1.1 半導體制造流程

半導體產(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%)?？紤]到集成電路在半導體產(chǎn)業(yè)中所占的比重,通常將半導體和集成電路等價。集成電路按照產(chǎn)品種類主要分為四大類:邏輯器件(約占27%)、存儲器(約占23%)、微處理器(約占18%)、模擬器件(約占13%)。半導體產(chǎn)業(yè)是以需求推進市場的,在過去四十年中,推動半導體產(chǎn)業(yè)增長的驅(qū)動力已由傳統(tǒng)的PC及相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向移動產(chǎn)品市場(包括智能手機及平板電腦等),未來則可能向可穿戴設(shè)備和VR/AR設(shè)備轉(zhuǎn)移。2000~2015年,中國半導體市場年均增速領(lǐng)跑全球,高達21.4%(全球半導體年均增速為3.6%,其中亞太約13%,美國將近5%,歐洲和日本都較低);就全球市場份額而言,中國半導體市場份額從5%提升到50%,成為全球半導體產(chǎn)業(yè)核心市場[1?3]。

2015年集成電路三大領(lǐng)域均呈增長態(tài)勢。設(shè)計業(yè)增速最快,銷售額為215.7億美元,同比增長26.55%;芯片制造業(yè)銷售額為146.7億美元,同比增長26.54%;封裝測試銷售額為225.2億美元,同比增長10.19%。從產(chǎn)業(yè)鏈比重來看,我國設(shè)計業(yè)占比增長最快,封裝測試比重有所下滑,制造占比保持穩(wěn)定。受益于政策扶持和國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展,集成電路三大結(jié)構(gòu)逐步趨于優(yōu)化:2015年我國集成電路的設(shè)計占比達36.70%、制造占比為24.95%、封裝測試占比為38.34%;芯片銷售額為900.8億元,增速達26.5%,比2014年的增速高出了8個百分點[4?7]。

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

半導體制造流程可以簡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)過洗滌、拋光、清潔、人眼檢測和機器檢測,最后通過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的重點關(guān)注對象,它由多種單項工藝組合而成,主要包含三個步驟: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、沉積擴散、離子注入等流程對晶圓片沒有選擇性,都是對整個硅晶圓片進行處理,不涉及任何圖形。IC制造的核心是通過圖形轉(zhuǎn)移工藝(主要是光刻工藝)將所設(shè)計圖形轉(zhuǎn)移到硅晶圓片上。作為半導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制到硅片上,光刻的成本約為整個硅片制造工藝成本的1/3,所需時間約占整個硅片制造工藝的40%~60%,其工藝步驟如下:

① 在硅晶圓片上涂上光刻膠,蓋上預先制作好的有一定圖形的光刻掩模板;

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

③ 對晶圓片進行顯影(正膠經(jīng)過顯影后被溶解,只留下未受光照部分的圖形;負膠相反,受到光照的部分不容易溶解);

④ 對晶圓片進行刻蝕,將沒有被光刻膠覆蓋的部分去除,進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

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

① 擴散:原子、分子或離子在高溫驅(qū)動下(900~1200℃)由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)運動的過程。雜質(zhì)的濃度從表面到體內(nèi)呈單調(diào)下降且雜質(zhì)分布由溫度和擴散時間來決定。

② 離子注入:在真空系統(tǒng)中,通過電場對離子進行加速,并利用磁場使其改變運動方向,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,達到摻雜的目的。

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

(1)工藝流程復雜

生產(chǎn)工藝流程是指在生產(chǎn)過程中,勞動者利用生產(chǎn)工具將各種原材料、半成品通過一定的設(shè)備、按照一定的順序連續(xù)進行加工,最終使之成為成品的方法與過程,也就是產(chǎn)品從原材料到成品的制作過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,一般為1個月左右。硅片的工藝流程會因產(chǎn)品的不同而有所差異,短的加工流程包含幾十步,長的則達數(shù)百步,這也導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60~80種。此外,生產(chǎn)線上可能會存在不同的訂單和產(chǎn)品種類。生產(chǎn)線上生產(chǎn)的產(chǎn)品多達幾十種,且工藝流程存在大量重入現(xiàn)象,這會導致在制品對線上設(shè)備使用權(quán)的競爭很激烈[13]。

(2)多重入加工流程

在半導體制造業(yè),重入是系統(tǒng)的本質(zhì),不同加工階段的同類工件可能在同一設(shè)備前同時等待加工,工件在加工過程中的不同階段可能重復訪問某些設(shè)備。這主要有兩個原因:一是半導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;二是半導體加工設(shè)備昂貴,需要對其進行最大化利用,造成多重入加工流程的出現(xiàn)。總之,重入現(xiàn)象使得每臺設(shè)備需加工的工件數(shù)大大增加,再加上產(chǎn)品種類、數(shù)量及其組合,以及各產(chǎn)品工藝流程的復雜程度不同,使得半導體生產(chǎn)線的調(diào)度與控制問題變得極為復雜[14]。

(3)混合加工方式

由于半導體生產(chǎn)線設(shè)備類型各異,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?；旌霞庸し绞降拇嬖?進一步增大了半導體生產(chǎn)線調(diào)度的復雜性。目前大量的研究都是基于簡化的加工方式(單卡加工和批加工)進行的。