只知道AI还不够 智能芯片生产核心设备也需要了解

之前我们已经了解了AI芯片制造的整个流程工艺、大家相信大家也都有了一定的了解。今天DmindAI君接着带大家吧啦吧啦在智能芯片制造流程中用到的一些核心制造设备。话不多说、直接上菜！

随着人工智能概念的迅速发展、芯片产业更是巨头市场的必争之地。2018年人工智能相关产品纷纷落地、带动了智能芯片供应的一片火热、然而中国的整个芯片产业制造能力还比较薄弱、大部分生产芯片的设备依赖进口。据有关数据显示中国每年都要花大资金引进芯片制造的核心设备。那么制造设备都是有那些呢？在制造环节中起到什么作用呢？

概述：

硅生产设备------晶圆制造设备------薄膜沉积设备------CMP 研磨设备------清洗设备------封装设备-----测试设备

01原料硅生产设备

单晶炉

单晶炉是一种在惰性气体（氮气、氦气为主）环境中,用石墨加热器将多晶硅等多晶材料熔化,用直拉法生长无错位单晶的设备。

工作原理：

把高纯度的多晶硅原料放入高纯石英坩埚，通过石墨加热器产生的高温将其熔化；然后，对熔化的硅液稍做降温，使之产生一定的过冷度，再用一根固定在籽晶轴上的硅单晶体（称作籽晶）插入熔体表面，待籽晶与熔体熔和后，慢慢向上拉籽晶，晶体便会在籽晶下端生长；

接着，控制籽晶生长出一段长为100mm左右、直径为3～5mm的细颈，用于消除高温溶液对籽晶的强烈热冲击而产生的原子排列的位错，这个过程就是引晶；随后，放大晶体直径到工艺要求的大小，一般为75～300mm，这个过程称为放肩；

接着，突然提高拉速进行转肩操作，使肩部近似直角；然后，进入等径工艺，通过控制热场温度和晶体提升速度，生长出一定直径规格大小的单晶柱体；最后，待大部分硅溶液都已经完成结晶时，再将晶体逐渐缩小而形成一个尾形锥体，称为收尾工艺。这样一个单晶拉制过程就基本完成，进行一定的保温冷却后就可以取出。

主要企业：

国际：德国PVA TePla AG公司、日本Ferrotec公司、美国QUANTUM DESIGN公司、德国Gero公司、美国KAYEX公司。

国内：北京京运通、七星华创、北京京仪世纪、河北晶龙阳光、西安理工晶科、常州华盛天龙、上海汉虹、西安华德、中国电子科技集团第四十八所、上海申和热磁、上虞晶盛、晋江耐特克、宁夏晶阳、常州江南、合肥科晶材料技术有限公司、沈阳科仪公司。

02晶圆制造过程设备

光刻机

光刻机又名:掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等。简单来说就是：用光来制作一个图形的工艺 、在涂底的硅片表面，将掩膜版上图形器件电路图“复制”到硅片上。按照用途可以分为好几种：有用于生产芯片的光刻机；有用于封装的光刻机；还有用于LED制造领域的投影光刻机。本文我们只讨论用于生产芯片的光刻机。它是芯片制造的核心设备之一。

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。

工作原理：

在加工芯片的过程中，光刻机通过一系列的光源能量、形状控制手段，将光束透射过画着线路图的掩模，经物镜补偿各种光学误差，将线路图成比例缩小后映射到硅片上，然后使用化学方法显影，得到刻在硅片上的电路图。经过一次光刻的芯片可以继续涂胶、曝光。越复杂的芯片，线路图的层数越多，也需要更精密的曝光控制过程。

主要企业：

国际：荷兰阿斯麦（ASML）公司、美国泛林半导体公司、日本尼康公司、日本Canon公司、美国ABM公司、德国德国SUSS公司、美国MYCRO公司。

国内：上海微电子、奥普光电、中国电子科技集团第四十八所、中国电子科技集团第四十五所、上海机械厂、成都南光实业股份有限公司等

等离子刻蚀机

什么是等离子：

气体在温度升高时、分子或者原子由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子。这时气体将进入一种新的状态，即主要有电子和正离子组成的状态。这种状态物质叫做等离子体。

等离子刻蚀是一种反应性等离子工艺 、在反应室中通过把导入的气体变成等离子、作用在被刻蚀物体表面来完成定制的腐蚀工艺。

主要企业：

国际：英国牛津仪器公司、美国Torr公司、美国Gatan公司、英国Quorum公司、美国利曼公司、美国Pelco公司。

国内：北京仪器厂、北京七星华创电子有限公司、中国电子科技集团第四十八所、戈德尔等离子科技（香港）控股有限公司、中国科学院微电子研究所、北方微电子、北京东方中科集成科技股份有限公司、北京创世威纳科技。

反应离子刻蚀系统

在系统内部通过施加高频电压、让导入的气体产生化学反应作用于硅片表面、进行刻蚀基片、实现加工

反应离子腐蚀技术是一种各向异性很强、选择性高的干法腐蚀技术。它是在真空系统中利用分子气体等离子来进行刻蚀的，利用了离子诱导化学反应来实现各向异性刻蚀，即是利用离子能量来使被刻蚀层的表面形成容易刻蚀的损伤层和促进化学反应，同时离子还可清除表面生成物以露出清洁的刻蚀表面的作用。但是该刻蚀技术不能获得较高的选择比，对表面的损伤大，有污染，难以形成更精细的图形。

工作原理：

主要企业：

国际：日本Evatech公司、美国NANOMASTER公司、新加坡REC公司、韩国JuSung公司、韩国TES公司。

国内：北京仪器厂、北京七星华创电子有限公司、成都南光实业股份有限公司、中国电子科技集团第四十八所。

离子注入机

离子注入机是集成电路制造前工序中的关键设备，离子注入是对半导体表面附近区域进行掺杂的技术，其目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型。离子注入与常规热掺杂工艺相比可对注入剂量、注入角度、注入深度、横向扩散等方面进行精确的控制，克服了常规工艺的限制，提高了电路的集成度、开启速度、成品率和寿命，降低了成本和功耗。离子注入机广泛用于掺杂工艺，可以满足浅结、低温和精确控制等要求，已成为集成电路制造工艺中必不可少的关键装备。

工作原理：

离子注入机由离子源、质量分析器、加速器、四级透镜、扫描系统和靶室组成，可以根据实际需要省去次要部位。离子源是离子注入机的主要部位，作用是把需要注入的元素气态粒子电离成离子，决定要注入离子的种类和束流强度。离子源直流放电或高频放电产生的电子作为轰击粒子，当外来电子的能量高于原子的电离电位时，通过碰撞使元素发生电离。碰撞后除了原始电子外，还出现正电子和二次电子。正离子进入质量分析器选出需要的离子，再经过加速器获得较高能量，由四级透镜聚焦后进入靶室，进行离子注入。

主要企业：

国际：美国维利安半导体设备公司、美国CHA公司、美国AMAT公司、Varian半导体制造设备公司（被AMAT收购）。

国内：北京仪器厂、中国电子科技集团第四十八所、成都南光实业股份有限公司、沈阳方基轻工机械有限公司、上海硅拓微电子有限公司。

晶圆划片机

该芯片生产设备功能：把晶圆，切割成小片的碟。

主要企业：

国际：日本DISCO公司、德国OEG公司

国内：中国电子科技集团第四十五所、北京科创源光电技术有限公司、沈阳仪器仪表工艺研究所、西北机器有限公司（原国营西北机械厂709厂）、汇盛电子电子机械设备公司、兰州兰新高科技产业股份有限公司、大族激光、深圳市红宝石激光设备有限公司、武汉三工、珠海莱联光电、珠海粤茂科技。

晶片减薄机

由于制造工艺的要求，对晶片的尺寸精度、几何精度、表面洁净度以及表面微晶格结构提出很高要求。因此在几百道工艺流程中，不可采用较薄的晶片，只能采用一定厚度的晶片在工艺过程中传递、流片。通常在集成电路封装前，需要对晶片背面多余的基体材料去除一定的厚度。这一工艺过程称之为晶片背面减薄工艺，对应装备就是晶片减薄机。

作用:

1.通过减薄/研磨的方式对晶片衬底进行减薄，改善芯片散热效果。

2.减薄到一定厚度有利于后期封装工艺。

常规工艺:

减薄/抛光到80-100um

粗糙度: 5-20nm

平整度: ±3um

主要企业：

国际：德国G&N公司、日本DISCO公司、日本OKAMOTO公司、以色列Camtek公司。

国内：兰州兰新高科技产业股份有限公司、深圳方达研磨设备制造有限公司、深圳市金实力精密研磨机器制造有限公司、炜安达研磨设备有限公司、深圳市华年风科技有限公司。

03薄膜沉积设备

等离子体增强化学气相淀积系统

低压化学气相淀积系统

原子层化学气相沉积设备

有机金属化学气相沉积

低压化学气相淀积系统

薄膜沉积又分为化学沉积和物理沉积，其中化学沉积设备主要有LPCVD、PECVD等。LPCVD是低压化学气相淀积系统，是将反应物以气态形式输送到被加热的衬底表面发生化学反应淀积固态薄膜的设备。LPCVD的炉体结构与高温氧化炉大体相同，但增加了抽真空机构。炉管采用石英管制成，外围装有电阻加热器，外部和内部分别装有热电偶测温器。晶圆在石英舟中密集摆放，通过自动装卸片机构装进或取出。整机控制系统由温度控制器、压力控制器、气体控制器和炉微控制器组成。PECVD是等离子体增强化学气相淀积系统，是在反应腔中的低压气体上施加射频电场，使气体发生辉光放电离化出等离子体。等离子体具有很高的能量，仅需将衬底晶片加热到100～400℃就能激发并维持CVD反应，远远低于LPCVD所需的高温条件（300～900℃），故称为等离子体增强CVD。这正是它的最大特点之一，因而对于低熔点材料的膜淀积是非常适合的。并且PECVD成膜的台阶覆盖能力和隙孔沟槽的填充能力更是优于LPCVD。PECVD系统通常由反应腔、射频电源、气源系统、真空及压力控制、计算机控制系统等几部分组成。反应室内有上下平行的两块电极板，射频电压加在上极上，下电极接地。射频电压使平板电极间产生等离子体放电。半导体晶片置于下电极托盘上，并用电阻加热器加热。工作气体由位于下电极周围的进气口进入，并流过放电区。整个工艺过程采用计算机通过对真空系统、工作压强、射频电源匹配、气体流量及工艺过程的全自动控制。

气相外延炉

为气相外延生长提供特定的工艺环境，实现在单晶上，生长与单晶晶相具有对应关系的薄层晶体，为单晶沉底实现功能化做基础准备。气相外延即化学气相沉积的一种特殊工艺，其生长薄层的晶体结构是单晶衬底的延续，而且与衬底的晶向保持对应的关系。

主要企业：

国际：美国CVD Equipment公司、美国GT公司、法国Soitec公司、法国AS公司、美国Proto Flex公司、美国科特·莱思科（Kurt J.Lesker）公司、美国Applied Materials公司。

国内：中国电子科技集团第四十八所、青岛赛瑞达、合肥科晶材料技术有限公司、北京金盛微纳、济南力冠电子科技有限公司。

氧化炉

氧化炉作用主要是提供要求的氧化氛围，实现半导体预期设计的氧化处理过程，为半导体材料进行氧化处理，是半导体加工过程的不可缺少的一个环节。

磁控溅射台

磁控溅射是为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率的方法。

设备功能：

通过二极溅射中一个平行于靶表面的封闭磁场，和靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域，实现高离子密度和高能量的电离，把靶原子或分子高速率溅射沉积在基片上形成薄膜。

主要企业：

国际：美国Vaportech公司、美国AMAT公司、美国PVD公司、荷兰Hauzer公司、英国Teer公司、瑞士Platit公司、瑞士Balzers公司、德国Cemecon公司。

国内：中国电子科技集团第四十八所、北京仪器厂、沈阳中科仪器、成都南光实业股份有限公司、科睿设备有限公司、上海机械厂。

04研磨设备

化学机械研磨机

化学机械研磨亦称为化学机械抛光，其原理是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术，是目前机械加工中唯一可以实现表面全局平坦化的技术。

化学机械研磨技术综合了化学研磨和机械研磨的优势。单纯的化学研磨，表面精度较高，损伤低，完整性好，不容易出现表面/亚表面损伤，但是研磨速率较慢，材料去除效率较低，不能修正表面型面精度，研磨一致性比较差；单纯的机械研磨，研磨一致性好，表面平整度高，研磨效率高，但是容易出现表面层/亚表面层损伤，表面粗糙度值比较低。化学机械研磨吸收了两者各自的优点，可以在保证材料去除效率的同时，获得较完美的表面，得到的平整度比单纯使用这两种研磨要高出1-2个数量级，并且可以实现纳米级到原子级的表面粗糙度。

05清洗设备

清洗表面颗粒以及杂质。

主要厂商：电子科技集团45所

06封装设备

封测环节中用到的一些设备主要有贴片机、焊线机、划片机、封装切割机、粘片机等设备这里就不一一介绍（后期文章中DmindAI君会继续更新）

引线键合机

引线键合（Wire Bonding）是一种使用细金属线，利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合，实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信息互通。在理想控制条件下，引线和基板间会发生电子共享或原子的相互扩散，从而使两种金属间实现原子量级上的键合。

引线键合的作用是从核心元件中引入和导出电连接。

07检测设备

检查硅片尺寸、外观、平整度、电性能等是否符合要求。

探针测试台

探针台主要应用于半导体行业、光电行业、集成电路以及封装的测试。 广泛应用于复杂、高速器件的精密电气测量的研发，旨在确保质量及可靠性，并缩减研发时间和器件制造工艺的成本。

探针测试台通过探针与半导体器件的pad接触，进行电学测试，检测半导体的性能指标是否符合设计性能要求。

主要企业：

国际：美国QA公司、美国MicroXact公司、德国Ingun公司、韩国Ecopia公司、韩国Leeno公司。韩国FORTIX

国内：中国电子科技集团第四十五所、北京七星华创电子有限公司、瑞柯仪器、华荣集团、深圳市森美协尔科技。

总结：从本篇文章中不难看出，在芯片生产的整个环节中需要用到大量的设备，其中最为核心的是硅片生产过程中用到的单晶炉，晶圆制造过程中用到的光刻机、薄膜沉积设备、刻蚀机、离子注入设备、CMP研磨设备以及清洗设备，因此在随后的几期中将结合相关的工艺流程简要介绍上述设备。后期会继续分析芯片制造产业链情况。感兴趣的请关注我们DmindAI一个有维度的人工智能平台！

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