强芯之梦007

本期开始我们介绍一下半导体设备这个行业，这个行业是进入壁垒非常高的行业，在半导体生产中用的核心设备环节，其市场通常被几个甚至一个厂商所垄断。之前我们曾反复讲过我国的电子产业的发展是依托下游市场的发展而发展起来的，因此我们的半导体设备行业的发展必须要等到半导体制造行业发展到一定阶段才能起来，否则制造出的设备很难打入海外厂商的供应链。

这些年我国半导体设备的发展取得了很大进步，例如笔者刚入行时正逢国内各地大肆补贴LED生产设备MOCVD的采购，当时全球仅有三家厂商对外销售，领头的两大厂商占据了几乎全部的市场份额，但经过这几年我国LED产业的快速发展，国产的MOCVD设备已经批量实现出货，占到17年国内采购量的40%-50%左右。

下面我们开始正式介绍半导体设备这个行业，首先我们先了解一下半导体生产过程中都需要哪些设备。根据以往几期的文章，我们介绍过半导体硅片的生产、半导体制造的过程以及半导体封测的相关知识，因此在介绍半导体设备时我们主要分为硅片生产设备、晶圆制造设备和封测设备三个部分。根据券商的研究 告，在晶圆厂的投资分布中，70%-80%用于设备的购置，在这设备购置成本中，硅片的生产设备仅占1%-3%，晶圆制造占到78%-80%，这是重头，封测占到19%-20%。

图表 1晶圆厂投资分布

在硅片生产中最主要用到的设备是单晶炉，这也是半导体生产中的七大核心设备之一，其他用于硅片生产的设备还包括切片机、倒角机等设备。

图表 2 半导体硅片主要生产设备及厂商

单晶炉是晶体生长的主要设备，目前最广泛使用的设备是采用CZ法的直拉单晶炉，它主要由主/副炉室、石英坩埚及驱动、籽晶旋转及提升、真空及充气系统、射频或电阻加热器和控制系统等部分组成。生长单晶硅，首先将提纯的多晶硅块和少量掺杂材料（B2或P2）装入炉室内的石英坩埚中，待抽真空或充入惰性气体后用加热器加热使多晶硅块和掺杂材料熔化，控制炉温在硅熔点温度（1420℃）使保持液态熔体，即可将籽晶安置到刚接触到液面的位置。随着籽晶从熔体表面旋转并缓慢提升，一层硅原子定向结晶成籽晶同样的晶体结构，掺杂材料的原子也进入生长的晶体中。通过引晶、缩颈、放肩、等径生长、收尾等一系列操作，在外加磁场的作用下抑制熔体内的热对流，从而拉制出高质量的N型或P型单晶锭。直拉单晶炉在应用中演化出液封直拉单晶炉、场直拉单晶炉等多种单晶拉制设备。液封直拉单晶炉可用来生长砷化镓晶体。另一种制备单晶常用的设备是区熔单晶炉。

硅片根据加工工序可分为退火片、外延片和SOI等。其中外延片的生产流程是将抛光片在外延炉中加热到1200℃左右，通过汽化的四氯化硅和三氯硅烷生长气相外延，它具有抛光片所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。这一过程通常用到气相外延炉，它是利用硅的气态化合物在加热的硅片表面与氢发生反应或自身发生热分解还原生成硅，并以单晶的形态淀积在硅片表面；或者在高掺杂硅衬底上生长外延层以提高器件设计的灵活性和器件的性能，还可以防止CMOS器件中的闩锁效应。它是制作硅或砷化镓外延膜的基本设备。气相外延炉通常由反应室、加热器、支撑并加热晶片的基板、气路系统、真空和真空监测、尾气处理及控制系统等七个功能单元组成。反应室采用石英反应管，通过加热器加热，温控单元控制温度。基板用来放置待加工晶片并加热。气路系统装有质量流量控制器控制气体流量。真空系统由抽速较快的无油涡轮分子泵和作为初级泵的机械泵组成。反应室真空由高真空闸板阀来调节。计算机通过温控单元、闸板阀、气体质量流量控制器等自动控制工艺时间、工作温度、反应室压力、气体流量等并监测全部工艺过程。按反应室的结构不同，气相外延炉可分为卧式、立式和桶式反应炉等。卧式反应炉中的基板需倾斜一定的角度来改善外延层的均匀性。

内圆切片机是晶片切割的主要设备，晶锭切片是通过高速旋转的镀有金刚砂的刃具与晶锭径向磨削来实现的。内圆切片机按其结构有卧式和立式之分。立式内圆切片机主要由立式旋转主轴、张刀机构、送料机构、切割进给驱动及自动控制系统组成。刃具（特制的内圆刀片）被张紧在主轴顶端刀环上，晶锭首先粘结在一个切割块上用以保证晶体的正确晶向，然后将切割块装卡在送料机构上。主轴以每分钟近两千转的速度旋转，送料机构按预定的片厚将晶锭送入刀片内圆刃口中，然后横向缓慢进行切割进给。高速旋转的内圆刃口与缓慢进给的晶锭磨削，将晶锭切割成片。

硅片倒角机是对研磨后硅片进行倒角的设备，倒角是对硅片锐利的边缘进行磨削修整，从而使硅片获得平滑的外缘。因为经过切割的硅片边缘一般会存在裂痕和细小裂缝，会在硅片上产生机械应力，并在硅片制造的热处理中引起边缘位错生长。外缘倒角可以最大限度地克服这些影响，传统工艺中用硅片倒角机加工。硅片倒角机由硅片传送机构、X-Y承片台、硅片激光定位系统、磨轮主轴及进给系统、自动清洗甩干机构等部分组成。硅片倒角是在快速旋转同时施加压力的条件下用磨料浆磨削来完成的。

图表 3 不同晶圆生产设备投资额占比

晶圆制造中用到的设备是半导体生产中投资规模最集中的设备，以光刻机、薄膜沉积设备、刻蚀机为首的三大核心设备占据晶圆制造设备投资规模的65%，这三大设备的细分市场竞争格局呈现高度垄断，国产设备与国外设备尚存在不小差距。其余设备则包括离子注入设备、清洗设备以及各种工艺控制设备。

下面我们介绍半导体晶圆制造所用的一些设备。

图表 4 晶圆加工设备投资分布

1）光刻机。光刻机是半导体制造中最关键的设备之一，至少已经出现过五代光刻机。第一代的接触式光刻机简单高效，可获得1um的良好分辨率，但掩模版的沾污和磨损成为致命问题。改进中产生的第二代接近式光刻机，由于紫外光的衍射发散反而降低了分辨率，只能用于线宽尺寸2～4um的制程。这两代光刻机现已基本淘汰。第三代扫描投影光刻机克服了前两代的缺陷，曾在70年代末80年代初占据主导地位，但它只满足了1um的制造工艺。亚微米线宽尺寸的光刻需求，驱使分步重复光刻机诞生于80年代初，从80年代后期主导了半导体制造业，至今改进的机型仍在广泛使用。

分步重复光刻机是利用光学系统投影成像的原理，将投影掩模版上的芯片图形以分步重复曝光的方式聚焦成像在涂有光刻胶的硅片上，实现高分辨率图形转印的设备。它由紫外光源（高压汞灯）、曝光快门、投影掩膜台、投影透镜（精缩镜头）、精密工件台、自动对准系统和硅片自动传送等几个基本子系统构成。涂胶的硅片被自动传送到光刻机精密工件台的承片台上。在这个平台上，硅片根据对准和调焦的需要可在X、Y方向被平移，或抬升、降低，或旋转、倾斜从而置于对准和聚焦范围内。一旦最佳聚焦和对准获得后，快门就被打开，使UV紫外光通过放置在投影掩模台上的掩模版，再经过投影透镜缩小数倍（通常为4x或5x）而成像到带胶硅片上。当一个芯片图形曝光完成后，承片台会步进到硅片的下一个位置并重复对准和曝光过程（即“分步—重复”），直到整片硅片全部曝光完毕。

为适应26mm×33mm大面积曝光场和0.25um及以下分辨率的要求，可称第五代光刻设备的步进扫描光刻机集步进重复光刻机的高分辨率和扫描投影光刻机的大视场、高效率于一身，成为制造大尺寸芯片、小于0.25um线宽的超大规模集成电路大生产的主流曝光设备。在其上采用波长为248nm的氟化氪（KrF）准分子激光器取代汞灯照明后，使曝光线宽很快延伸到0.13um。采用193nm 波长的氟化氩（ArF）准分子激光器作照明光源的步进扫描光刻机至今仍是100nm及以下线宽甚大规模集成电路的主流曝光设备。 目前最先进的光刻机为EUV，所谓EUV，是指波长为13.5nm的光。相比于现在主流光刻机用的193nm光源，新的EUV光源能给硅片刻下更小的沟道，从而能实现在芯片上集成更多的晶体管，进而提高芯片性能，继续延续摩尔定律。

2）薄膜沉积设备。薄膜沉积又分为化学沉积和物理沉积，其中化学沉积设备主要有LPCVD、PECVD等。LPCVD是低压化学气相淀积系统，是将反应物以气态形式输送到被加热的衬底表面发生化学反应淀积固态薄膜的设备。LPCVD的炉体结构与高温氧化炉大体相同，但增加了抽真空机构。炉管采用石英管制成，外围装有电阻加热器，外部和内部分别装有热电偶测温器。晶圆在石英舟中密集摆放，通过自动装卸片机构装进或取出。整机控制系统由温度控制器、压力控制器、气体控制器和炉微控制器组成。PECVD是等离子体增强化学气相淀积系统，是在反应腔中的低压气体上施加射频电场，使气体发生辉光放电离化出等离子体。等离子体具有很高的能量，仅需将衬底晶片加热到100～400℃就能激发并维持CVD反应，远远低于LPCVD所需的高温条件（300～900℃），故称为等离子体增强CVD。这正是它的最大特点之一，因而对于低熔点材料的膜淀积是非常适合的。并且PECVD成膜的台阶覆盖能力和隙孔沟槽的填充能力更是优于LPCVD。PECVD系统通常由反应腔、射频电源、气源系统、真空及压力控制、计算机控制系统等几部分组成。反应室内有上下平行的两块电极板，射频电压加在上极上，下电极接地。射频电压使平板电极间产生等离子体放电。半导体晶片置于下电极托盘上，并用电阻加热器加热。工作气体由位于下电极周围的进气口进入，并流过放电区。整个工艺过程采用计算机通过对真空系统、工作压强、射频电源匹配、气体流量及工艺过程的全自动控制。我们在文章开头中提到的MOCVD也是CVD的一种，属于常压CVD。

物理沉积设备主要包括真空蒸镀设备、溅射镀膜等设备。MBE是分子束外延系统，是外延系统的一种，但本质上也属于真空蒸镀，其基于真空蒸发机理, 在超高真空环境中, 用一束或多束不同强度和化学特性的热能原子束或分子束喷射到具有适当温度的单晶片上，经过化学反应而沿着基片晶向外延生长出新的晶体薄膜，也可称为分子束蒸发。它已被作为一项超微细加工技术而广泛应用。MBE系统集超高真空、薄膜淀积、精密自动控制、在线检测分析、清洗以及原位化学特性兼容于一体，成为当代半导体制造工艺中不可或缺的设备之一。MBE系统主要由反应室、超高真空控制、蒸发源（喷射炉）、衬底支架附加热器 、计算机控制系统以及配置有CCD摄像器和四极质谱仪的在线检测系统等组成。以砷化镓外延生长为例，其大致过程是：待加工晶片快速被送进反应室，固定于衬底支架并加热。为使反应温度均匀，衬底支架可以连续旋转。根据外延膜组分和厚度的要求，交替控制镓、砷、铝等基础材料及各种掺杂剂的蒸发速度、供给时间，在外延室的超高真空环境和工艺温度下进行膜层外延生长。外延层生长过程中或完成后，CCD摄像器观察衍射光点图像和强度变化，实时采集膜厚数据；四极质谱仪进行系统检漏和残气分析。在线检测的结果及时反馈到计算机控制系统。计算机控制系统根据在线检测的参数自动调节反应气氛和材料束流质量、加热温度、旋转速度等，从而精确控制外延薄膜的厚度、组分和掺杂浓度，实现原子尺度的外延生长。MBE系统主要应用于化合物半导体（GaAs、GaN等）材料的外延生长，是当今生产微波毫米波器件和半导体光电器件外延片的重要设备。此外，用金属有机化合物代替Ⅲ族元素的分子束外延方法称为MOMBE,也称为化学束外延（CBE），是MBE技术的进一步发展。另外，原子层淀积技术由于其淀积参数的高度可控性、优异的淀积均匀性和一致性，使得其在IC制造和纳米材料等领域具有广泛的应用潜力。对于超薄膜淀积，原子层淀积的优点是传统的PVD和CVD方法所无可比拟的，代表了薄膜淀积设备的发展方向。

磁控溅射台是溅射镀膜设备，是应用磁控溅射原理进行金属薄膜制备的半导体关键设备。在半导体制造中，低压惰性气体辉光放电产生的离子，经强电场加速后携高能去轰击靶材，靶材表面的原子获得足够能量后会从靶材表面脱离出来,这种现象称为溅射。利用被轰击出来的靶材粒子淀积在基片表面成固体薄膜的物理气相淀积方法称为溅射镀膜。磁控溅射台相比通常的溅射镀膜设备，其特别之处是在辉光放电中利用磁场改变电子运动方向，束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率，并有效地利用了电子的能量，因此在形成高密度等离子体的辉光放电中，正离子对靶材溅射更为有效。同时受正交电磁场束缚的电子只能在其能量耗尽时才沉积到基片上。因此，磁控溅射镀膜具有“基片温度低、溅射（淀积）速度高”两大突出特点。它主要由真空室、磁控溅射源、射频电源、真空及充气系统、基片加热器及控制系统组成。

3）刻蚀机。反应离子刻蚀系统是目前使用广泛的干法刻蚀设备。RIE刻蚀是以物理溅射作用为主兼有化学反应的过程，正是这种化学和物理反应的相互促进使得反应离子刻蚀具有良好的形貌控制能力、较高的选择比、可接受的刻蚀速率。典型的反应离子刻蚀系统主要由反应腔、真空及压力控制、射频源和匹配器、静电吸盘和硅片温度控制、刻蚀终点检测、气体传送和流量控制、整机控制系统及系统软件等几部分组成。RIE系统的工作原理：输运到反应腔的刻蚀气体在频率通常为13.56MHz射频电场作用下产生辉光放电，形成的等离子体中具有强化学活性的游离基与被刻蚀的材料发生化学反应，生成能够由气流带走的挥发性化合物，从而实现化学刻蚀。另一方面，正离子在阴极附近得到非常有效的加速，垂直轰击硅片表面。这种离子轰击可大大加快硅片表面的化学反应及反应生成物的解附，从而导致较高的刻蚀速率。正是由于离子轰击的存在，才使得各向异性刻蚀得以实现。

感应耦合等离子体刻蚀系统是半导体制造中干法刻蚀的关键工艺设备。与RIE相比较，ICP采用了双射频电源，其中一个射频电源通过螺旋线圈控制高密度等离子体的产生。另一射频电源施加偏置电场控制等离子体轰击能量。实现了离子浓度和离子轰击强度分开控制，使刻蚀速率、选择比、均匀性都得到提高。ICP反应腔体主要由温度控制、气路控制、射频电源和真空控制系统四部分组成。刻蚀气体由反应腔上方引入，其流量由气路系统通过质量流量计控制。两套射频源各尽其能。真空控制系统自动控制和保持反应腔的工作压力，及时将刻蚀生成物从硅片两边由涡轮分子泵抽走。温度控制系统可使基片的温度满足不同的刻蚀需要。

4）立式氧化炉。立式氧化炉是一种常压氧化和扩散设备，类似于低压化学气相淀积系统，一般工作在1200℃高温下完成氧化、扩散、淀积、退火及合金等多项工艺流程。与卧式炉相比，立式炉因占地面积小、自动化程度高和安全性好而逐渐取代卧式炉。它由工艺腔、温度控制器、硅舟装卸控制、气流控制器、尾气处理控制和微控制器等部分组成。硅片热氧化在工艺腔（或称炉管）中进行。水平架放着整批硅片的硅舟由硅舟装卸机构驱动送进工艺腔。环绕在炉管外围的电阻加热器加热炉管，温控器精确控制以获得炉体中的恒温区。硅舟可在恒温区旋转从而提高加热的均匀性。气流控制器将高纯氧气（或高纯水蒸汽）也输送进炉管。

5）离子注入机。在半导体和IC制造中，早期使用的扩散法近于淘汰，目前主要采用离子注入法。这是因为离子注入机已经发展成为半导体工艺中最先进最关键的设备之一。离子注入机主要由离子源、离子分析器、加速管、聚焦器、扫描装置和工艺腔、真空系统、控制系统及监控系统等部分组成。离子注入过程中，先将注入物质送入离子源，辉光电离出注入元素的离子。在吸极负电压作用下，从离子源的阳极小孔引出离子束流进入离子分析器，由磁分析器将需要的杂质离子从混合的粒子束中分析出来形成所需束流。束流在加速管电场的作用下获得很高的能量，再经聚焦形成小的束斑，使离子有足够的动能注入到晶片中。在工艺腔真空条件下采用X-Y静电扫描、全机械扫描，或静电与机械混合扫描，使离子束在晶片上均匀注入。完成离子注入的晶片要用高温炉或RTP在800-1000 ℃的高温下进行退火处理，以使离子注入时产生的晶格损伤得以恢复，并激活杂质。同时也达到防止晶片表面污染的效果。离子注入掺杂与扩散掺杂相比，具有独特的优点：一是可以精密地控制扩散法难以得到的低浓度杂质分布；二是杂质的横向扩散小，适合亚微米线条的掺杂；三是大面积掺杂的均匀性可优于±0.5%；四是高能离子可穿透掩蔽层进行注入。 离子束的注入角度通常偏离晶片法线7°左右，以防止发生沟道效应 （即离子不与原子碰撞而直接进入晶片深层）。

6）化学机械抛光机 。化学机械抛光机是以化学与机械抛光为主体，集清洗、甩干、在线检测、终点检测等功能于一体的全局平坦化设备；是集成电路向超微细化、布线多层化、组装薄型化发展过程中对平坦化工艺更高要求的产物。CMP设备的主体主要由粘附着抛光垫的转盘、固定硅片的磨头和磨料喷头三部分构成。转盘在精密主轴的带动下以300r/min左右的速度旋转，自旋的磨头下真空吸附着硅片并面向转盘上的抛光垫，磨料喷头将含有研磨粉和化学品的混合液磨料喷洒在抛光垫上。吸附有磨料的聚亚胺酯抛光垫对硅片进行化学腐蚀和机械研磨双重作用。磨料通常是含有超精细硅胶颗粒的KOH溶液或过氧化氢与精细氧化铝粉配置而成的胶体溶液，利用磨料液与硅的水合作用或与金属的氧化作用，生成一层可溶性的表面层；再通过细小柔软、带有负电荷的研磨胶粒的吸附作用，以及抛光垫的摩擦作用，及时除去反应产物，从而连续地在硅片表面进行化学与机械抛光。 为提高抛光的均匀性，需要精密控制研磨头压力，并采取多层结构的衬膜、施加背压以及弹性隔膜等补偿措施。抛光垫是决定抛光速率和平坦化能力的重要耗材，使用过程中常把软硬不同的多个抛光垫叠在转盘上来获得恰当的抛光垫硬度。若采用多个转盘或多个磨头，可分别进行不同的研磨抛光工序或不同材料的研磨抛光，从而提高生产效率。在研磨抛光过程中可通过电机电流变化或采用光学干涉法进行膜层厚度的在线检测和终点检测，磨抛后立即投入清洗工序，以减少颗粒沾污保证硅片的加工质量。

图表 5 半导体制造关键设备及份额

封测环节中用到的一些设备主要有贴片机、焊线机、划片机、封装切割机、粘片机等设备，这部分设备也是国产化率较高的部分。随着先进封装技术的应用，在后端封测中也会用到光刻机等设备，对精度的要求并不高。

此外半导体设备中还会要到各种检测和清洗设备，其中测试机是检测芯片功能和性能的专用设备，测试机对芯片施加输入信号，采集被检测芯片的输出信号与预期值进行比较，判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性。分选机和探针台是将芯片的引脚与测试机的功能模块连接起来并实现批量自动化测试的专用设备。在设计验证和成品测试环节，测试机需要和分选机配合使用；在晶圆检测环节，测试机需要和探针台配合使用。

从本篇文章中不难看出，半导体生产的整个环节中需要用到大量的设备，其中最为核心的是硅片生产过程中用到的单晶炉，晶圆制造过程中用到的光刻机、薄膜沉积设备、刻蚀机、离子注入设备、CMP研磨设备以及清洗设备，因此在随后的几期中将结合相关的工艺流程简要介绍上述设备。