击，实现半导体的加工成型。所用材料：特种气体等。国外主要厂商：美国应用材料公司、美国Lam Research公司、韩国JuSung公司、韩国TES公司等。国内主要公司：中微半导体、北方微电子、中国电子科技集团第四十八所等。

美国应用材料公司的刻蚀设备

9) CMP（化学机械研磨）设备功能：通过机械研磨和化学液体溶解“腐蚀”的综合作用，对被研磨体（半导体）进行研磨抛光。

CMP设备

所用材料：抛光液、抛光垫等。国外主要厂商：美国Applied Materials公司、美国Rtec公司等。国内主要厂商：华海清科、盛美半导体、中电45所等。 10)晶圆键合机设备功能：将两片晶圆互相结合，并使表面原子互相反应，产生共价键合，合二为一，是实现3D晶圆堆叠的重要设备。所用材料：键合胶等。

晶圆键合机

国外主要厂商：德国SUSS、奥地利EVG等。国内主要厂商：苏州美图、上海微电子装备。 11)湿制程设备（电镀、清洗、湿法刻蚀等）设备功能：1）电镀设备：将电镀液中的金属离子电镀到晶圆表面，以形成金属互连；2）清洗设备：去除晶圆表面的残余物、污染物等；3）湿法刻蚀设备：通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来。所用材料：电镀液、清洗液、刻蚀液等。国外主要厂商：日本

DNS、美国应用材料、美国Mattson（已被北京亦庄国投收购）公司等。国内主要厂商：盛美半导体、上海新阳、沈阳芯源、苏州伟仕泰克等。

上海新阳的湿制程设备

12)离子注入设备功能：对半导体材料表面附近区域进行掺杂。所用材料：特种气体等。国外主要厂商：美国AMAT公司等。国内主要厂商：中国电子科技集团第四十八所、中科信等。

离子注入设备

13)晶圆测试（CP）系统设备功能：通过探针与半导体器件的pad 接触，进行电学测试，检测半导体的性能指标是否符合设计性能要求。所用材料：NA。国外主要厂商：爱德万测试、泰瑞达等。国内主要厂商：北京华峰测控、上海宏测、绍兴宏邦、杭州长川科技、中电45所等

晶圆测试系统

14)晶圆减薄机设备功能：通过抛磨，把晶圆厚度减薄。所用材料：研磨液等。国外主要厂商：日本DISCO公司、日本OKAMOTO公司、以色列Camtek公司等。国内主要厂商：北京中电科、兰州兰新高科技产业股份有限公司、深圳方达研磨设备制造有限公司、深圳市金实力精密研磨机器制造有限公司、炜安达研磨设备有限公司、深圳市华年风科技有限公司等。

晶圆减薄设备

15)晶圆划片机设备功能：把晶圆切割成小片的Die。所用材料：划片刀、划片液等。国外主要厂商：日本DISCO公司等。国内主要厂商：中国电子科技集团第四十五所、北京中电科、北京科创源光电技术有限公司、沈阳仪器仪表工艺研究所、西北机器有限公司（原国营西北机械厂709厂）、汇盛电子电子机械设备公司、兰州兰新高科技产业股份有限公司、大族激光等。

晶圆划片机

16)引线键合机设备功能：把半导体芯片上的Pad与管脚上的Pad，用导电金属线（金丝）链接起来。所用材料：金属丝等。国外主要厂商：ASM太平洋等。国内主要厂商：中国电子科技集团第四十五所、北京创世杰科技发展有限公司、北京中电科、深圳市开玖自动化设备有限公司等。

引线键合机