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半导体设备有哪些?如何分类?(前道工艺设备——晶圆制造篇)

半导体设备泛指用于生产各类半导体产品所需的生产设备,属于半导体行业产业链的关键支撑环节。半导体设备是半导体产业的技术先导者,芯片设计、晶圆制造和封装测试等需在设备技术允许的范围内设计和制造,设备的技术进步又反过来推动半导体产业的发展。

以半导体产业链中技术难度最高、附加值最大、工艺最为复杂的集成电路为例,应用于集成电路领域的设备通常可分为前道工艺设备(晶圆制造)和后道工艺设备(封装测试)两大类。

其中的前道晶圆制造中的七大步骤分别为氧化/扩散,光刻,刻蚀,清洗,离子注入,薄膜生长,抛光。每个步骤用到的半导体设备具体如下:

一、氧化/扩散/退火

氧化是将硅片放置于氧气或水汽等氧化剂的氛围中进行高温热处理,在硅片表面发生化学反应形成氧化膜的过程;扩散是指在高温条件下,利用热扩散原理将杂质元素按工艺要求掺入硅衬底中,使其具有特定的浓度分布,从而改变硅材料的电学特性;退火是指加热离子注入后的硅片,修复离子注入带来的晶格缺陷的过程。

扩散炉

扩散炉用于大规模集成电路、分立器件、电力电子、光电器件和光导纤维等行业的扩散、氧化、退火、合金及烧结等工艺。扩散工艺的主要用途是在高温条件下对半导体晶圆进行掺杂,即将元素磷、硼扩散入硅片,从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布,以便建立起不同的电特性区域。

氧化炉

为半导体材料进氧化处理,提供要求的氧化氛围,实现半导体设计预期的氧化处理,是半导体加工过程不可或缺的一个环节。

退火炉

半导体器件制造中使用的一种工艺设备,其包括加热多个半导体晶片以影响其电性能。热处理是针对不同的效果而设计的。可以加热晶片以激活掺杂剂,将薄膜转换成薄膜或将薄膜转换成晶片衬底界面,使致密沉积的薄膜,改变生长的薄膜的状态,修复注入的损伤,移动掺杂剂或将掺杂剂从一个薄膜转移到另一个薄膜或从薄膜进入晶圆衬底。

半导体设备有哪些?如何分类?(前道工艺设备——晶圆制造篇)

(图片源自OFweek维科网)

二、光刻

平面型晶体管和集成电路生产中的主要工艺,是对半导体晶片表面的掩蔽物(如二氧化硅)进行开孔,以便进行杂质的定域扩散的一种加工技术。一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。

涂胶显影设备

涂胶显影设备是利用机械手实现晶圆在各系统间的传输和加工,与光刻机达成完美配合从而完成晶圆的光刻胶涂覆、固化、显影等工艺过程。作为光刻机的输入即曝光前光刻胶涂覆和输出即曝光后图形的显影,涂胶显影机的性能不仅对细微曝光处的形成造成直接影响,而且其显影工艺的图形质量和误差控制对后续蚀刻、离子注入工艺中的图形转移结果也有着深刻的影响。

光刻设备

通俗来说就是光刻机(Mask Aligner) ,又名掩模对准曝光机,曝光系统,光刻系统等,是制造芯片的核心装备。它采用类似照片冲印的技术,把掩膜版上的精细图形通过光线的曝光印制到硅片上。光刻机是生产大规模集成电路的核心设备,需要掌握深厚的光学和电子工业技术,世界上只有少数厂家掌握,而且光刻机价格昂贵,通常在 3 千万至 5 亿美元。

对准检测设备

对准检测设备主要用于光刻工艺中掩模板与晶圆的对准、芯片键合时芯片与基板的对准、表面组装工艺中元器件与PCB基板的对准,也应用于各种加工过程中,如晶圆测试、晶圆划片、各种激光加工工艺中等。精密检测技术是对准检测的基础,检测方法主要有光学检测法和光电检测法。

三、刻蚀

刻蚀是半导体制造工艺以及微纳制造工艺中的重要步骤。刻蚀狭义理解就是光刻腐蚀,先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理,然后通过其它方式实现腐蚀处理掉所需除去的部分。刻蚀是用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程,其基本目标是在涂胶的硅片上正确地复制掩模图形。随着微制造工艺的发展,广义上来讲,刻蚀成了通过溶液、反应离子或其它机械方式来剥离、去除材料的一种统称,成为微加工制造的一种普适叫法。

刻蚀按照被刻蚀材料划分,主要分为硅刻蚀、介质刻蚀以及金属刻蚀。不同的刻蚀材质其所使用的的刻蚀机差距较大。干法刻蚀的刻蚀机的等离子体生成方式包括CCP(电容耦合)以及ICP(电感耦合)。CCP技术能量较高、但可调节性差,适合刻蚀较硬的介质材料(包括金属);ICP能量低但可控性强,适合刻蚀单晶硅、多晶硅等硬度不高或较薄的材料。

四、清洗

集成电路制造过程中,随着特征尺寸的不断缩小,半导体对杂质含量越来越敏感,难以避免会引入一些颗粒、有机物、金属和氧化物等污染物。清洗关键目的在于减少杂质对芯片良率的影响,实际生产中不仅仅需要提高单次的清洗效率,还需要在几乎所有制程前后都频繁的进行清洗,清洗步骤约占整体步骤的33%。

单片清洗设备

单晶圆清洗取代批量清洗是先进制程的主流,单晶圆清洗通常采用单晶圆清洗设备,采用喷雾或声波结合化学试剂对单晶圆进行清洗。单晶圆清洗首先能够在整个制造周期提供更好的工艺控制,即改善了单个晶圆和不同晶圆间的均匀性,这提高了良率;其次更大尺寸的晶圆和更紧缩的制程设计对于杂质更敏感,那么批量清洗中若出现交叉污染的影响会更大,进而危及整批晶圆的良率,这会带来高成本的芯片返工支出;另外圆片边缘清洗效果更好,多品种小批量生产的适配性等优点也是单晶圆清洗的优势之一。

槽式清洗设备

批量清洗则是通常采用槽式的全自动清洗机,利用机械臂将载有晶圆的花篮依次通过盛有不同化学试剂的槽体进行单步或分步清洗。由于批量清洗是在一个处理仓中,利用浸泡等方法同时清洗多只晶圆的方法。这种方法或存在交叉污染、清洗均匀可控性和后续工艺相容性等问题,在45nm工艺周期到来时已经无法适应新的清洗要求,单晶圆清洗开始逐步取代批量清洗。

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