芯片的制造过程与三大主设备

芯片制造过程

芯片（集成电路）制造就是在硅片上雕刻复杂电路和电子元器件（利用薄膜沉积、光刻、刻蚀等工艺），同时把需要的部分改造成有源器件（利用离子注入等）。

芯片的制造过程可以分为前道工艺和后道工艺¹。

前道是指晶圆制造厂的加工过程，在空白的硅片完成电路的
加工，出厂产品依然是完整的圆形硅片。

前道工艺：包括光刻、刻蚀、薄膜生长、离子注入、清洗、CMP、量测等工艺；

后道是指封装和测试的过程，在封测厂中将圆形的硅片切割成单独的芯片颗粒，完成外壳的封装，最后完成终端测试，出厂为芯片成品。

后道工艺：包括减薄、划片、装片、键合等封装工艺以及终端测试等。

相比后道工艺，前道工艺技术难度高，相对复杂。

前道工艺图示

第一步：把硅片表面形成的SiO2薄膜层加工成需要的形状²

通过氧化、光刻、刻蚀、去胶等一系列工艺进行。

图示为一个标准流程示意，第一步的薄膜形成多数时候是采用沉积工艺（CVD、PVD等），只有少部分采用氧化。

CMP和清洗通常在流程后执行，为下一轮流程做准备。

量测在每一步关键步骤中测量和检验。

第二步：加工栅级

经过栅氧化层和多晶硅沉积、光刻和刻蚀之后，形成图中的图形。

注意栅级加工同样经历了涂光刻胶、光刻和显影等流程，下图做了省略。

第三步：加工源级与漏极

离子注入前需要进行涂胶、光刻和显影，用光刻胶覆盖住需要保护的区域，再进行离子注入。

第四步：加工绝缘层和导线层

金属接触孔和导线的制造过程，一般需要分别加工绝缘层和金属导线层。

半导体设备市场格局

2020年中国大陆半导体市场销售额187亿美元，是全球第一大市场。

注：SEMI为国际半导体产业协会

前道工艺相关设备价值量更大。

全球范围内的半导体设备龙头企业以美国、日本和欧洲公司为主，呈现寡头垄断，CR5 市占率超过 65%。（下表数据不仅包括设备销售额，还包括服务和支持等相关收入。）

三种主设备

在2020年半导体设备市场中，前道设备（晶圆制造）612亿美元占比86.1%，后道设备（封装测试）中的封装设备38.5亿美元占比 5.4% 以及测试设备60.1亿美元占比8.5%。

根据2020年数据，光刻、刻蚀和薄膜生长是占比最高的前道设备，合计市场规模占比超过70%，这三类设备也是集成电路制造的主设备。

工艺过程测量设备是质量检测的关键设备，份额占比达13%。

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1. 【东兴证券】电子行业：半导体设备系列报告之一，全行业框架梳理 ↩︎

2. 《半导体制造技术》 ↩︎