半导体制造前道工艺
电子行业：半导体设备系列报告之一-全行业框架梳理
DONGXING SE CURITIE S行业研究电子行业：半导体设备系列报告之一——全行业框架梳理投资摘要：本报告为系列报告之开篇，是半导体设备行业框架性梳理，后续报告我们将分子领域进行详细论述和推荐。
本报告分为四节： 一、芯片制造过程中每种工艺使用不同设备芯片的制造过程可以分为前道工艺和后道工艺。
前道是指晶圆制造厂的加工过程，即在空白的硅片完成电路的加工；后道是指晶圆的切割、封装成品以及最终的测试过程。
前道工艺包括光刻、刻蚀、薄膜生长、离子注入、清洗、CMP 、量测等；后道工艺包括减薄、划片、装片、键合等封装工艺以及终端测试等。
二、半导体设备全球行业格局总述2020年全球半导体设备销售额约711亿美元，其中晶圆制造设备612亿美元，占比86.1%，测试设备60.1亿美元，占比8.5%，封装设备38.5亿美元，占比5.4%。
在晶圆制造设备中，光刻、刻蚀、薄膜生长设备占比最高，合计市场占比超过70%，这三类设备也是集成电路制造的主设备；工艺过程量测设备是质量监测的关键设备，占比可达13%；其他设备占比相对较小。
全球范围内的半导体设备龙头以美国、日本和欧洲公司为主，呈现寡头垄断，CR5市占率超过65%。
三、每一种半导体设备的市场格局各不相同分领域的全球格局来看，光刻机市场基本被阿斯麦公司垄断；刻蚀和薄膜生长市场主要被应用材料、泛林半导体和东京电子三家寡头占据；离子注入由应用材料和亚舍利占据大部分份额；科磊半导体则占据量测设备半壁江山；测试设备则有泰瑞达、爱德万和科休等寡头。
目前，几乎所有领域均有我国企业寻求突破，国产设备的空白正在被逐渐填补，但与国外龙头企业的技术差距仍然较大。
四、国产替代和市场份额提升是我国半导体设备企业的成长主线研发驱动、产业链全球化以及同下游晶圆厂深度绑定是半导体设备形成寡头垄断格局的主要原因。
为打破国外企业的垄断，一方面需要我国设备企业实现高效率和低成本的研发，另一方面需要下游晶圆厂的支持，这两个条件目前已经基本满足，因此我国设备厂商迎来重要的契机。
晶圆制造前道量检测工艺分类、特征、价值分析
晶圆制造前道量检测工艺分类、特征、价值分析（一）前道量检测贯穿晶圆制造环节始终，是芯片生产线的“监督员”前道量检测使整条前道工艺产线的控制达到最佳化，同时也为追寻芯片生产中发现的问题提供了重要的追寻线索。
半导体芯片制造工艺步骤极多，各步骤之间可能会相互影响，因此很难根据最后出厂产品的检测结果准确分析出影响产品性能与合格率的具体原因。
而且如果不能在生产过程中及时检测到工艺缺陷，则此批次工艺中生产出来的大量不合格产品也会额外增加厂商的生产成本。
因此前道量检测贯穿芯片制造环节始终，对加工制造过程进行实时的监控，确保每一步加工后的产品均符合参数要求。
而且，产品小组可以通过分析前道量检测产生的检测数据及时发现问题根源，使之能够采取最有效的方式进行应对，从而制造出参数均匀、成品率高、可靠性强的芯片。
前道量检测根据测试目的可以细分为量测和检测。
量测主要是对芯片的薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等制成尺寸和膜应力、掺杂浓度等材料性质进行测量，以确保其符合参数设计要求；而检测主要用于识别并定位产品表面存在的杂质颗粒沾污、机械划伤、晶圆图案缺陷等问题。
前道量检测分类及主要技术资料来源：公开资料前道量测、检测均会用到光学技术和电子束技术，但是两种技术在量测与检测下各具不同的特点。
光学量测通过分析光的反射、衍射光谱间接进行测量，其优点是速度快、分辨率高、非破坏性，但缺点是需借助其他技术进行辅助成像；电子束量测是根据电子扫描直接放大成像，其优点是可以直接成像进行测量，但缺点是速度慢、分辨率低，而且使用电子束进行成像量测操作时需要切割晶圆，（立鼎产业研究网）因此电子束量测具有破坏性。
光学检测是通过光信号对比发现晶圆上存在的缺陷，其优点是速度快，但缺点是无法呈现出缺陷的具体形貌；而电子束检测可以直接呈现缺陷的具体形貌，但是该方法在精度要求非常高的情况下会耗费大量的时间。
在实际的芯片制造过程中，光学技术与电子束技术常常被结合使用，比如检测环节一般先采用光学检测定位缺陷位置，再使用电子束检测对缺陷进行精确扫描成像，两种技术的结合使用可以提高量检测的效率，并降低对芯片的破坏性。
半导体前道制造工艺流程ppt
薄膜厚度的测量
总结词
薄膜厚度的测量是半导体前道制造工艺中非常重要的环节，对于产品的质量和稳 定性具有重要影响。
详细描述
薄膜厚度的测量一般采用光学测量方法，如椭圆偏振仪、干涉仪等。这些仪器利 用光的干涉原理来测量薄膜厚度，精度可达到纳米级别。在测量过程中，需要注 意薄膜的均匀性和稳定性，以避免对测量结果造成误差。
掺杂浓度的测量
总结词
掺杂浓度的测量是半导体前道制造工艺中的重要环节 ，对于产品的电学性能和质量具有重要影响。
详细描述
掺杂浓度的测量一般采用离子束分析（IBA）或二次离 子质谱（SIMS）等精密仪器。这些仪器通过分析薄膜 中的离子束或二次离子的数量和能量，来确定掺杂浓 度和分布情况。在测量过程中，需要注意仪器的精度 和稳定性，以避免对测量结果造成误差。
半导体前道制造工艺流程ppt
xx年xx月xx日
目 录
• 半导体前道制造工艺概述 • 半导体前道制造工艺流程 • 半导体前道制造工艺的设备 • 半导体前道制造工艺的检测与测量 • 半导体前道制造工艺的优化与发展趋势
01
半导体前道制造工艺概述
半导体前道制造工艺的定义
半导体前道制造工艺是指利用半导体材料和制程技术，将半 导体器件制作成集成电路的过程。
随着工艺节点缩小，技术难度和成本急剧 增加。
材料短缺
部分新型材料依赖进口，存在供应风险。
制造成本
工艺复杂度高，制造成本高。
良品率
工艺不稳定导致良品率低。
半导体前道制造工艺的未来发展
新工艺技术
研究和发展新的工艺技术，如新材 料、新结构、新器件等。
跨领域合作
加强与科研机构、高校的合作，推 动产学研一体化。
曝光设备
gouging半导体工艺
半导体工艺
半导体制造工艺分为前道工艺和后道工艺。
其中前道工艺最为重要，且技术难点多，操作复杂，是整个半导体制造流程的核心。
在前道工艺中，碳弧气刨切割工艺是一种常见的切割方法，需要使用金武强碳棒作为必备的切割耗材。
碳棒是由碳、石墨加上适当的粘合剂，通过挤压成形，经2200℃焙烤旋段后镀一层铜而制成。
碳棒的使用寿命较短，需要定期更换，因此在半导体制造中，碳棒的成本也是一个重要的考虑因素。
除了碳弧气刨切割工艺，前道工艺还包括晶圆清洗、掺杂、沉积、蚀刻等多个步骤。
这些步骤的精度和效率对整个半导体制造流程的质量和成本都有着重要的影响。
因此，半导体制造厂商在前道工艺方面不断进行技术创新和优化，以提高生产效率和产品质量。
半导体封装制程与设备材料知识介绍
24~32
Ceramic Plastic
2.54 mm (100miles)
Surface Mount
SOP Small Outline Package
QFP Quad-Flat
Pack
封裝型式
Shape
Typical Features
Material Lead Pitch No of I/O
Plastic
1.27 mm (50miles) 2 direction
lead
8 ~40
Plastic
1.0, 0.8, 0.65 mm 4 direction
lead
88~200
Surface Mount
FPG
Flat Package of Glass
LCC
Leadless Chip
Carrier
封裝型式
Shape
Tester
Digital
Credence
SC312
Digital
Teradyne
J750
Mix-Signal Credence
Quartet one and one+
Mix-Signal HP
HP93000 P600
Mix-Signal HP
HP93000 C400
Mix-Signal Teradyne
Die Attach (上片)
Deposition (沉积)
WireBonding (焊线)
Wafer Inspection (晶圆检查) 前段結束
Molding (塑封)
Laser mark (激光印字)
Laser Cut & package saw Testing
半导体前工程
P（或N）区 扩散
离子注入
《电子制造技术基础》课程作业-2016级电封班
流程示意
光刻掩膜版制作 电子束将绘制好的图案刻蚀在一系列 镀铬的玻璃板上，用于将电路图转移 到电路板上
晶圆表面Hale Waihona Puke 成一 层二氧化硅薄膜涂光刻胶
送入烘干设 备加热烘干 光刻胶
紫外线照射在光刻胶上成像
《电子制造技术基础》课程作业-2016级电封班
晶圆处理—化学气相沉积
利用化学反应，在反应室内让反应物（通常是气态）反 应生成固态生成沉积在晶体表面的一种薄膜沉积技术。 在电子制物，并造中，用于在晶圆上形成电路中的介电 材料。可以生成氮化硅、多晶硅等材料。
氮化硅薄膜
《电子制造技术基础》课程作业-2016级电封班
晶圆处理—氧化
二氧化硅薄膜
硅
在晶圆表面形成一层二氧化硅，用作器件的 保护层、钝化层、绝缘材料，另外，二氧化 硅对某些杂质能起到掩蔽作用，从而可以实 现选择扩散。 主要有热氧化法、干氧氧化法、水汽氧化法 及湿氧氧化法等。不同方法生成的氧化层厚 度不同，实际生产中根据具体要求选择
《电子制造技术基础》础》机械工业出版社 SILICON RUN 视频
《电子制造技术基础》课程作业-2016级电封班
旋转桶中的熔融 纯硅
生长好的单晶硅
晶圆切割
《电子制造技术基础》课程作业-2016级电封班
前工程主要工艺
晶圆处理
清洗
氧化
前道工序
化学气相沉 积 光刻 、蚀刻 扩散、离 子注入
晶圆针测筛选
《电子制造技术基础》课程作业-2016级电封班
晶圆处理—清洗
制作出的晶圆表面附着大约2um的 Al2O3和甘油混合液保护层,在制作前 必须进行表面清洗。 盐酸、硫酸、过氧化氢、氨水等用 来去除所有的有机物和金属污染物。
半导体全面分析：制造三大工艺，晶圆四大工艺！
半导体全⾯分析：制造三⼤⼯艺，晶圆四⼤⼯艺！技术：设计流程 100 亿个晶体管在指甲盖⼤⼩的地⽅组成电路，想想就头⽪发⿇！⼀个路⼝红绿灯设置不合理，就可能导致⼤⽚堵车，电⼦在芯⽚上跑来跑去，稍微有个 PN 结出问题，电⼦同样会堵车，所以芯⽚的设计异常重要 芯⽚制造的过程就如同⽤乐⾼盖房⼦⼀样，先有晶圆作为地基，再层层往上叠的芯⽚制造流程后，就可产出必要的芯⽚（后⾯会介绍），然⽽，没有设计图，拥有再强制造能⼒都没有⽤1. 规格制定在 IC 设计中，最重要的步骤就是规格制定，这个步骤就像是在设计建筑前，先决定要⼏间房间、浴室，有什么建筑法规需要遵守，在确定好所有的功能之后在进⾏设计，这样才不⽤再花额外的时间进⾏后续修改第⼀步：确定 IC 的⽬的、效能为何，对⼤⽅向做设定第⼆步：察看需要何种协议，否则芯⽚将⽆法和市⾯上的产品相容第三步：确⽴ IC 的实作⽅法，将不同功能分配成不同的单元，并确⽴不同单元间连结的⽅法，如此便完成规格的制定 2. 设计芯⽚细节这个步骤就像初步记下建筑的规画，将整体轮廓描绘出来，⽅便后续制图。
在 IC 芯⽚中，便是使⽤硬体描述语⾔（HDL）将电路描写出来。
常使⽤的 HDL 有Verilog、VHDL等，藉由程式码便可轻易地将⼀颗 IC 功能表达出来。
接着就是检查程式功能的正确性并持续修改，直到它满⾜期望的功能为⽌ 3. 设计蓝图在 IC 设计中，逻辑合成这个步骤便是将确定⽆误的 HDL code，放⼊电⼦设计⾃动化⼯具（EDA tool），让电脑将 HDL code 转换成逻辑电路，产⽣如下的电路图，之后，反复的确定此逻辑闸设计图是否符合规格并修改，直到功能正确为⽌ 4. 电路布局与绕线将合成完的程式码再放⼊另⼀套EDA tool，进⾏电路布局与绕线（Place And Route）。
在经过不断的检测后，便会形成如下的电路图。
图中可以看到蓝、红、绿、黄等不同颜⾊，每种不同的颜⾊就代表着⼀张光罩 ▲常⽤的演算芯⽚- FFT 芯⽚，完成电路布局与绕线的结果 5.光罩⼀颗IC 会产⽣多张的光罩，这些光罩有上下层的分别，每层有各⾃的任务。
半导体前道制造工艺流程
P+ N-epi P+ N-epi P+
N+-BL
N+-BL
P-SUB
涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜—蚀刻—清洗 —去膜--清洗—P+扩散(B)
第三次光刻—P型基区扩散孔
决定NPN管的基区扩散位置范围 SiO2
P
P
P+
P+ N-epi P+
N+-BL
N+-BL
P-SUB
去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜 —蚀刻—清洗—去膜—清洗—基区扩散(B)
• 5。光III---N管场区光刻，N管场区注入， 以提高场开启，减少闩锁效应及改善阱 的接触。
B+
光刻胶
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
• 6。光III---N管场区光刻，刻出N管场区 注入孔； N管场区注入。
P-
N-Si
CMOS集成电路工艺 --以P阱硅栅CMOS为例
第四次光刻—N+发射区扩散孔
• 集电极和N型电阻的接触孔,以及外延层的反偏孔。 • Al—N-Si 欧姆接触：ND≥1019cm-3，
P P+
N+-BL
N+
P+ NP-epi
P+
N+-BL
P-SUB
SiO2
去SiO2—氧化--涂胶—烘烤---掩膜（曝光）---显影---坚膜 —蚀刻—清洗—去膜—清洗—扩散
二、晶圆针测制程
• 经过Wafer Fab之制程後，晶圆上即形成 一格格的小格 ，我们称之为晶方或是晶粒 （Die），在一般情形下，同一片晶圆上 皆制作相同的晶片，但是也有可能在同一 片晶圆 上制作不同规格的产品；这些晶圆 必须通过晶片允收测试，晶粒将会一一经 过针测（Probe）仪器以测试其电气特性， 而不合格的的晶粒将会被标上记号（Ink Dot），此程序即 称之为晶圆针测制程 （Wafer Probe）。然後晶圆将依晶粒 为单位分割成一粒粒独立的晶粒
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离子注入
• 用离子束去撞击固态物体。固态物 体会对离子束的运动产生阻碍，使 其最终留在固体中，这一现象就是 离子注入。(掺杂、真空、低温、加 速)
晶元针测
• 经过上道工序后，晶圆上就形成了 一个个的晶粒，然后用针测仪对每 个晶粒检测其性能，将不合格的晶 粒标上记号。之后再把将晶圆切开， 分割成一颗颗单独的晶粒，再按其 电气特性分类，保留合格的晶粒， 舍弃不合格的晶粒。
清洗
预烘和底膜涂覆
蚀刻
• 通常所指蚀刻也称光化学蚀刻，指通过曝 光制版、显影后，将要蚀刻区域的保护膜 去除，在蚀刻时接触化学溶液，达到溶解 腐蚀的作用，形成凹凸或者镂空成型的效 果。（选择性刻蚀转移光刻胶上的IC设计 图形到晶圆表面） • 干法蚀刻 • 湿法蚀刻（ HNO3-HF-H2O(HAC) ）
光刻加工
• 光刻是一种利用类似于照片洗印的原 理通过曝光和选择性化学腐蚀将掩膜 版上的集成电路印制到硅片上的精密 表面加工技术。
• • • • • • • • • • 硅片清洗烘干（用于减少污染物，减少缺陷，使光刻 胶更容易粘附。） 涂底 旋转涂胶*（利用离心力） 软烘（去除圆片表面的潮气，增加粘附性） 边缘光刻胶的去除应，提高分辨率。） 显影* 硬烘（提高刻蚀和注入的抵抗力，提高粘附性）
半导体制造前道工艺
谢梓建
Attention
• 在参考资料的时候，有的步骤 或是工艺在不同资料里面的说 法有点出入，所以本PPT可能 有很多不对的地方，希望大家 多多指正。
晶圆处理
清洗 氧化
前道工序
化学气相沉 积 晶圆针测 制作 光刻
蚀刻
晶圆
晶圆是指硅半导体集成电路制作所 用的硅晶片，由于其形状为圆形， 故称为晶圆；在硅晶片上可加工制 作成各种电路元件结构，而成为有 特定电性功能之IC产品。晶圆的原 始材料是硅，而地壳表面有用之不 竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由 电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏 后，制成了高纯度的多晶硅，其纯 度高达99.999999999%。
晶圆处理工序
• 本工序主要是通过清洗、氧化、 化学气相沉积、涂膜、曝光、显 影、蚀刻、离子植入、金属溅镀 等反复步骤在晶圆上制作电路及 电子元件，最终在晶圆上完成数 层电路及元件加工与制作。
• 清洗：用特殊的清洗机和不同的清 洗剂进行多道清洗。用于减少污染 物。 • 氧化：使硅片表面形成氧化膜。主 要方法有热氧化法及气相成长法。 （绝缘、保护等作用） • 化学气相沉积：反应物质在气态条 件下发生化学反应，生成固态物质 沉积在加热的固态基体表面，进而 制得固体材料的工艺技术。