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半导体相关制造技术半导体全面分析（三）：制造三大工艺，硅片五大巨头

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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半导体全面分析（三）：制造三大工艺，硅片五大巨头

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十、制造

28. 市场：五千亿，国内缺口 500 亿

设计完成后，下一步就是制造，制造常被称为

晶圆代工 ，是指经过一系列标准的半导体加工工艺，将设计得到的版图结构转移到裸露的晶圆上，以形成附加值较高的半导体芯片

根据 IC insights，2018 年全球晶圆代工行业市场规模 710 亿美金

手机相关占一半

28nm 以下占一半

中国市场规模 107 亿美元 ，占全球1/5

国内晶圆代工厂高端工艺产能不足，2017 年国内设计公司到外资晶圆代工厂代工规模达 481 亿元

29. 技术：晶圆、芯片、封测

芯片制造是人类历史上 最复杂的工艺 ，加工精度为头发丝的几千分之一，需要上千个步骤才能完成，其难度，堪比两弹一星

依产品种类不同，产品所需的加工道次约 400 至 600 道，加工时间 2-3 个月，可分为 晶圆、芯片、封测 三大部分，下面一一介绍

十一、晶圆

30. 技术：定义

盖房要有地基，如果将芯片制造比拟成用乐高积木盖房子，藉由一层又一层的堆叠，完成自己期望的造型（也就是各式芯片），便需要一个 平稳的基板 ，对芯片制造来说，这个基板就是衬底，也叫晶圆，是制造半导体器件的“地基”，通过在衬底上实施一系列的工艺流程，就可以得到相应的半导体产品

回想一下小时候在玩乐高积木时，积木的表面都会有一个一个小小圆型的凸出物，藉由这个构造，我们可将两块积木稳固的叠在一起，且不需使用胶水。芯片制造，也是以类似这样的方式，将后续添加的原子和基板固定在一起。因此，我们需要寻找表面整齐的基板，以满足后续制造所需的条件，在固体材料中，有一种特殊的晶体结构── 单晶（Monocrystalline） 。它具有原子一个接着一个紧密排列在一起的特性，可以形成一个平整的原子表层。因此，采用单晶做成晶圆，便可以满足以上的需求

31. 技术：提纯、生长、成型

衬底可以选择多种材料，其中最广泛使用的是硅，其它化合物材料请持续关注本公众号史晨星（shichenxing1）

硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤： 提纯、单晶硅生长、硅片成型

提纯

硅的主要评判指标是纯度，你想想，如果硅原子之间有一堆杂质，那电子就别想在满轨道和空轨道之间跑顺畅。无论啥东西，纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求99.9999%，这玩意儿全世界超过一半是中国产的，早被玩成了白菜价。芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了，11个9 ) ，半导体硅片的制造难度远远大于光伏硅片

提纯分成两个阶段，第一步是 冶金级纯化 ，加入碳，以氧化还原的方式，将氧化硅转换成 98% 以上纯度的硅第二步是三氯氢硅法 （西门子法Siemens process），通过加热含碳的硅石来生成气态的二氧化硅（SiO2）再用纯度约98%的二氧化硅，通过压碎和化学反应生产含硅的三氯氢硅气体（SiHCl3）最后用改良西门子法，将三氯氢硅经过再一次的化学过程，用氢气还原制备出纯度为99.999999999%的半导体级硅

生长

这种硅原子纯度够了，但排列混乱，会影响电子运动，只能叫 多晶硅

长晶技术路线主要分为 直拉法（CZ） ，区熔法（FZ） 。其中直拉法是目前市场的主流，可支持 12 寸硅片生产，而区熔法则相对简单，仅可支持 8 寸及以下尺寸硅片生产

将多晶硅融化，形成液态的硅，以单晶的 硅种（seed） 和液体表面接触，一边旋转一边缓慢的向上拉起。至于为何需要单晶的硅种，是因为硅原子排列就和人排队一样，会需要排头让后来的人该如何正确的排列，硅种便是重要的排头，让后来的原子知道该如何排队。最后，待离开液面的硅原子凝固后，排列整齐的单晶硅柱便完成了

成型

硅晶棒再经过切段、滚磨、切片、倒角、抛光、激光刻后，成为集成电路工厂的基本原料—— 硅晶圆片

32. 技术路线：大尺寸化

伴随着半导体行业的发展，硅片的尺寸也逐步提升。每次硅片直径的提升，都会使得 单片晶圆产出的芯片数量呈几何倍数增长 ，从而在生产过程中提供显著的规模经济效益

晶圆面积越大，在同一晶圆上可生产的集成电路IC越多，成本越低，硅片的发展趋势也是大尺寸化，目前 300mm 硅片已成为业内主流，2017 年全球 12 寸出货面积约占硅片总体的 66.1%

12 寸硅片的下一站是 18 寸（450mm） 硅片，但由于 12 寸硅片可以满足当前的生产需求，且 18 寸硅片设备研发难度极大，由于面临资金和技术的双重压力，晶圆厂向450mm（18英寸）产线转移的速度放缓，根据国际预测，到 2020 年 左右，450mm的硅片开发技术才有可能实现初步量产

33. 产业：全球五大巨头

全球前五家供应商日本信越化学、日本三菱住友 SUMCO、台湾环球晶圆、德国世创电子 Siltronic AG 和韩国 SK Siltron Inc.，占据半导体硅片市场 90% 以上份额

日本信越化学

信越化学能够制造出具有 11 个 9 （99．999999999％）的纯度与均匀的结晶构造的单晶硅，表面的平坦度 1 微米 以下

台湾环球晶圆

德国世创电子 Siltronic

2014 年 1 月，在新加坡运行了 全球最大 的 200mm 和 300mm 硅片厂，产能分别为 23 万片/月和 32.5 万片/月

34. 产业：中国

我国 8 英寸硅片已经开始进入放量阶段，12 英寸 产能不足，质量也有待提升

上海硅产业集团

上海硅产业集团旗下上海新昇、新傲科技、Okmetic 三家控股子公司，其中新傲科技、Okmetic 主要负责 200nm 及以下抛光片、外延片及 SOI 硅片, 上海新昇 主要负责 300nm 抛光片及外延片，2019 年 11 月科创板 过会，成为国内首家

上海新昇是目前唯一获得国家重大项目支持的硅片公司，承担了国家 02 专项核心工程之一的“40-28 纳米集成电路制造用 300 毫米硅片 ”项目，2016年10月成功拉出第一根12英寸单晶硅锭，2018年实现了12英寸硅片的规模化生产

十二、芯片

35. 技术：定义

硅片切好之后，就要在晶圆上把成千上万的电路装起来的，干这活的就叫“ 晶圆厂 ”。各位拍脑袋想想，以目前人类的技术，怎样才能完成这种操作？

用 原子操纵术 ？想多了，朋友！等你练成御剑飞行 的时候，人类还不见得能操纵一个一个原子组成各种器件，那究竟怎么做呢，先看个视频，再听下回分解

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盘点半导体制造中的设备材料及制造工艺

本文首先介绍了半导体制造工艺流程及其需要的设备和材料，其次阐述了 IC 晶圆生产线的 7 个主要生产区域及所需设备和材料，最后详细的介绍了半导体制造工艺，具体的跟随小编一起来了解一下。

一、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

二、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。

三、传统封装的主要步骤及所需设备和材料

四、半导体制造工艺解析

半导体制造工艺是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的基础。自从 1948 年晶体管发明以来，半导体器件工艺技术的发展经历了三个主要阶段：1950 年采用合金法工艺，第一次生产出了实用化的合金结三极管；1955 年扩散技术的采用是半导体器件制造技术的重大发展，为制造高频器件开辟了新途径；1960 年平面工艺和外延技术的出现是半导体制造技术的重大变革，不但大幅度地提高了器件的频率、功率特性，改善了器件的稳定性和可靠性，而且也使半导体集成电路的工业化批量生产得以成为现实。目前平面工艺仍然是半导体器件和集成电路生产的主流工艺。

在半导体制造工艺发展的前 35 年，特征尺寸的缩小是半导体技术发展的一个标志，有效等比缩小（Scaling-down）的努力重点集中在通过提高器件速度以及在成品率可接受的芯片上集成更多的器件和功能来提高性能。然而，当半导体行业演进到 45nm 节点或更小尺寸的时候，器件的等比缩小将引发巨大的技术挑战。其中两大挑战是不断增长的静态功耗和器件特性的不一致性。这些问题于 CMOS 工艺快要到达原子理论和量子力学所决定的物理极限。

集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作，简单讲，这些操作可以分为四大基本类：薄膜制作（1ayer）、刻印（pattern）、刻蚀和掺杂。这些在单个芯片上制作晶体管和加工互连线的技术综合起来就成为半导体制造工艺。

一、光刻工艺

光刻是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺。在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，且在晶圆表面的位置要正确，而且与其他部件的关联也正确。通过光刻过程，最终在晶圆片上保留特征图形的部分。有时光刻工艺又被称为 Photomasking， Masking，Photolithography 或 Microlithography，是半导体制造工艺中最关键的。在光刻过程中产生的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响。

二、掺杂工艺

掺杂是将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺过程，它有两种实现方法：热扩散（thermal diffusion）和离子注入（implantaTIon）。热扩散是在 1000℃左右高温下发生的化学反应，晶圆暴露在一定掺杂元素气态下。扩散的简单例子就如同除臭剂从压力容器内释放到房间内。气态下的掺杂原子通过扩散化学反应迁移到暴露的晶圆表面，形成一层薄膜，在芯片应用中，热扩散也称为固态扩散，因为晶圆材料是固态的。热扩散是一个化学反应过程。而离子注入是一个物理反应过程。晶圆被放在离子注入机的一端，掺杂离子源（通常为气态）在另一端。在离子源一端，掺杂体原子被离子化（带有一定的电荷），被电场加到超高速，穿过晶圆表层。原子的动量将掺杂原子注入晶圆表层，就好像一粒子弹从枪内射入墙中。掺杂工艺的目的是在晶圆表层内建立兜形区，或是富含电子（N 型）或是富含空穴（P 型）。这些兜形区形成电性活跃区的 PN 结，在电路中的晶体管、二极管、电容器、电阻器都依靠它来工作。

三、膜层生长工艺

在晶圆表面生成了许多的薄膜，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。这些主要的工艺技术是生长二氧化硅膜和淀积不同材料的薄膜。通用的淀积技术是化学气相淀积（CVD）、蒸发和溅射。

四、热处理工艺

热处理是简单地将晶圆加热和冷却来达到特定结果的工艺。在热处理的过程中，晶圆上没有增加或减去任何物质，另外会有一些污染物和水汽从晶圆上蒸发。在离子注入工艺后会有一步重要的热处理。掺杂原子的注入所造成的晶圆损伤会被热处理修复，这称为退火，温度一般在 1000℃左右。另外，金属导线在晶圆上制成后会有一步热处理。这些导线在电路的各个器件之间承载电流。为了确保良好的导电性，金属会在 450℃热处理后与晶圆表面紧密熔合。热处理的第三种用途是通过加热在晶圆表面的光刻胶将溶剂蒸发掉，从而得到精确的图形。

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