1.1 半導(dǎo)體制造流程

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為電子元器件產(chǎn)業(yè)中最重要的組成部分,主要由四個(gè)部分組成:集成電路(約占81%)、光電器件(約占10%)、分立器件(約占6%)和傳感器(約占3%)。考慮到集成電路在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中所占的比重,通常將半導(dǎo)體和集成電路等價(jià)。集成電路按照產(chǎn)品種類(lèi)主要分為四大類(lèi):邏輯器件(約占27%)、存儲(chǔ)器(約占23%)、微處理器(約占18%)、模擬器件(約占13%)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是以需求推進(jìn)市場(chǎng)的,在過(guò)去四十年中,推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力已由傳統(tǒng)的PC及相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向移動(dòng)產(chǎn)品市場(chǎng)(包括智能手機(jī)及平板電腦等),未來(lái)則可能向可穿戴設(shè)備和VR/AR設(shè)備轉(zhuǎn)移。2000~2015年,中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)年均增速領(lǐng)跑全球,高達(dá)21.4%(全球半導(dǎo)體年均增速為3.6%,其中亞太約13%,美國(guó)將近5%,歐洲和日本都較低);就全球市場(chǎng)份額而言,中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)份額從5%提升到50%,成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)核心市場(chǎng)[1?3]。

2015年集成電路三大領(lǐng)域均呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。設(shè)計(jì)業(yè)增速最快,銷(xiāo)售額為215.7億美元,同比增長(zhǎng)26.55%;芯片制造業(yè)銷(xiāo)售額為146.7億美元,同比增長(zhǎng)26.54%;封裝測(cè)試銷(xiāo)售額為225.2億美元,同比增長(zhǎng)10.19%。從產(chǎn)業(yè)鏈比重來(lái)看,我國(guó)設(shè)計(jì)業(yè)占比增長(zhǎng)最快,封裝測(cè)試比重有所下滑,制造占比保持穩(wěn)定。受益于政策扶持和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,集成電路三大結(jié)構(gòu)逐步趨于優(yōu)化:2015年我國(guó)集成電路的設(shè)計(jì)占比達(dá)36.70%、制造占比為24.95%、封裝測(cè)試占比為38.34%;芯片銷(xiāo)售額為900.8億元,增速達(dá)26.5%,比2014年的增速高出了8個(gè)百分點(diǎn)[4?7]。

集成電路產(chǎn)業(yè)鏈可以大致分為電路設(shè)計(jì)、芯片制造和封裝測(cè)試三大領(lǐng)域。集成電路生產(chǎn)流程以電路設(shè)計(jì)為主導(dǎo),需要多種高精設(shè)備和高純度材料,其大致流程為:設(shè)計(jì)公司提供集成電路設(shè)計(jì)方案、芯片制造廠生產(chǎn)晶圓、封裝廠進(jìn)行集成電路封裝和測(cè)試、向電子產(chǎn)品企業(yè)進(jìn)行銷(xiāo)售[8]。

半導(dǎo)體制造流程可以簡(jiǎn)單劃分為晶圓制造和集成電路制造。其中,晶圓制造大致包含了普通硅砂(石英砂)→純化→分子拉晶→晶柱(圓柱形晶體)→晶圓(把晶柱切割成圓形薄片)幾個(gè)步驟[9]。其中,分子拉晶是指:將所獲得的高純多晶硅熔化,形成液態(tài)硅,以單晶的硅種和液體表面接觸,一邊旋轉(zhuǎn)一邊緩慢地向上拉起。最后,待離開(kāi)液面的硅原子凝固后,排列整齊的單晶硅柱便完成了,其硅純度高達(dá)99.999999%。切割晶圓是指:從單晶硅棒上切割一片確定規(guī)格的硅晶片,這些硅晶片將經(jīng)過(guò)洗滌、拋光、清潔、人眼檢測(cè)和機(jī)器檢測(cè),最后通過(guò)激光掃描檢查表面缺陷及雜質(zhì),合格的晶圓片將交付給芯片生產(chǎn)廠商[10]。

集成電路制造工藝是本書(shū)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象,它由多種單項(xiàng)工藝組合而成,主要包含三個(gè)步驟:薄膜制備工藝、圖形轉(zhuǎn)移工藝和摻雜工藝。其具體制造流程如圖1?1所示。

(1)薄膜制備工藝

薄膜制備即在晶圓片的表面上生長(zhǎng)出數(shù)層材質(zhì)不同、厚度不同的薄膜,其工藝主要有氧化、化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣象沉積(PVD)三種方法[11]。

① 氧化:晶圓片與含氧物質(zhì)(氧氣或者水汽等氧化劑)在高溫下進(jìn)行反應(yīng),從而生成二氧化硅薄膜。

② CVD:把一種或幾種含有構(gòu)成薄膜元素的化合物或單質(zhì)氣體通入放有基材的反應(yīng)室,借助空間氣相化學(xué)反應(yīng),在基體表面沉積固態(tài)薄膜。

③ PVD:采用物理方法將材料源電離成離子,并通過(guò)低壓氣體或等離子體的作用,在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜。

(2)圖形轉(zhuǎn)移工藝

集成電路(Integrated Circuit,IC)制造工藝中的氧化、沉積擴(kuò)散、離子注入等流程對(duì)晶圓片沒(méi)有選擇性,都是對(duì)整個(gè)硅晶圓片進(jìn)行處理,不涉及任何圖形。IC制造的核心是通過(guò)圖形轉(zhuǎn)移工藝(主要是光刻工藝)將所設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)移到硅晶圓片上。作為半導(dǎo)體最重要的工藝步驟之一,光刻工藝是將掩模板上的圖形復(fù)制到硅片上,光刻的成本約為整個(gè)硅片制造工藝成本的1/3,所需時(shí)間約占整個(gè)硅片制造工藝的40%~60%,其工藝步驟如下:

① 在硅晶圓片上涂上光刻膠,蓋上預(yù)先制作好的有一定圖形的光刻掩模板;

② 對(duì)涂有光刻膠的晶圓片進(jìn)行曝光(光刻膠感光后其特性將會(huì)發(fā)生改變,正膠的感光部分變得容易溶解,而負(fù)膠則相反);

③ 對(duì)晶圓片進(jìn)行顯影(正膠經(jīng)過(guò)顯影后被溶解,只留下未受光照部分的圖形;負(fù)膠相反,受到光照的部分不容易溶解);

④ 對(duì)晶圓片進(jìn)行刻蝕,將沒(méi)有被光刻膠覆蓋的部分去除,進(jìn)而將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到其下層材料;

⑤ 用去膠法把涂在晶圓片上的感光膠去掉。

(3)摻雜工藝

摻雜工藝是將可控?cái)?shù)量的雜質(zhì)摻入晶圓的特定區(qū)域中,從而改變半導(dǎo)體的電學(xué)性能。擴(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要工藝[12]。

① 擴(kuò)散:原子、分子或離子在高溫驅(qū)動(dòng)下(900~1200℃)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。雜質(zhì)的濃度從表面到體內(nèi)呈單調(diào)下降且雜質(zhì)分布由溫度和擴(kuò)散時(shí)間來(lái)決定。

② 離子注入:在真空系統(tǒng)中,通過(guò)電場(chǎng)對(duì)離子進(jìn)行加速,并利用磁場(chǎng)使其改變運(yùn)動(dòng)方向,從而使離子以一定的能量注入晶圓片,在固定區(qū)域形成具有特殊性質(zhì)的注入層,達(dá)到摻雜的目的。

與其他制造系統(tǒng)相比,半導(dǎo)體制造系統(tǒng)具有以下三個(gè)明顯特征。

(1)工藝流程復(fù)雜

生產(chǎn)工藝流程是指在生產(chǎn)過(guò)程中,勞動(dòng)者利用生產(chǎn)工具將各種原材料、半成品通過(guò)一定的設(shè)備、按照一定的順序連續(xù)進(jìn)行加工,最終使之成為成品的方法與過(guò)程,也就是產(chǎn)品從原材料到成品的制作過(guò)程中所有要素的組合。硅片在生產(chǎn)線上的平均加工周期比較長(zhǎng),一般為1個(gè)月左右。硅片的工藝流程會(huì)因產(chǎn)品的不同而有所差異,短的加工流程包含幾十步,長(zhǎng)的則達(dá)數(shù)百步,這也導(dǎo)致了硅片加工周期的分散性。典型的工藝流程一般有250~600步,使用的設(shè)備達(dá)60~80種。此外,生產(chǎn)線上可能會(huì)存在不同的訂單和產(chǎn)品種類(lèi)。生產(chǎn)線上生產(chǎn)的產(chǎn)品多達(dá)幾十種,且工藝流程存在大量重入現(xiàn)象,這會(huì)導(dǎo)致在制品對(duì)線上設(shè)備使用權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)很激烈[13]。

(2)多重入加工流程

在半導(dǎo)體制造業(yè),重入是系統(tǒng)的本質(zhì),不同加工階段的同類(lèi)工件可能在同一設(shè)備前同時(shí)等待加工,工件在加工過(guò)程中的不同階段可能重復(fù)訪問(wèn)某些設(shè)備。這主要有兩個(gè)原因:一是半導(dǎo)體元件是層次化的結(jié)構(gòu),每一層都是以相同的方式生產(chǎn),只是加入的材料不同或精度有所差異;二是半導(dǎo)體加工設(shè)備昂貴,需要對(duì)其進(jìn)行最大化利用,造成多重入加工流程的出現(xiàn)。總之,重入現(xiàn)象使得每臺(tái)設(shè)備需加工的工件數(shù)大大增加,再加上產(chǎn)品種類(lèi)、數(shù)量及其組合,以及各產(chǎn)品工藝流程的復(fù)雜程度不同,使得半導(dǎo)體生產(chǎn)線的調(diào)度與控制問(wèn)題變得極為復(fù)雜[14]。

(3)混合加工方式

由于半導(dǎo)體生產(chǎn)線設(shè)備類(lèi)型各異,加工方式也呈現(xiàn)多樣化。按照設(shè)備的加工方式主要分為單片加工、串行批量加工、單卡并行批量加工和多卡并行批量加工。混合加工方式的存在,進(jìn)一步增大了半導(dǎo)體生產(chǎn)線調(diào)度的復(fù)雜性。目前大量的研究都是基于簡(jiǎn)化的加工方式(單卡加工和批加工)進(jìn)行的。