先进半导体设备制造技术及趋势_图文(精)

先进半导体设备制造技术及趋势

张云王志越

中国电子科技集团公司第四十五研究所

摘要：本文首先介绍了国内外半导体设备市场，认为市场虽有起伏，但前景良好。从晶圆处理和封装的典型设备入手介绍了当前最先进半导体设备技术，之后总结出半导体设备技术发展的四大趋势

。

１国内外半导体设备市场

根据ＳＥＭＩ的研究，２００６年全球半导体设备市场为３８８．１亿美元，较２００５年增长１８％，主要原因是各地区投资皆有一定程度的成长，少则２０％（日本），多则２２９％（中国大陆），整体设备订单成长率则较２００５年成长５１％，比２００５年底预测值多出２８．４亿美元。

ＳＥＭＩ在ＳＥＭＩＣＯＮＪａｐａｎ展会上发布了年终版半导体资本设备共识预测（ＳＥＭＩＣａｐｉｔａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏｎ－ｓｅｎｓｕｓＦｏｒｅｃａｓｔ），预计２００７年全球半导体制造设备市场销售增长减缓为３％，达到４１６．８亿美元；２００８年全球半导体设备市场将出现衰退，下滑１．５％；而到２００９年及２０１０年恢

长６％达到３０６．１亿美元，封装设备领域增长１１％至２７．２亿美元，而测试设备领域预计将出现１５％下滑

了１２．４％。表二为按地区划分的市场销售额，包括往年的实际销售额和未来的预测。

虽然半导体设备市场有一定的起伏，但是很明显，市场的前景非常好，总体一直是稳中有升。中国大陆２００６年半导体设备销售额超过２３亿美元，比２００５年增长了７４．４％，中国大陆的市场销售额一直呈上升趋势，国内半导体设备具有非常诱人的市场前景。这和中国半导体产业的快速发展有着直接关系，中国的市场也越来越引起国际半导体设备厂商的重视，投资的力度会越来越大，对我们国内半

复增长，预计实现高个位数增速，至５４．７亿美元。表一为按设备类型２０１０年销售额达到４７９．９亿美元。

ＳＥＭＩ总裁兼ＣＥＯＳｔａｎｌｅｙＴ．Ｍｙｅｒｓ表示，２００７年半导体制造、封

划分的市场销售额，包括往年的实际销售额和未来的预测。

从区域市场分析，北美、日本及

下降装及测试设备销售情况略高于去年，欧洲半导体设备市场出现下滑，成为业界历史上销售额第二高的一年。ＳＥＭＩ成员将继续推进半导体制造设备的强势增长，预计到２０１０年市场销售额达到４８０亿美元。

从设备类型分析，占有最大份额的晶圆处理设备领域２００７年将增

幅度分别为８．９％、３．１％及１１．７％；而台湾和中国大陆销售增长幅度最大，分别为２８．９％和２３．８％，台湾地区销售额达到９４．２亿美元，有史以来第二次超过日本；南韩市场略微增长５．２％，其余地区市场也下降

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导体设备厂商是机遇，更是挑战。

从技术上来讲，半导体专用设备的技术门槛越来越高，在高阶制程设备需求方面，半导体制程发展快速，线宽也不断朝向物理、化学、光学的极限前进。２００６年６５ｎｍ集成电路成套设备已投入使用，４５ｎｍ设备正在逐步进入市场。

推动全球半导体市场的主动力是消费电子，近两年主要是ＰＣ和手机，未来推动全球导体场的主动力是无线通讯、消费电了和汽车电子。２００６年全球半导体市场增长率达二位数以上的ＩＣ是ＤＲＡＮ、闪存、ＤＳＰ、标准线性ＩＣ（电源ＩＣ）和图像传感器等［１］。

２最新半导体设备技术

当前，国外９０ｎｍ集成电路成套设备已大量投入使用，６５ｎｍ设备已逐步进入市场，早在２００４年１２英寸芯片制造设备销售额在整个芯片制造设备中已占到５０％以上，适应新工艺要求的一代新设备已形成气候。当前半导体设备的技术水平越来越高，制造难度也是越来越大。进入纳米时代后，制造技术难度进一步增大，对加工能力的挑战使设备复杂度增加，价格也是持续上升。设备的高投入和设备运行的高消耗也是困扰ＩＣ加工厂的一个难题。

随着半导体技术的进步，器件的集成度越来越高及线宽越来越细。一个典型的品种，一套光刻掩膜有３０至４０块，金属引线间连接有七层以上，工艺多达数百步，因而要保持每道工艺的高成品率非常重要。目前，国际主流集成电路生产线正在

从３００ｍｍ／９０ｎｍ工艺技术逐步转向Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ，化学机械平坦化）３００ｍｍ／６５ｎｍ工艺技术，３００ｍｍ／设备也是晶圆处理过程中的一种非４５ｎｍ工艺技术在２００７年底将由常关键的设备，该设备的技术进展Ｉｎｔｅｌ公司率先流片生产。为了解决一定程度上代表了晶圆处理设备技

高集成度和更小线宽的难题，必然术进展的趋势，而且平坦化技术已对晶圆处理设备和封装设备提出更成为与光刻、刻蚀等技术同等重要高的要求。

且相互依赖的不可缺少的关键技术之一。是目前最有效、最成熟的平

２．１晶圆处理设备技术

坦化技术，是集清洗、干燥、在晶圆处理设备中的典型设备是线检测、终点检测等技术于一体的光刻机。在光刻机的机型从接触式曝技术，是集成电路向微细化、多层光、接近式曝光、分步重复式曝光发化、薄型化发展的重要技术基础，展到步进扫描式曝光；曝光波长（从也是集成电路进入０．２５μｍ以下节４３６ｎｍ、３６５ｎｍ、２４８ｎｍ发展到点以后，提高生产效率、降低成本１９３ｎｍ甚至１５７ｎｍ；光学镜头的数的关键技术之一。

值孔径（ＮＡ）也在不断加大。

１３０ｎｍ节点的多层金属互连为近年来，由于继续降低?和加

７～８层，９０ｎｍ节点的多层金属互大ＮＡ难度的增加，包括离轴照明

连为１０层，６５ｎｍ节点的多层金属

（ＯＡＩ）、光学邻近效应修正（ＯＰＣ）、互连为１１层，互连金属层的增加，移相掩膜（ＰＳＭ）在内的分辨率增强技引起晶圆表面严重的不平整，以致术（ＲＥＴ）已成为光刻设备的主攻方无法满足图形曝光时的焦深要求。向，尤其是浸没式曝光技术的发展为了减轻对光刻设备在技术上的压又一次打破了关于传统光学光刻技力，ＣＭＰ技术就成为不可或缺的关术极限的预测，已经延伸到６５ｎｍ以键技术了。ＣＭＰ发展历程从工艺上下。按照国际半导体技术发展路线可分为以下三个阶段：第一阶段在图（ＩＴＲＳ）的预测，２０１８年将会推出铜布线工艺之前，主要平坦化材料１６ｎｍ技术，作为集成电路的支撑条为钨和氧化物；第二阶段在１９９７件，半导体和集成电路专用设备的研年～２０００年进入金属双嵌工艺之制技术将继续向纵深发展［２］。

后，平坦化材料从二氧化硅拓展到

ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌ

氟硅酸盐玻璃（ＦＳＧ），这个阶段对应于

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从０．２５μｍ进入０．１３μｍ节点；第三阶段是采用铜互连和低ｋ介质，平坦化对象主要为铜互连层，缩小，在２００８年达到５７纳米，２０１０年达到４５纳米，直至２０１８年的１８纳米。与此相应，引线键合的焊盘用在ＳｉＰ等新型封装当中。

随着晶圆直径增大，为了保证晶圆在电路制作过程中具有足够的强层间绝缘膜和浅沟道隔离层，这个阶段对应于９０ｎｍ以下节点。

第三代ＣＭＰ设备整合了一系列先进的系统或模块，干进干出特征是此类ＣＭＰ最突出特征之一。这代ＣＭＰ设备很大程度地减小了晶圆的缺陷，尤其是抛光后清洗的工序极大降低了金属ＣＭＰ工艺中抛光液对金属线条的侵蚀。在线检测模块的整合，如驱动电机电流检测、操作状态传感器阵列、光学终点检测等，显著的改善了ＣＭＰ工艺的性能，降低了缺陷率。一些新的终点检测方法和其他测试技术，如声学传感器、力传感器和铜放射性检测，将被第三代ＣＭＰ设备所应用。

２．２封装设备技术

封装已经成为系统成本和性能的限制性因素，半导体、微电子、集成电路，、ＩＣ、工艺、设计、器件、封装、测试、ＭＥＭＳ最近的发展趋势表明，封装技术在推动半导体工业实现新的系统性价比的过程中发挥的作用越来越突出，新兴的封装级集成（ＰＬＩ）和系统级封装（ＳｉＰ）技术就是两个最重要的代表。而封装设备是实现封装的基础，封装技术的快速发展对封装设备的技术发展具有很强的指导意义，且两者之间互动关系明显。

键合机作为封装设备中的代表设备，技术含量高，用量大，最普遍的键合方式是引线键合。半导体前道制造工艺的发展总是直接迅速地反映在后道生产技术上。集成电路的线宽将由目前的９０纳米不断

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间距将在同一段时间内从３５微米减小到２０微米。低介电常数绝缘材料被大量应用在线宽６５ｎｍ及以下的集成电路中。低介电常数绝缘材料的显著柔性要求在其上进行引线键合时，采用小键合力与大超声波功率结合的键合参数优化方法来

保证键合的质量和可靠性。先进封装形式具有厚度薄、芯片间焊盘跨度大、引线密集等突出特点，相应引线键合设备必须具有超低弧（弧高７５到１００ｍｍ）、超长（弧长大于８ｍｍ）和超细间距（间距小于２５ｍｍ）线弧的生成能力。３Ｄ封装芯片间的较大高度差要求引线键合设备的视觉系统采用可聚焦光路并能在不同高度的管芯间切换时高效

准确地聚焦。堆叠芯片对引线键合的挑战还在于多层引线键合要求引线之间的间距非常一致。特别困难的是那些非常规的线弧，比如弯曲点远离第一焊点、超低线弧等（图２－１），因此需要在设备、劈刀、金线方面进行很大的改进。

引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主导地位，目前所有封装管脚的９０％以上采用引线键合连接。它在可预见的未来（目前到２０２０年）仍将是半导体封装尤其是中低端封装内部连接的主流方式。倒装芯片发展迅猛但仍受到成本和可靠性等因素的限制，无法在大范围内取代引线键合而成为主流的封装内部连接方式。它将作为高性能／高成本的内部连接方式和引线键合长期共存，共同应

度，就不能采用很薄的晶圆在几百个前道工艺过程中传递、流片。只能采用有一定厚度的晶圆在工艺过程中流通。但在集成电路后道封装前，需要去除晶圆背面一定厚度的多余基体材料。这一工艺过程称之为晶圆背面减薄工艺，对应装备就是晶圆减薄机。

当晶圆的目标厚度小于１００μｍ时，称之为超薄晶圆，目前晶圆的目标厚度要求减薄到２５μｍ，厚度精度小于１μｍ，而粗糙度的要求已经达到纳米级，甚至小于一个纳米，这对减薄机的整机性能提出非常具体的要求，比如磨轮的粒度要求更小，控制精度要求更高。对于小于一个纳米的粗糙度要求，只有通过晶圆减薄后的其他辅助工艺手段来达到。晶圆磨削后的表面质量缺陷，如微裂纹，影响着芯片的内应力，导致芯片附加弯曲变形，必须通过增加晶圆的干式抛光来消除，这也是先进晶圆减薄设备区别于传统装备重要特征之一。

随着封装技术的发展，晶圆的减薄化技术从最初的满足传统单芯片封装工艺中芯片散热性能和封装厚度尺寸要求，发展成满足集成电路先进封装技术对芯片的超薄化要求。这些要求使减薄机的控制精度大幅提高，而且需要整合其他抛光技术才能满足要求，甚至在减薄机理上都要有很大变化，比如由以前的脆性加工转变到塑性加工。

划片机也是一种非常关键的封装设备。随着芯片尺寸和厚度、切割道宽、焊盘尺寸和间距、有源区

距边界的间距等不断缩小，化合物半导体材料（ＧａＡｓ、ＩｎＰ）和第三代半导体材料（ＳｉＣ、ＧａＮ）和硬脆性低－Ｋ值介电材料的广泛应用，也相应地对划片工艺提出了以下挑战：划切槽宽更精细，甚至＜１０ｕｍ；低－Ｋ值硬脆材料、ＳｉＣ／ＧａＮ高硬度材料增大了划片难度；切割碎屑的避免；大尺寸超薄晶圆切割的崩边控制；机械应力、热应力残留的最小化以增强芯片机械强度；芯片表面的无污染；ＭＥＭＳ器件切割的无水化；微缩切割道以提高昂贵的晶圆面积利用率等；更高的效率和产能，更少的运营成本等。

由于晶圆的抗拉抗挤压强度越来越弱，对机械外力极为敏感，这些挑战对于传统砂轮划片技术来说都存在巨大的困难或者超出了其理论的工艺极限。另外成本的积累对

划片设备的加工范围、加工精度、可靠性、稳定性提出了越来越苛刻的要求，这对以砂轮划片机来说都非常困难。目前，世界上最先进的划切方式为微水导激光划切，用它来加工脆弱而敏感的材料，丝毫无损伤，即使其加工速度很快也能确保高品质的切割。国外紫外激光划切工艺相对成熟，已经广泛应用于低Ｋ值硬脆超薄ＧａＡｓ晶圆、蓝宝石衬底、ＳｉＣ、ＧａＮ基器件等材料的划片生产线。

３半导体设备技术趋势

半导体设备是半导体工业的基石，进入纳米时代以后，制造技术难度进一步增大，在技术向纵深方向发展的同时，由于半导体技术的先进性和极强的渗透性，以及伴随着电子

整机短、小、轻、薄、便携化带来的电子基础产品的微小型化趋势，半导体专用设备的应用领域变得越来越广，顺应这些变化，半导体设备技术会有如下技术趋势。

３．１设备模块化

由于器件的集成度越来越高及线宽越来越细，工艺数量越来越大，为了保持每道工艺的高成品率，模块化系统就此应运而生。如应用材料公司最新推出的ＣｏｐｐｅｒＭｏｄｕｌｅ，铜引线的制造系统。其中包括有四个主要设备，如ＴａＮ阻挡层生长的ＣＶＤ设备，铜的籽晶层生长设备，铜的电镀设备及ＣＭＰ。只要光刻Ｔｒｅｎｃｈ和Ｖｉａ后的硅片装入，这一层铜的引线就在该系统中自动连续完成。如果要完成多层铜的引线，用户仅需在系统之

外，完成不同的Ｔｒｅｎｃｈ和Ｖｉａ的光刻后进行多次操作。模块化系统将综合保证系统最后的成品率及硅片产能。对用户是极大的支持。相信适合不同用途的模块化系统，是半导体设备今后发展的方向［３］。

３．２设备技术综合化

技术综合包括新技术的应用，以及为适应最新的半导体工艺要求而整合多种技术。如划片机为了适应划槽更细，无崩边等要求，采用最新

的激光技术作为划切手段，划切质量远高于砂轮划片机。而ＣＭＰ设备并不仅仅是化学机械平坦化的单一技术，而是整合了清洗技术、光学终点检测技术等多门类技术。

３．３设备高精度化、高效率化设备的高精度和高效率应该说是矛盾的，但是在现在半导体工艺的要求下必须高度统一。

键合机是ＩＣ生产线后道工序的核心设备，随着器件设计水平和生产制造技术的飞速发展，尤其是封

装工艺的日新月异，要求键合设备具有比以往更高的精度、速度、可靠性。随着ＩＣ芯片集成度的增加，芯片接线的间距和焊球的直径不断减小，对键合设备的对准和定位精度提出更高的要求。工作台的可焊接区域最大不超过４００ｍｍ×３３０ｍｍ，重复定位精度最高接近１微米，分辨率达到亚微米。而目前主流键合机的焊线速度一般是１０余线／秒，更先进的键合机已经超过２０线／秒。键合机在焊线精度提高的同时，焊线速度也在显著提高。

３．４设备工艺化程度更高

元器件共性工艺技术的开发越来越转向由设备开发商承担。目前，半导体设备制造商的职责已经从７０年代单纯地提供硬件设备转变为８０年代既要提供硬件设备又要提供软件（含工艺菜单），到了９０年代

设备制造商除了要提供硬件设备、

软件（含工艺菜单）外，还要承担工

艺控制。进入２１世纪后，设备制造商除了要提供硬件设备、软件（含工艺菜单）及工艺控制外，还将承担工艺集成服务在内的总体解决方案。为此，一些领先的设备厂家大多都建立起了一条相对先进的试验线或强化与工艺厂商的联合开发，前后道工序均由设备厂家考虑，完善工艺开发。这种模式已经成为设

备开发中的一种革命性变革［４］。

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［人生格言开栏序言］

“天空没有翅膀的痕迹，但鸟儿已经飞过；湖面没有细碎的波纹，但鱼儿已经游过。人生在世应当有所作为。在世界半导体产业和中国半导体领域里，因为有一批批的先驱者和勇士，是他们使我们ＩＣ产业灿若繁星，熠熠生辉。我们常在思考并叩问：什么是企业家的精神和境界？他们对社会及产业的贡献和作用又是什么？在这里，《半导体行业》开辟了“人生格言”栏目，让智慧在这里碰撞，让心灵在这里分享。正如著名学者彼得?德鲁克所说：“企业家是革新者，是一批独具匠心，与众不同的人，是厂长、经理中少数出类拔萃的人。”让我们追随着他们的“人生格言”，与他们对话，开始一段快乐的心灵之旅吧。用眼睛去旅行，看见的是风景；用心灵去旅行，感悟的是人生！

做好人，做好个人的事业，个人的聪明不算什么，机遇比聪明重要的多，做好人比机遇更重要，正正派派的做人，这是对我自己的鞭策。

——东电电子（上海）有限公司总裁

与人类长河相比，人的一生非常短暂，如果一个人到了晚年能觉得这辈子活得很充实、为社会和人们做些有意义的事，才是最感到欣慰的。

——中微半导体设备（上海）有限公司董事长

——杭州大和热磁电子有限公司总经理自主创新是安集的生命，这也是我个人的人生格言。一分耕耘、一分回报。员工和公司一起成长。

——安集微电子（上海）有限公司总裁

认认真真做事，实实在在做人。我觉得一个人讲信誉非常重要。我喜欢做人比较低调，做一个有内涵的人。

——微创半导体设备（上海）有限公司总经理

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４国产半导体设备的发展有着广阔的前景

ＳＥＭＩ认为，目前中国约有４０家半导体设备供应商，但没有几家能够对海外同业构成威胁。但在技术差距不大的中低端市场，通过市场细分，大部分国内生产商拥有稳定的客户群，而且市场优势也相对明显。在高端设备领域，国内厂商在技术上与国外厂商竞技非常困难，虽然在某几种设备上有所突破，但是总体技术还是落后国外厂商，而且随着关税的逐步降低，以往的价格优势也在逐步缩小。

但是我国电子整机和电子基础产品的市场已经日渐成熟，并已带动了半导体专用设备在内的电子专用设备市场的快速发展，出现了前所未有的强大的市场驱动力，国家和一些地方政府非常重视这一领域的发展。国内外投资、技术和人才也已投入或正在密切关注这一市场，我国半导体设备的研发队伍及其开发手段正在迅速发展壮

大，我国的工业配套能力也在不断增强。

应该说，在面对重重困难的同时，我国半导体专用设备制造业也面临着极好的发展机遇，相信通过技术创新和对外合作，一定会在不远的将来迅速发展起来，为我国的电子信息产业贡献更多更好的半导体专

用设备。

参考文献：

［１］翁寿松．２０Ｏ６／２Ｏ０７年全球半导体设备市场［Ｊ］．电子工业专用设备，２００６，１２：１４－１６．

［２］翁寿松．世界半导体设备十大发展趋势［Ｊ］．集成电路应用，２００４，１２：１０－１３．

［３］莫大康．再论世界半导体设备的进展［Ｊ］．集成电路应用，２００２，９：５－８．

［４］童志义．国外半导体设备现状和发展趋势［Ｊ］．电子工业专用设备，２００６，２：４４－４９．