我們已經(jīng)通過兩篇文章介紹了EDA與技術(shù)服務(wù)這兩個芯片產(chǎn)業(yè)鏈的支撐環(huán)節(jié)，接下來我們?nèi)詫⑼ㄟ^兩篇文章繼續(xù)介紹芯片產(chǎn)業(yè)鏈支撐環(huán)節(jié)，主要包括半導(dǎo)體設(shè)備和半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體設(shè)備和材料都是分布于芯片制造、封測的產(chǎn)線中的，兩者種類繁多、相輔相成，在整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)極其重要的地位。此外，目前設(shè)備和材料很多環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化率都較低，下圖總結(jié)了2021年半導(dǎo)體設(shè)備和材料的全球市場規(guī)模和國產(chǎn)化率：

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本文讓我們先從半導(dǎo)體設(shè)備開始介紹。半導(dǎo)體設(shè)備是半導(dǎo)體行業(yè)的基石，行業(yè)的發(fā)展源于設(shè)備的更新迭代，大體可以概括為 “一代設(shè)備，一代工藝，一代產(chǎn)品” 。半導(dǎo)體產(chǎn)品制造要超前電子系統(tǒng)開發(fā)新一代工藝，而半導(dǎo)體設(shè)備要超前半導(dǎo)體產(chǎn)品制造開發(fā)新一代產(chǎn)品。

在芯片產(chǎn)業(yè)鏈系列之芯片制造文章中，我們提到以IC設(shè)計(jì)圖與晶圓為基礎(chǔ)，產(chǎn)品進(jìn)入IC制造環(huán)節(jié)，晶圓制造包括硅片制造和晶圓加工工藝，其中前者包括拉單晶、晶體加工、切片、研磨、倒角、拋光等一系列步驟，后者包括氧化、 涂膠、 光刻等一系列步驟，半導(dǎo)體制造設(shè)備就在這些相應(yīng)的步驟中被使用；同樣，在IC制造環(huán)節(jié)后（見芯片產(chǎn)業(yè)鏈系列之封裝測試），內(nèi)嵌集成電路尚未切割的晶圓片會進(jìn)入IC封測環(huán)節(jié)， 包括磨片、 切割、 貼片等一系列步驟，在各步驟中也同樣對應(yīng)相應(yīng)半導(dǎo)體封裝設(shè)備與半導(dǎo)體測試設(shè)備，最終得到芯片成品。

大體而言，半導(dǎo)體設(shè)備分為制造設(shè)備與封測設(shè)備，其中制造設(shè)備又可分為晶圓生產(chǎn)設(shè)備和晶圓工藝設(shè)備，封測設(shè)備又可分為封裝設(shè)備和測試設(shè)備。實(shí)際上我們在封測的文章中也介紹了與傳統(tǒng)封裝（后道工藝）在向先進(jìn)封裝發(fā)展。以 Bumping 工藝、 TSV 工藝等典型的先進(jìn)封裝技術(shù)為例，它們也采用了類似前道工藝中所使用的光刻、刻蝕等技術(shù)，但在精度等方面又有所區(qū)別，既不算嚴(yán)格意義上的前道工藝，也不是傳統(tǒng)意義上的后道工藝，通常被稱作“中道工藝”。（由于“中道工藝”設(shè)備供應(yīng)商基本和前道設(shè)備供應(yīng)商重合，且臺積電、中芯國際等前道晶圓廠商也涉及這部分先進(jìn)封裝業(yè)務(wù)，大部分的“中道”設(shè)備銷售量也通常在統(tǒng)計(jì)時計(jì)入前道設(shè)備，為方便討論，本報(bào)告也將“中道”納入前道范疇）。

半導(dǎo)體設(shè)備的全景圖如下：

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根據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，集成電路制造設(shè)備投資一般占集成電路制造領(lǐng)域資本性支出的70%-80%，且隨著工藝制程的提升，設(shè)備投資占比也將相應(yīng)提高—當(dāng)集成電路制程達(dá)到16及14納米時，設(shè)備投資占比可達(dá)85%。按照工藝流程劃分，芯片制造是集成電路制造過程中最重要、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。典型的集成電路制造產(chǎn)線設(shè)備投資中，芯片制造及硅片制造設(shè)備投資占比約80%，系集成電路制造設(shè)備投資中的最主要部分，而在芯片制造設(shè)備中薄膜沉積設(shè)備、光刻設(shè)備、刻蝕設(shè)備占比最高，知道了各設(shè)備的價值占比，我們就可以根據(jù)全球半導(dǎo)體設(shè)備的市場規(guī)模來估算各種設(shè)備的市場規(guī)模。

由于具體的制造流程我們在芯片產(chǎn)業(yè)鏈系列之芯片制造和芯片產(chǎn)業(yè)鏈系列之封裝測試兩篇文章中進(jìn)行了梳理，接下來我們將豐富一些必要的細(xì)節(jié)，并對用到的半導(dǎo)體設(shè)備進(jìn)行一一介紹。半導(dǎo)體設(shè)備種類繁多，考慮到篇幅，我們將分三篇文章分別對硅片制造設(shè)備、晶圓加工設(shè)備（前道工藝設(shè)備）和封裝測試設(shè)備進(jìn)行介紹。

1. 硅片制造設(shè)備：制造工序?yàn)槔А衅テ菇恰涛g—拋光—清洗—檢測，其中拉晶、拋光和檢測為硅片制造核心環(huán)節(jié)，對應(yīng)設(shè)備分別為單晶爐（占整體設(shè)備價值量 25%）、 CMP拋光機(jī)（ 25%）、檢測設(shè)備（ 15%）等。

（1）單晶爐：單晶硅錠是從大塊多晶硅材料中通過拉晶生長得來，目前拉晶方法主要有直拉法和區(qū)熔法，其中直拉法（包括液體掩蓋直拉法）的硅單晶約占 85%，其他則采用區(qū)熔法。無論是直拉法還是區(qū)熔法，使用的設(shè)備均為單晶爐，單晶爐由爐體、熱場、磁場、控制裝置等部件組成，其中控制爐內(nèi)溫度的熱場和控制晶體生長形狀的磁場是決定單晶爐生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。

（2）切片設(shè)備：切片加工的目的在于將硅錠切成一定厚度的薄晶片，切后的參數(shù)如晶向偏離度、 TTV 等精度對后道工序的加工（如研磨、刻蝕和拋光等）起直接作用，主要包括切去兩端、硅片定位、精準(zhǔn)切割等步驟。切片工序主要應(yīng)用的設(shè)備包括切割機(jī)、 滾圓機(jī)、截?cái)鄼C(jī)等。

（3） 磨片設(shè)備：半導(dǎo)體晶圓的表面要光滑規(guī)則，并且沒有切割損傷，完全平整，因此需要磨片處理。磨片主要包括雙面磨削（直徑小于 300mm）和表面磨削（直徑大于 300mm），雙面磨削加工損耗較大，而表面磨削損耗較小。磨片步驟使用的設(shè)備為研磨系統(tǒng)，即磨片機(jī)。

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（4）倒角設(shè)備：倒角是要消除硅片邊緣表面由于經(jīng)切割加工后產(chǎn)生的棱角、毛刺、崩邊、裂縫或其他缺陷和各種邊緣表面污染，從而降低硅片邊緣表面的粗糙度，增加硅片邊緣表面的機(jī)械強(qiáng)度，減少顆粒的表面玷污。倒角機(jī)一般分為 T 形磨輪和 R 形磨輪，R 形磨輪比 T 形磨輪加工效率高 30%作用。

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（5）刻蝕設(shè)備：刻蝕設(shè)備在硅片制造和晶圓加工里都是重要設(shè)備，這里主要介紹硅片制造中用到的硅刻蝕，通常是為了消除硅片表面因機(jī)械加工應(yīng)力而形成有一定深度的機(jī)械應(yīng)力損傷層，以及金屬離子等雜質(zhì)污染的影響，腐蝕的厚度去除總量一般是 30-50 微米，包括酸腐蝕和堿腐蝕。后續(xù)我們在晶圓加工工藝環(huán)節(jié)再詳細(xì)介紹刻蝕設(shè)備。

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（6）拋光設(shè)備：拋光目的在于去除前序工藝殘留的微缺陷、表面應(yīng)力損傷層及各種金屬離子等雜質(zhì)污染，以求獲得硅片表面局部平整、粗糙度極低的潔凈、光亮“鏡面”， 流程包括粗拋、細(xì)拋、精拋和最終拋光。與刻蝕一樣，拋光在硅片制造和晶圓加工里都有使用，但需要注意硅片表面CMP和晶圓加工中的晶片表面CMP是兩種不同的拋光工藝，兩者在拋光對象、拋光布、拋光液、拋光壓力、轉(zhuǎn)速等方面均有較大差別。

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（7）清洗設(shè)備：硅片經(jīng)過不同工序后，表面已受到嚴(yán)重污染，清洗的目的在于清除表面的微粒、金屬離子及有機(jī)物沾污等。一般先通過強(qiáng)氧化劑使“電鍍”附著到硅表面的金屬離子氧化成金屬，溶解在清洗液或者附在硅片上，然后用小直徑正離子替代吸附在硅片表面的金屬離子，使之溶解在清洗液中，最后用大量去離子水進(jìn)行超聲波清洗，以排除溶液中的金屬離子。清洗設(shè)備同樣在硅片制造和晶圓加工工序中都有應(yīng)用。

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（8） 硅片檢測設(shè)備：主要是對硅片的表面缺陷檢測。為了滿足對硅單晶、拋光片的高要求，必須采用先進(jìn)的測試方法，對硅單晶的晶向、缺陷、氧含量、碳含量、電阻率、導(dǎo)電型號、少數(shù)載流子濃度、等技術(shù)參數(shù)有效測試，對拋光片表面缺陷（點(diǎn)缺陷、錯位、層錯等），顆粒污染和沾污進(jìn)行檢測。硅片檢測設(shè)備包括厚度儀、顆粒檢測儀、硅片分選儀等。值得注意的是，芯片整個產(chǎn)業(yè)鏈都需要進(jìn)行量檢測，不同步驟中的量檢測目的、目標(biāo)參數(shù)都不同，因此所需的設(shè)備也有區(qū)別。

以上我們介紹了整個硅片制造工序中的主要設(shè)備，雖然硅片制造設(shè)備僅占半導(dǎo)體設(shè)備價值量的2%，但由于硅片是半導(dǎo)體器件的最重要基體材料，它的質(zhì)量好壞決定了后續(xù)芯片制造過程中的成敗和良率，因此硅片制造設(shè)備的作用至關(guān)重要。從行業(yè)驅(qū)動力來看，目前集成電路技術(shù)早已經(jīng)邁進(jìn)線寬工藝小于0.1微米的納米電子時代，對硅片的表面加工質(zhì)量要求愈來愈高。為保證硅片的翹曲度、表面局部平整度、表面粗糙度等具有更高的加工精度，尤其是對大直徑硅拋光片進(jìn)行更加細(xì)致的加工，所需的加工流程也水漲船高，越來越精細(xì)，因此也驅(qū)動著硅片制造設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。

至此我們已經(jīng)對半導(dǎo)體設(shè)備中的重要一環(huán)硅片制造設(shè)備進(jìn)行了簡單梳理，下周我們將對下一環(huán)節(jié)即晶圓加工設(shè)備進(jìn)行介紹，讓我們下次再見。