晶圓制造過程及應(yīng)用設(shè)備

繼聯(lián)電在2017年進(jìn)行高階主管大改組，并宣布未來經(jīng)營策略將著重在成熟制程之后，格芯（GLOBALFOUNDRIES）也在新執(zhí)行長Tom Caulfield就任半年多后，于日前宣布無限期暫緩7納米制程研發(fā)，并將資源轉(zhuǎn)而投入在相對(duì)成熟的制程服務(wù)上。

聯(lián)電與格芯先后退出先進(jìn)制程軍備競(jìng)賽，加上英特爾（Intel）的10納米制程處理器量產(chǎn)出貨時(shí)程再度遞延到2019年底，均顯示先進(jìn)制程的技術(shù)進(jìn)展已面臨瓶頸。展望未來，還有能力持續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體制程微縮的業(yè)者，或只剩下臺(tái)積電、三星電子（Samsung Electronics）跟英特爾三家公司，但可以肯定的是，即便上述三家業(yè)者將更先進(jìn)的制程推向量產(chǎn)，代價(jià)也絕不便宜，用得起的芯片商也只會(huì)越來越少。

然而，對(duì)聯(lián)電跟格芯而言，專注在成熟制程服務(wù)，卻也未必意味著公司營運(yùn)就此步上光明坦途。成熟制程客戶雖多，需求更多樣化，但鎖定這塊市場(chǎng)的晶圓代工業(yè)者卻也更多。兩家公司必須盡快做出自己的特色，并爭(zhēng)取市場(chǎng)跟客戶的認(rèn)同。

一塊芯片的誕生需經(jīng)歷重重考驗(yàn)，從設(shè)計(jì)到制造再到封裝測(cè)試，每一關(guān)都需用到大量的設(shè)備和材料。而在半導(dǎo)體加工的過程中，集成電路制造更是半導(dǎo)體產(chǎn)品加工工序最多，工藝最為密集的環(huán)節(jié)。

晶圓制造過程及應(yīng)用設(shè)備

芯片需要經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造（包括硅片制造以及晶圓制造）、封裝測(cè)試才能最終落到客戶手中。

芯片制造流程圖

從圖中的集成電路制造廠板塊我們可以看到，晶圓制造過程中有幾大重要的步驟：氧化、沉積、光刻、刻蝕、離子注入/擴(kuò)散等。這幾個(gè)主要步驟都需要若干種半導(dǎo)體設(shè)備，滿足不同的需要。

晶圓制造主要步驟使用工藝及設(shè)備

設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛的有氧化爐、沉積設(shè)備、光刻機(jī)、刻蝕設(shè)備、離子注入機(jī)、清洗機(jī)、化學(xué)研磨設(shè)備等。

主要設(shè)備介紹及其國內(nèi)外制造企業(yè)

晶圓制造設(shè)備

單晶圓離子注入機(jī)??

Optima?XE是一款用于DRAM、NAND和NOR閃存、嵌入式存儲(chǔ)器和邏輯器件制造的高能離子注入機(jī)。它可以提供從10?keV到4?MeV范圍的能量。該注入機(jī)將公司的RF?Linac高能束斑技術(shù)與高速、一流的單晶圓終端平臺(tái)結(jié)合在一起。先進(jìn)的束斑技術(shù)可以保證在晶圓上所有離子束的角度相同，可以獲得高質(zhì)量的工藝控制和最大化成品率。

高度精確控制硅片位置片座??

VIISta?Roplat是為高傾斜角度離子注入設(shè)計(jì)的，可用作高度精確控制硅片位置的片座。Roplat在X、Y軸方向均可傾斜±60°，為環(huán)圈式（halo）、SD、SDE和象限式（quad）離子注入提供便利。通過傾斜器的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)動(dòng)而使晶片重新移動(dòng)和重新定位的方法，即使quad離子注入，其產(chǎn)能也能維持在300wph以上。單晶片靜電晶座的傾斜角度變動(dòng)可以控制在±0.2°以內(nèi)，使高電流、中電流和高能量離子注入的入射角度變動(dòng)降到最低水平。?

為高度凹凸不平表面設(shè)計(jì)的光刻系統(tǒng)??

該光刻技術(shù)適用于高度凹凸不平的表面，它包含噴霧式光刻膠涂布系統(tǒng)（spray?coating，專利在申請(qǐng)中）、全方位曝光掩模版對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和大曝光間隙光學(xué)系統(tǒng)。通過這些系統(tǒng)可以在嚴(yán)重凹凸不平的表面上得到最佳圖形轉(zhuǎn)移能力。新的噴霧式涂布系統(tǒng)采用新穎的光刻膠涂布方式，使光刻膠在平坦和凹凸表面上形成分布均勻的涂層；結(jié)合專為大聚焦深度優(yōu)化的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，該技術(shù)可以在凹凸變化達(dá)幾百微米的平面上部、底部和斜面結(jié)構(gòu)上得到精準(zhǔn)的圖形。

步進(jìn)型光刻機(jī)??

NSR－SF200是世界上第一臺(tái)KrF?Excimer?Laser寬曝光范圍步進(jìn)型光刻機(jī)，可在90nm以下工藝制程的300mm硅圓片量產(chǎn)線上與ArF光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)Mix&Match的高性價(jià)比。而且在26×33mm的寬曝光領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了150nm以下的高解像度，發(fā)揮了新一代DRAM和MPU的中間層光刻威力。另外，最新的i線寬曝光范圍步進(jìn)型光刻機(jī)“NSR－SF130”在新一代的DRAM和MPU的非細(xì)線寬層曝光上發(fā)揮了威力，與DUV?Excimer光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)Mix&Match最優(yōu)，在300mm硅圓片上達(dá)到同行業(yè)中最高水平的每小時(shí)120片的處理速度

薄膜蝕刻和沉積??

Shuttleline結(jié)合了四套系統(tǒng)的技術(shù)，適用于R&D和試產(chǎn)階段。它是為薄膜蝕刻和電介質(zhì)沉積包括ICP、RIE和PECVD開發(fā)的多工藝操作平臺(tái)，適用于一系列應(yīng)用包括LED、HBT、HEMT、SAW、光電器件和MEMS。其工藝反應(yīng)器裝備了標(biāo)準(zhǔn)的真空鎖（loadlock）和界面友好的操作軟件。?

光刻膠涂布與顯影系統(tǒng)??

CLEAN?TRACK?LITHIUSTM依托CLEAN?TRACK?ACT的平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以制造出穩(wěn)定的７０?nm技術(shù)的制品為目標(biāo)?？傮w檢查和線寬（CD）測(cè)定技能裝載在從本裝置的制程處理部件獨(dú)立出來的測(cè)定器裝載件（MIB）內(nèi)。CLEAN?TRACK?LITHIUSTM的CD測(cè)定，運(yùn)用了ODP（Optical?Digital?Profilometry）技術(shù)予以解決。這一技術(shù)是針對(duì)反射光光譜的變化，實(shí)現(xiàn)劃時(shí)代的高速演算，計(jì)算出CD值。將ODP技術(shù)與分光反射計(jì)相結(jié)合，作為模塊裝載在CLEAN?TRACK?ACT和CLEAN?TRACK?LITHIUS內(nèi)。這一模塊組裝后，可對(duì)CD進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)生制程異常不僅可迅速應(yīng)對(duì)，而且可實(shí)現(xiàn)制程的高度控制。另外，這一系統(tǒng)可減少非生產(chǎn)晶片數(shù)，在光刻工序結(jié)束后無須將晶片傳送到非線上的測(cè)定機(jī)作測(cè)定。從而縮短了光刻系統(tǒng)全體TAT（Turn?Around?Time），提高了生產(chǎn)效率。

單晶圓表面清洗設(shè)備??

單晶圓表面預(yù)旋轉(zhuǎn)清洗設(shè)備Da?Vinci（達(dá)芬奇）系列，代表了業(yè)界第一個(gè)高產(chǎn)能的濕式旋轉(zhuǎn)處理解決方案。Da?Vinci系列產(chǎn)品包括一些最初的產(chǎn)品、300毫米DV-38F以及新近推出的DV-28F、DV-34BF?和DV-24BF，它們用于后段工藝過程（BEOL）聚合物的清洗，背面蝕刻和清洗以及新興應(yīng)用的處理，如用于90納米以及以下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)200毫米和300毫米晶圓制造的高k（介電率）、金屬門極、鐵電存儲(chǔ)（FRAM）和磁隨機(jī)存儲(chǔ)（MRAM）等技術(shù)。Da?Vinci？系列的主要優(yōu)勢(shì)包括：最大的產(chǎn)出量，最小的空間占用，減少的介質(zhì)損耗，靈活的化學(xué)應(yīng)用等。

外延反應(yīng)爐??

LPE?PE3061外延反應(yīng)爐適合小批量、高靈活性和多種工藝，如新一代分立器件技術(shù)、IGBT、PowerMos?及薄層、掩埋層，它使用低頻IGBT功率發(fā)生器加熱，可以節(jié)省電力；外延片質(zhì)量接近于單片爐產(chǎn)品；成本（COO）接近于高產(chǎn)能外延爐，是業(yè)界唯一可淀積外延膜厚達(dá)200微米以上的外延反應(yīng)爐。

臭氧化去離子水生成系統(tǒng)??

LIQUOZON是IC制造和薄膜工藝中為晶片和襯底清洗提供超純凈臭氧化去離子水（DIO3）的整合系統(tǒng)。當(dāng)去離子水（DI）的流速為50L/min時(shí)，溶解的臭氧（O3）濃度最高可達(dá)65ppm。該系統(tǒng)清潔、安全，是傳統(tǒng)化學(xué)清洗的替代技術(shù)，大大減少了有毒廢棄副產(chǎn)物的產(chǎn)生。作為第二代系統(tǒng)，LIQUOZON不僅減小了占地面積，而且降低了化學(xué)品和去離子水的消耗量，安裝也更加容易，成本更低。臭氧化去離子水可以在用戶端通過臭氧濃度快速反饋系統(tǒng)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)幾乎不需要任何維護(hù)，MTBF大于20，000小時(shí)。未溶解的臭氧在進(jìn)入廢氣排放系統(tǒng)前會(huì)重新轉(zhuǎn)變?yōu)檠鯕?。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還避免了NOX的產(chǎn)生，減少了對(duì)金屬管道的污染和損害。

鼓式混合機(jī)??

用于CMP研磨漿料和高純度化學(xué)品的PureBlend混合機(jī)可裝配到鼓式、槽式混合機(jī)以及儲(chǔ)存罐中，進(jìn)行快速或低速的漿料和化學(xué)品混合。利用100%的PFA或聚丙烯中的空槳葉和攪拌墊可以消除沾污風(fēng)險(xiǎn)。低速混合動(dòng)作可以快速有效地完成混合，并且抑制了剪切力引發(fā)漿料團(tuán)聚的可能。如果加裝了可選的轉(zhuǎn)速機(jī)，則可進(jìn)一步監(jiān)控?cái)嚢杷俣取?/p>

CMP研磨墊??

VisionPad?500是一款CMP研磨墊，可以降低65?nm及以下工藝節(jié)點(diǎn)中淺槽隔離和層間介電材料的缺陷。其特點(diǎn)是采用了先進(jìn)的高分子材料可以降低所有商用掩膜漿料造成的缺陷。該研磨墊還對(duì)墊上孔的尺寸和孔的密度進(jìn)行了優(yōu)化，將CMP引起的劃痕和擦傷降低了50%。

FA刻蝕設(shè)備??

Plasma?Accelerator干法刻蝕設(shè)備主要用于先進(jìn)芯片的失效分析。它具有更高的刻蝕速度、高質(zhì)量的復(fù)制率、直觀的操作和低損傷，可以支持全范圍的干法刻蝕失效分析流程。該工具可以去除鈍化層和金屬間/層間介電材料，可以保證獲得清潔、平滑的刻蝕平面，而不產(chǎn)生金屬分層或腐蝕現(xiàn)象。Primo?D-RIE介電質(zhì)刻蝕設(shè)備??

Primo?D-RIE是一款用于300mm晶圓制造的多反應(yīng)室、雙反應(yīng)臺(tái)室介電刻蝕系統(tǒng)。具有單芯片獨(dú)立加工環(huán)境。?此設(shè)備擁有具自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、甚高頻和低頻混合射頻去耦合反應(yīng)離子刻蝕的等離子體源，可加工65、45納米芯片，并可延伸到下一代更高端芯片制造。系統(tǒng)可安裝多達(dá)3個(gè)反應(yīng)器，包括6個(gè)單芯片反應(yīng)臺(tái)，在占用較少潔凈室空間的同時(shí)，大大提高了芯片加工的輸出量?？涛g機(jī)的應(yīng)用包括極深接觸孔刻蝕、硬模板刻蝕、金屬接觸孔刻蝕、淺槽刻蝕等各種介電質(zhì)刻蝕。量計(jì)量工具M(jìn)etryx?Mentor?SF3??

內(nèi)嵌的Mentor?SF3?是一種單一負(fù)載端口?300?mm?的質(zhì)量計(jì)量工具，該工具可監(jiān)測(cè)任何一個(gè)流程步驟之后發(fā)生的所有產(chǎn)品晶圓的質(zhì)量變化，從而快速確定該設(shè)備制造的制程是否如預(yù)期般順暢進(jìn)行。該工具使流程變化在沉積、濕蝕、干蝕或是化學(xué)機(jī)械研磨（CMP）制程后能夠被可靠精確地測(cè)定。Mentor?SF3?提供原子層計(jì)量精度并可測(cè)量精度等同埃（？級(jí)材料厚度的質(zhì)量變化。小型?Mentor?SF3?工具每小時(shí)能夠計(jì)量60個(gè)晶圓，可對(duì)產(chǎn)品、測(cè)試和空白晶圓實(shí)施納米技術(shù)質(zhì)量測(cè)量——不論基片尺寸或材料。作為一項(xiàng)獨(dú)立工具的?SF3?在正常用戶界面右側(cè)90度的位置擁有一個(gè)單獨(dú)的?300mm?FOUP。

300mm/200mm?PVD系統(tǒng)??

Clusterline?300?是多模組單晶圓工藝的高產(chǎn)量生產(chǎn)系統(tǒng)。它的特定設(shè)計(jì)可滿足最大300mm晶圓工藝，還有200/300mm轉(zhuǎn)換裝置。最多可配備6個(gè)完善的工藝腔體從而實(shí)現(xiàn)工藝的高度靈活性和最佳的產(chǎn)能。主要應(yīng)用領(lǐng)域是先進(jìn)的封裝及背面金屬化等，最新開發(fā)的超薄晶圓工藝能力適合于費(fèi)用級(jí)敏感元器件的制造。新型的Clusterline200?II提供先進(jìn)的最大200mm晶圓工藝的批量生產(chǎn)設(shè)備。開放式系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易靈活的系統(tǒng)配置用于PVD、PECVD和預(yù)刻蝕的工藝。它可應(yīng)用于許多尖端和特殊工藝領(lǐng)域，?例如：薄片晶圓工藝、先進(jìn)封裝（包括3D?封裝）、RF-MEMS、壓電式、BAW、IC互連線及其他特殊的薄膜濺射。

全自動(dòng)晶圓檢測(cè)系統(tǒng)MX2000IR??

除了作為桌面型解決方案的晶圓檢測(cè)系統(tǒng)MX100IR外，?Viscom?還提供具有自動(dòng)處理功能的檢測(cè)系統(tǒng)MX2000IR。這一解決方案最適于對(duì)半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中的大批量和中型批量產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)。?MX2000IR系統(tǒng)的運(yùn)用范圍有：對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、Wafer-Bonds、絕緣體上硅（SOI）、?FlipChips、裸晶圓以及光電學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)品的檢測(cè)。其中，晶圓可以由各種材料如硅、砷化鎵或者三五價(jià)化合物半導(dǎo)體組成。

鎢CMP研磨墊調(diào)節(jié)劑??

3000系列是用于鎢CMP的金剛石研磨墊調(diào)節(jié)劑，采用共燒技術(shù)控制金剛石的放置，并具有強(qiáng)勁的金剛石保持能力，會(huì)降低可能的微劃痕。嚴(yán)格的平坦度規(guī)格提高了研磨墊消耗的均勻性和平坦度，可獲得優(yōu)化的研磨墊壽命。改進(jìn)的工藝性能可以提供一致的去除率，可以減少晶圓的非均勻情況以及降低缺陷率。

介電層刻蝕系統(tǒng)??

Lean?Etch是一款為需要腐蝕介電層的客戶開發(fā)的制造系統(tǒng)。其主機(jī)具有高產(chǎn)量的特點(diǎn)，帶有晶圓處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)200?wph的吞吐率。高度靈活的模塊平臺(tái)支持多達(dá)六個(gè)獨(dú)立的工藝腔室。獨(dú)特的“T源”等離子技術(shù)和“即刻”脈沖能力簡(jiǎn)化了工藝調(diào)節(jié)并可實(shí)現(xiàn)無損傷的原位等離子清潔。?

PECVD系統(tǒng)??

Vector?Extreme是一款PECVD工具，其生產(chǎn)率高達(dá)250?wph。該工具可以集成多達(dá)三個(gè)順序工藝操作模塊，在一個(gè)中心晶圓處理腔的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)12個(gè)沉積臺(tái)。如果采用這樣的設(shè)置沉積用于存儲(chǔ)器器件較厚的薄膜，其吞吐率可加倍。

45nm光刻掩膜刻蝕技術(shù)??

Centura?Tetra?III是一款先進(jìn)掩膜刻蝕系統(tǒng)，可用于刻蝕納米制造技術(shù)需要的45?nm光刻掩膜。該系統(tǒng)可以將整個(gè)石英掩模板的深度控制在低于10A范圍內(nèi)，將CD損失降低到小于10?nm，這樣可以采用交替式相移掩模和最尖端的OPC技術(shù)。該系統(tǒng)的特征是零缺陷、高產(chǎn)率的刻蝕工藝，以及可用于下一代光刻應(yīng)用的各種材料。??

深槽刻蝕納米系統(tǒng)??

Applied?Centura（R）MarianaTMTrench?Etch系統(tǒng)特別針對(duì)深槽刻蝕納米制造技術(shù)，具有先進(jìn)的技術(shù)性能和優(yōu)化的生產(chǎn)能力，能夠刻蝕的深槽的長寬比達(dá)80:1，高出現(xiàn)有系統(tǒng)30%，可以擴(kuò)展DRAM電容到70nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)。雙頻調(diào)諧功能夠精密控制刻蝕輪廓和臨界尺寸，使刻蝕深度不一致性小于2%。系統(tǒng)獨(dú)特的等離子化學(xué)反應(yīng)提供了優(yōu)異的硬掩膜選擇性。?

晶體管刻蝕Carina系統(tǒng)??

近日，應(yīng)用材料公司推出Centura?Etch系統(tǒng)用于世界上最先進(jìn)晶體管的刻蝕。運(yùn)用創(chuàng)新的高溫技術(shù)，它能提供45納米及更小技術(shù)節(jié)點(diǎn)上采用高K介電常數(shù)/金屬柵極（HK/MG）的邏輯和存儲(chǔ)器件工藝擴(kuò)展所必需的材料刻蝕輪廓，是目前唯一具有上述能力并可以用于生產(chǎn)的解決方案。應(yīng)用材料公司的Carina技術(shù)具有獨(dú)一無二的表現(xiàn)，它能達(dá)到毫不妥協(xié)的關(guān)鍵刻蝕參數(shù)要求：平坦垂直，側(cè)邊輪廓不含任何硅材料凹陷，同時(shí)沒有任何副產(chǎn)品殘留物。??

薄膜沉積系統(tǒng)??

Clusterline?200?II系統(tǒng)給用戶提供了先進(jìn)的晶圓處理能力、最新的工藝性能和具有擴(kuò)展性的預(yù)處理和后處理工序。該系統(tǒng)適用的晶圓直徑達(dá)200?mm。開放的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以讓用戶方便靈活地進(jìn)行PVD、PECVD和軟刻蝕工藝。