创芯大讲堂独家首发书籍：《芯片制造——半导体工艺与设备》

创芯讲堂运营 · 发表于 2021-12-15 14:31:09

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◆编辑推荐◆

本书是围绕国家集成电路发展重大需求，根据《国家集成电路产业发展推进纲要》，由机械工业出版社组织编著的“集成电路关键技术丛书”之一。

集成电路是半导体产业*核心且技术含量*高的领域，是现代信息社会的基础，也是我国必须掌握的核心技术之一。集成电路产业包括设计、制造和封测三大方面。而制造工艺与设备则是集成电路设计*终的落地。本书首先讲述了半导体产业变化漫长历史中的工艺和设备，再按照集成电路典型制造工艺流程来讲述硅的氧化、光刻、刻蚀、半导体掺杂和淀积等主要工艺。在讲述工艺的同时将工艺需求和设备性能的技术关系也进行论述。总而言之，本书将系统地阐述了半导体制造的主要工艺流程，并在此基础上，将对实现主要工艺的半导体制造设备从其结构和原理进行剖析，使本书更加具有实际的工业应用价值。

◆图书简介◆
本书着重介绍了半导体制造设备，并从实践的角度出发，选取了具有代表性的设备进行讲解。为了让读者加深对各种设备用途的理解，采用了一边阐述半导体制造工艺流程、一边说明各制造工艺中所使用的制造设备及其结构和原理的讲解方式，力求使读者能够系统性地了解整个半导体制造的体系。本书可作为从事集成电路工艺与设备方面工作的工程技术人员，以及相关研究人员的参考用书，也可作为高等院校微电子、集成电路相关专业的规划教材和教辅用书

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目录：

第1章导论1
1.1集成电路的发展历史1
1.1.1世界上第一个集成电路1
1.1.2摩尔定律5
1.1.3集成电路的产业发展规律与节点7
1.1.4摩尔定律的终结或超摩尔时代11
1.2集成电路产业的发展15
1.2.1集成电路产业链15
1.2.2晶圆代工17
1.2.3集成电路产业结构变迁17
参考文献20
第2章集成电路制造工艺及生产线22
2.1集成电路制造技术22
2.1.1芯片制造22
2.1.2工艺划分25
2.1.3工艺技术路线25
2.2集成电路生产线发展的历程与设计27
2.2.1国外集成电路生产线发展情况27
2.2.2国内集成电路生产线发展情况29
2.2.3集成电路生产线的工艺设计30
2.3集成电路生产线的洁净系统32
2.3.1洁净室系统32
2.3.2空调系统33
2.3.3循环冷却水系统35
2.3.4真空系统36
2.3.5排气系统37
2.4集成电路生产线的发展趋势38

参考文献39
第3章晶圆制备与加工41
3.1简介41
3.2硅材料42
3.2.1为什么使用硅材料42
3.2.2晶体结构与晶向42
3.3晶圆制备44
3.3.1直拉法与直拉单晶炉45
3.3.2区熔法与区熔单晶炉46
3.4晶圆加工与设备48
3.4.1滚磨49
3.4.2切断50
3.4.3切片51
3.4.4硅片退火54
3.4.5倒角55
3.4.6研磨55
3.4.7抛光57
3.4.8清洗与包装59
参考文献60
第4章加热工艺与设备61
4.1简介61
4.2加热单项工艺62
4.2.1氧化工艺62
4.2.2扩散工艺64
4.2.3退火工艺65
4.3加热工艺的硬件设备66
4.3.1扩散设备66
4.3.2高压氧化炉69
4.3.3快速退火处理设备70
参考文献73
第5章光刻工艺与设备74
5.1简介74
5.2光刻工艺75
5.3光掩模与光刻胶材料77
5.3.1光掩模的发展77
5.3.2光掩模基板材料78
5.3.3匀胶铬版光掩模79
5.3.4移相光掩模80
5.3.5极紫外光掩模81
5.3.6光刻胶82
5.3.7光刻胶配套试剂83
5.4光刻设备84
5.4.1光刻技术的发展历程84
5.4.2接触/接近式光刻机86
5.4.3步进重复光刻机87
5.4.4步进扫描光刻机89
5.4.5浸没式光刻机92
5.4.6极紫外光刻机93
5.4.7电子束光刻系统95
5.4.8纳米电子束直写系统96
5.4.9晶圆片匀胶显影设备98
5.4.10湿法去胶系统101
参考文献103
第6章刻蚀工艺及设备105
6.1简介105
6.2刻蚀工艺106
6.2.1湿法刻蚀和清洗106
6.2.2干法刻蚀和清洗 108
6.3湿法刻蚀与清洗设备110
6.3.1槽式晶圆片清洗机110
6.3.2槽式晶圆片刻蚀机112
6.3.3单晶圆片湿法设备113
6.3.4单晶圆片清洗设备114
6.3.5单晶圆片刻蚀设备116
6.4干法刻蚀设备117
6.4.1等离子体刻蚀设备的分类117
6.4.2等离子体刻蚀设备120
6.4.3反应离子刻蚀设备122
6.4.4磁场增强反应离子刻蚀设备123
6.4.5电容耦合等离子体刻蚀设备125
6.4.6电感耦合等离子体刻蚀设备127
参考文献129
第7章离子注入工艺及设备131
7.1简介131
7.2离子注入工艺132
7.2.1基本原理132
7.2.2离子注入主要参数135
7.3离子注入设备137
7.3.1基本结构137
7.3.2设备技术指标145
7.4损伤修复148
参考文献148
第8章薄膜生长工艺及设备149
8.1简介149
8.2薄膜生长工艺151
8.2.1物理气相沉积及溅射工艺151
8.2.2化学气相沉积工艺152
8.2.3原子层沉积工艺152

8.2.4外延工艺154
8.3薄膜生长设备154
8.3.1真空蒸镀设备154
8.3.2直流物理气相沉积设备156
8.3.3射频物理气相沉积设备158
8.3.4磁控溅射设备159
8.3.5离子化物理气相沉积设备161
8.3.6常压化学气相沉积设备163
8.3.7低压化学气相沉积设备164
8.3.8等离子体增强化学气相沉积设备164
8.3.9原子层沉积设备165
8.3.10分子束外延系统167
8.3.11气相外延系统168
8.3.12液相外延系统169
参考文献171
第9章封装工艺及设备172
9.1简介172
9.2芯片级封装173
9.2.1圆片减薄机173
9.2.2砂轮划片机174
9.2.3激光划片机178
9.3元器件级封装181
9.3.1粘片机181
9.3.2引线键合机182
9.4板卡级封装185
9.4.1塑封机185
9.4.2电镀及浸焊生产线186
9.4.3切筋成型机187
9.4.4激光打印设备187
参考文献188

◆ 前言：◆

1958年9月12日，美国德州仪器实验室的杰克·基尔比（Jack Kilby）成功地实现了把电子元器件集成在一块半导体材料上的构想。这一天，被视为集成电路的诞生日。60多年来，集成电路技术与产业的飞速发展，推动电子信息产业成为世界各国的战略性支柱产业，深刻影响着社会与国民经济的快速发展;集成电路及其相关产品由此成为信息时代的国之重器、经济高质量发展的富国之鼎、保障国家安全的安邦至宝。集成电路产业正处于变革创新、快速发展的新阶段。

我国的半导体集成电路研究几乎和世界同时起步。但是经过几十年的风雨与磨难，才终于迎来了产业大发展的春天。国家制定了发展微电子技术的各项优惠政策，与国际接轨的集成电路制造厂纷纷成立，海外学子开始回流，国内许多其他专业的学生也在向微电子专业迁移。这预示着我国半导体集成电路产业的明天必将灿烂辉煌。本书着重介绍半导体的制造设备。但是，半导体制造设备名目繁多，用途也多种多样，因此，本书从实践的角度出发，选取了具有代表性的设备进行讲解。另外，为了让读者加深对各种设备用途的理解，采用了一边阐述半导体制造工艺流程、一边说明各制造工艺中所使用的制造设备及其结构和原理的讲解方式，力求使读者能够系统性地了解整个半导体制造的体系，并产生兴趣与共鸣。

全书共分为9章。第1章通过历史产品和工艺发展的描述，介绍了集成电路的发展历史，并在此基础上介绍半导体的全貌，使读者能够鸟瞰整个半导体工业。

第2章介绍了集成电路制造工艺及生产线，对实际生产环境（无尘室）、工艺间的各个系统功能做了详细的介绍。

第3章主要介绍了晶圆的制备与加工，详细介绍了从原材料“硅”到晶圆的加工过程、主流技术以及所涉及的设备。

第4~8章是本书的核心部分。该部分将半导体制造工艺主要划分为加热工艺、光刻工艺、刻蚀工艺、离子注入工艺和薄膜生长工艺五大部分，并对每部分中所涉及的设备进行了详细的论述，完成一个对完整工程流程的实现。

第9章介绍了集成电路的后道工艺，重点介绍芯片的封装工艺及设备。本书可作为从事集成电路工艺与设备方面工作的工程技术人员，以及相关研究人员的参考用书，也可作为高等院校微电子、集成电路相关专业的规划教材和教辅用书。由于作者水平有限，书中难免有不准确或错误的地方，恳请同行专家及广大读者提出宝贵的意见与建议，在此表示由衷的感谢。

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◆ 作者简介：◆

陈译，副教授，男，厦门理工学院，获得日本国立琉球大学电气电子工学专业博士学位，厦门市双百人才，于2010年4月进入日本三垦电气株式会社，从事功率半导体器件（IGBT、MOSFET、SiC SBD、SiC MOSFET）的研发与产业化，经历了先进功率半导体产业和技术发展的重要过程，参与或领导团队研发了30个品种以上的功率器件并实现产业化。

其主持研制的IGBT、MOSFET芯片已卖出数百万片（其中IGBT芯片主要供货给格力电器），总产值超过20亿日元。截止目前，拥有授权和受理发明专利50余项，实用新型10余项，发表科研论文15篇。

在面向工业和车规级的高端功率器件研发及量产方面经验丰富，尤其擅长高端IGBT、Split-gate MOSFET、SiC功率器件的研究。

主要成果：1)发明新型结构沟槽肖特基二极管，综合性能比市面通用量产产品高出20%，并申报多项日本发明专利；2)设计完成基于第六代沟槽场终止型（Field Stop）IGBT，并实现批量生产；3)设计完成深槽分裂栅结构IGBT，综合性能领先于目前国际*高水平并实现工程流片成功；4)主持完成丰田汽车高可靠性车载应用功率MOSFET设计和制造；5)设计开发1200V级SiC MOSFET器件并实现工程流片成功。上述均属于国内开创性或者领先水平的成果，综合性能达到甚至领先于国际同类产品，具有巨大的技术和商业价值。