芯片产业链系列7半导体设备-硅片制造雷火竞技设备

　　我们已经通过两篇文章介绍了EDA与技术服务这两个芯片产业链的支撑环节，接下来我们仍将通过两篇文章继续介绍芯片产业链支撑环节，主要包括半导体设备和半导体材料。半导体设备和材料都是分布于芯片制造雷火竞技、封测的产线中的，两者种类翻多、相辅相成，在整个半导体产业链中占据及其重要的地位。此外，目前设备和材料很多环节的国产化率都较低，下图总结了2021年半导体设备和材料的全球市场规模和国产化率：

　　本文让我们先从半导体设备开始介绍。半导体设备是半导体行业的基石，行业的发展源于设备的更新迭代，大体可以概括为 “一代设备，一代工艺，一代产品” 。半导体产品制造要超前电子系统开发新一代工艺，而半导体设备要超前半导体产品制造开发新一代产品。

　　在胡说漫谈：芯片产业链系列3-超级长文解析芯片制造全流程文章中，我们提到以IC设计图与晶圆为基础，产品进入IC制造环节，晶圆制造包括硅片制造和晶圆加工工艺，其中前者包括拉单晶、晶体加工、切片、研磨、倒角、抛光等一系列步骤，后者包括氧化、 涂胶、 光刻等一系列步骤，半导体制造设备就在这些相应的步骤中被使用；同样，在IC制造环节后（见芯片产业链系列4-万字长文梳理芯片封测的前世今生），内嵌集成电路尚未切割的晶圆片会进入IC封测环节， 包括磨片、 切割、 贴片等一系列步骤，在各步骤中也同样对应相应半导体封装设备与半导体测试设备，最终得到芯片成品。大体而言，半导体设备分为制造设备与封测设备，其中制造设备又可分为晶圆生产设备和晶圆工艺设备，封测设备又可分为封装设备和测试设备。实际上我们在封测的文章中也介绍了与传统封装（后道工艺）在向先进封装发展。以 Bumping 工艺、 TSV 工艺等典型的先进封装技术为例，它们也采用了类似前道工艺中所使用的光刻、刻蚀等技雷火竞技术，但在精度等方面又有所区别，既不算严格意义上的前道工艺，也不是传统意义上的后道工艺，通常被称作“中道工艺”。（由于“中道工艺”设备供应商基本和前道设备供应商重合，且台积电、中芯国际等前道晶圆厂商也涉及这部分先进封装业务，大部分的“中道雷火竞技”设备销售量也通常在统计时计入前道设备，为方便讨论，本报告也将“中道”纳入前道范畴）。

　　根据Gartner统计数据，集成电路制造设备投资一般占集成电路制造领域资本性支出的70%-80%，且随着工艺制程的提升，设备投资占比也将相应提高—当集成电路制程达到16及14纳米时，设备投资占比可达85%。按照工艺流程划分，芯片制造是集成电路制造过程中最重要、最复杂的环节。典型的集成电路制造产线设备投资中，芯片制造及硅片制造设备投资占比约80%，系集成电路制造设备投资中的最主要部分，而在芯片制造设备中薄膜沉积设备、光刻设备、刻蚀设备占比最高，知道了各设备的价值占比半导体设备，我们就可以根据全球半导体设备的市场规模来估算各种设备的市场规模。

　　由于具体的制造流程我们在芯片产业链系列之芯片制造芯片产业链系列之封装测试两篇文章中进行了梳理，接下来我们将丰富一些必要的细节，并对用到的半导体设备进行一一介绍。半导体设备种类繁多，考虑到篇幅，我们将分三篇文章分别对硅片制造设备、晶圆加工设备（前道工艺设备）和封装测试设备进行介绍。

　　（1）单晶炉：单晶硅锭是从大块多晶硅材料中通过拉晶生长得来，目前拉晶方法主要有直拉法和区熔法，其中直拉法（包括液体掩盖直拉法）的硅单晶约占 85%，其他则采用区熔法。无论是直拉法还是区熔法，使用的设备均为单晶炉，单晶炉由炉体、热场、磁场、控制装置等部件组成，其中控制炉内温度的热场和控制晶体生长形状的磁场是决定单晶炉生产能力的关键。

　　（2）切片设备：切片加工的目的在于将硅锭切成一定厚度的薄晶片，切后的参数如晶向偏离度、 TTV 等精度对后道工序的加工（如研磨、刻蚀和抛光等）起直接作用，主要包括切去两端、硅片定位、精准切割等步骤。切片工序主要应用的设备包括切割机、 滚圆机、截断机等。

　　（3） 磨片设备：半导体晶圆的表面要光滑规则，并且没有切割损伤，完全平整雷火竞技，因此需要磨片处理。 磨片主要包括双面磨削（直径小于 300mm）和表面磨削（直径大于 300mm），双面磨削加工损耗较大，而表面磨削损耗较小。磨片步骤使用的设备为研磨系统，即磨片机。

　　（4）倒角设备：倒角是要消除硅片边缘表面由于经切割加工后产生的棱角、毛刺、崩边、裂缝或其他缺陷和各种边缘表面污染，从而降低硅片边缘表面的粗糙度，增加硅片边缘表面的机械强度，减少颗粒的表面玷污。倒角机一般分为 T 形磨轮和 R 形磨轮，R 形磨轮比 T 形磨轮加工效率高 30%作用。

　　（5）刻蚀设备：刻蚀设备在硅片制造和晶圆加工里都是重要设备，这里主要结社硅片制造中用到的硅刻蚀，通常是为了消除硅片表面因机械加工应力而形成有一定深度的机械应力损伤层，以及金属离子等杂质污染的影响，腐蚀的厚度去除总量一般是 30-50 微米，包括酸腐蚀和碱腐蚀。后续我们在晶圆加工工艺环节再详细介绍刻蚀设备。

　　（6）抛光设备：抛光目的在于去除前序工艺残留的微缺陷、表面应力损伤层及各种金属离子等杂质污染，以求获得硅片表面局部平整、粗糙度极低的洁净、光亮“镜面”， 流程包括雷火竞技粗抛、细抛、精抛和最终抛光。与刻蚀一样，抛光在硅片制造和晶圆加工里都有使用，但需要注意硅片表面CMP和晶圆加工中的晶片表面CMP是两种不同的抛光工艺，两者在抛光对象、抛光布、抛光液半导体、抛光压力、转速等方面均有较大差别。

　　（7）清洗设备：硅片经过不同工序后，表面已受到严重污染，清洗的目的在于清除表面的微粒、金属离子及有机物沾污等。 一般先通过强氧化剂使“电镀”附着到硅表面的金属离子氧化成金属，溶解在清洗液或者附在硅片上，然后用小直径正离子替代吸附在硅片表面的金属离子，使之溶解在清洗液中，最后用大量去离子水进行超声波清洗，以排除溶液中的金属离子。清洗设备同样在硅片制造和晶圆加工工序中都有应用。

　　（8） 硅片检测设备：主要是对硅片的表面缺陷检测。 为了满足对硅单晶、抛光片的高要求，必须采用先进的测试方法，对硅单晶的晶向、缺陷、氧含量、碳含量、电阻率、导电型号、少数载流子浓度、等技术参数有效测试，对抛光片表面缺陷（点缺陷、错位、层错等），颗粒污染和沾污进行检测。硅片检测设备包括厚度仪、颗粒检雷火竞技测仪、硅片分选仪等。 值得注意的是，芯片整个产业链都需要进行量检测，不同步骤中的量检测目的、目标参数都不同，因此所需的设备也有区别。

　　以上我们介绍了整个硅片制造工序中的主要设备，虽然硅片制造设备仅占半导体设备价值量的2%，但由于硅片是半导体器件的最重要基体材料，它的质量好坏决定了后续芯片制造过程中的成败和良率，因此硅片制造设备的作用至关重要。从行业驱动力来看，目前集成电路技术早已经迈进线微米的纳米电子时代，对硅片的表面加工质量要求愈来愈高。为保证硅片的翘曲度、表面局部平整度、表面粗糙度等具有更高的加工精度，尤其是对大直径硅抛光片进行更加细致的加工，所需的加工流程也水涨船高，越来越精细，因此也驱动着硅片制造设备的技术进步和行业发展。

　　至此我们已经对半导体设备中的重要一环硅片制造设备进行了简单梳理，下周我们将对下一环节即晶圆加工设备进行介绍，让我们下次再见。