一、晶圆制造工艺详解
晶圆制造是半导体制造业的核心制程，从广义上讲，其也包括单晶硅片制造环节。
（1）拉单晶
拉单晶就是通过单晶硅生长炉生长出硅单晶锭的过程。根据原理不同，拉单晶可以分为直拉法和区熔法两种。
直拉法是把装在坩埚里的多晶硅熔融后用一块硅单晶（常称仔晶或晶种）引导，慢慢提起，出坩埚部分凝固后就成为硅单晶体。
区熔法可分为水平区熔法和立式悬浮区熔法（简称 FZ 法）。前者用于锗、砷化镓等材料。后者用于硅，在气氛或真空炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。
区熔法由于不用坩埚，避免了来自坩埚的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶纯度高，更多用在集成电路上。直拉法对原料要求较低，成本更低，主要用于太阳能电池制备，也用于要求报告的微电子集成电路。
一般半导体用硅纯度要求达到小数点后6个9量级，大规模集成电路用硅需达到9个9量级，其生长与温度、速率、杂质等多项影响因素有关，技术要求极高。
（2）外形修整
单晶硅锭制造完成后通过磨外圆、切片、倒角、磨削或研磨、CMP（化学机械抛光），制成可用的硅片。
（3）扩散
扩散是一种掺杂技术，指将所需杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中，以达到改变材料电学性能的目的。
扩散工艺由于高温扩散时间长、生产周期长、所需温度高等缺陷，半导体成品率低，质量和产量都不高。离子注入法所需温度低、易于精确控制、不收杂质固溶态限制，可以与扩散工艺的缺陷互补，将扩散工艺与离子注入结合是当前提高产品质量和生产效率的一种方式。
（4）薄膜淀积
薄膜淀积是芯片加工过程中至关重要的工艺步骤，通过淀积工艺可以在硅片上生长各种导电薄膜层和绝缘薄膜层。化学气相淀积（CVD）和物理气相淀积（PVD）是两类主要淀积方式。
CVD 是利用热能、电浆放电或紫外光等化学反应的方式，在反应器内将反应物（通常为气体）生成固态生成物，并在晶片表面沉积形成稳定固态薄膜的沉积技术。常见的 CVD 薄膜包括二氧化硅、氮化硅、多晶硅、耐火金属与这类金属的硅化物等。
CVD 是半导体制程中应用极为广泛的薄膜制成方法。介电材料、导体或半导体等薄膜材料几乎都用 CVD 技术完成。常用的 CVD 技术包括常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）、电浆辅助化学气相淀积（PECVD）等。
PVD 使用氩气等惰性气体，借由在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后，将靶材原子溅击出来，并使被溅击出来的材质（通常为铝、钛或其合金）沉积到晶圆表面。
PVD 以真空、测射、离子化或离子束等方法使纯金属挥发，与碳化氢、氮气等气体作用，加热至 400～600℃（约 1～3 小时）后，蒸镀碳化物、氮化物、氧化物及硼化物等 1～10μm 厚之微细粒状薄膜，
PVD 可分为三种技术：(1)蒸镀（Evaporation）；(2)分子束磊晶成长（Molecular Beam Epitaxy；MBE）；(3)溅镀（Sputter）。
（5）光刻
光刻是将设计图形转换到感光胶下的薄膜层或硅晶上的过程，包括感光胶涂布、烘烤、光罩对准、曝光、显影等程序。
参考观研天下发布《2017-2022年中国晶圆代工产业发展态势及十三五盈利战略分析报告》
传统光刻机使用 193nm 波长光刻技术，但 193nm 浸没式光刻在 80nm 间距（40nm 半间距）已达到极限。从 22nm/20nm 制程开始，行业逐步采用多重图案化技术配合 193nm 浸没式光刻，将间距减小到 40nm 以下。为了提高生产效率、降低流程成本，EUV（超紫外）光刻技术逐步得到采用。
（6）刻蚀
刻蚀是将材料使用化学反应物理撞击作用而移出的过程，可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀。 湿法刻蚀是使用化学溶液，经过反应后达到刻蚀的目的。干法刻蚀是利用电浆撞击晶片产生的物理作用，或电浆中活性自由基与晶片表面原子间的化学反应达到刻蚀目的。
（9）离子植入（Ion Implant）
离子植入技术可将掺质以离子型态植入半导体组件的特定区域上，以获得精确的电子特性。这些离子必须先被加速至具有足够能量与速度，以穿透（植入）薄膜，到达预定的植入深度。离子植入制程可对植入区内的掺质浓度加以精密控制。基本上，此掺质浓度（剂量）系由离子束电流（离子束内之总离子数）与扫瞄率（晶圆通过离子束之次数）来控制，而离子植入之深度则由离子束能量之大小来决定。
（10）化学机械研磨技术（CMP）
CMP 兼具有研磨性物质的机械式研磨与酸碱溶液的化学式研磨两种作用，可以使晶圆表面达到全面性的平坦化，以利后续薄膜沉积之进行。
在 CMP 制程的硬设备中，研磨头被用来将晶圆压在研磨垫上并带动晶圆旋转，至于研磨垫则以相反的方向旋转。在进行研磨时，由研磨颗粒所构成的研浆会被臵于晶圆与研磨垫间。影响 CMP 制程的变量包括有：研磨头所施的压力与晶圆的平坦度、晶圆与研磨垫的旋转速度、研浆与研磨颗粒的化学成份、温度、以及研磨垫的材质与磨损性等等。
（11）光罩检测（Retical 检查）
光罩是高精密度的石英平板，是用来制作晶圆上电子电路图像，以利集成电路的制作。光罩必须是完美无缺，才能呈现完整的电路图像，否则不完整的图像会被复制到晶圆上。光罩检测机台则是结合影像扫描技术与先进的影像处理技术，捕捉图像上的缺失。
当晶圆从一个制程往下个制程进行时，图案晶圆检测系统可用来检测出晶圆上是否有瑕疵包括有微尘粒子、断线、短路、以及其它各式各样的问题。此外，对已印有电路图案的图案晶圆成品而言，则需要进行深次微米范围之瑕疵检测。
一般来说，图案晶圆检测系统系以白光或雷射光来照射晶圆表面。再由一或多组侦测器接收自晶圆表面绕射出来的光线，并将该影像交由高功能软件进行底层图案消除，以辨识并发现瑕疵。
（12）清洗技术
清洗的目的是去除金属杂质、有机物污染、微尘与自然氧化物；降低表面粗糙度；因此几乎所有制程之前或后都需要清洗。份量约占所有制程步骤的 30%。
二、我国大力发展晶圆制造，成全球建设高地
我国近年大力发展晶圆制造业。据 SEMI 统计，2017~2020 年全球计划兴建晶圆厂 62 座，其中 26 座将落户中国，占比达到 40%。
我国以中芯国际为首，也涌现出了如华虹半导体、福建晋华、晶合科技等优质厂商。但整体制程工艺技术水平与国外仍有不小的差距。目前台积电等领先厂商已在批量使用 14nm 制程，并已开发出 7nm、10nm 制程。我国由于技术原因，目前主要投资的是 28nm 制程。随着我国制造水平的不断提高，将继续往高端渗透。
晶圆制造是半导体制造业的核心制程，从广义上讲，其也包括单晶硅片制造环节。
图：晶圆制造流程图
（1）拉单晶
拉单晶就是通过单晶硅生长炉生长出硅单晶锭的过程。根据原理不同，拉单晶可以分为直拉法和区熔法两种。
直拉法是把装在坩埚里的多晶硅熔融后用一块硅单晶（常称仔晶或晶种）引导，慢慢提起，出坩埚部分凝固后就成为硅单晶体。
区熔法可分为水平区熔法和立式悬浮区熔法（简称 FZ 法）。前者用于锗、砷化镓等材料。后者用于硅，在气氛或真空炉室中，利用高频线圈在单晶籽晶和其上方悬挂的多晶硅棒的接触处产生熔区，然后使熔区向上移动进行单晶生长。由于硅熔体完全依靠其表面张力和高频电磁力的支托，悬浮于多晶棒与单晶之间，故称为悬浮区熔法。
区熔法由于不用坩埚，避免了来自坩埚的污染，而且还可以利用悬浮区熔进行多次提纯，所以单晶纯度高，更多用在集成电路上。直拉法对原料要求较低，成本更低，主要用于太阳能电池制备，也用于要求报告的微电子集成电路。
图：直拉法制单晶硅
图：区熔法制单晶硅
表：直拉法和区熔法比较
一般半导体用硅纯度要求达到小数点后6个9量级，大规模集成电路用硅需达到9个9量级，其生长与温度、速率、杂质等多项影响因素有关，技术要求极高。
（2）外形修整
单晶硅锭制造完成后通过磨外圆、切片、倒角、磨削或研磨、CMP（化学机械抛光），制成可用的硅片。
图：拉制成的硅锭和切成的硅片
（3）扩散
扩散是一种掺杂技术，指将所需杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中，以达到改变材料电学性能的目的。
扩散工艺由于高温扩散时间长、生产周期长、所需温度高等缺陷，半导体成品率低，质量和产量都不高。离子注入法所需温度低、易于精确控制、不收杂质固溶态限制，可以与扩散工艺的缺陷互补，将扩散工艺与离子注入结合是当前提高产品质量和生产效率的一种方式。
（4）薄膜淀积
薄膜淀积是芯片加工过程中至关重要的工艺步骤，通过淀积工艺可以在硅片上生长各种导电薄膜层和绝缘薄膜层。化学气相淀积（CVD）和物理气相淀积（PVD）是两类主要淀积方式。
CVD 是利用热能、电浆放电或紫外光等化学反应的方式，在反应器内将反应物（通常为气体）生成固态生成物，并在晶片表面沉积形成稳定固态薄膜的沉积技术。常见的 CVD 薄膜包括二氧化硅、氮化硅、多晶硅、耐火金属与这类金属的硅化物等。
CVD 是半导体制程中应用极为广泛的薄膜制成方法。介电材料、导体或半导体等薄膜材料几乎都用 CVD 技术完成。常用的 CVD 技术包括常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）、电浆辅助化学气相淀积（PECVD）等。
表：薄膜淀积方法比较
PVD 使用氩气等惰性气体，借由在高真空中将氩离子加速以撞击溅镀靶材后，将靶材原子溅击出来，并使被溅击出来的材质（通常为铝、钛或其合金）沉积到晶圆表面。
PVD 以真空、测射、离子化或离子束等方法使纯金属挥发，与碳化氢、氮气等气体作用，加热至 400～600℃（约 1～3 小时）后，蒸镀碳化物、氮化物、氧化物及硼化物等 1～10μm 厚之微细粒状薄膜，
PVD 可分为三种技术：(1)蒸镀（Evaporation）；(2)分子束磊晶成长（Molecular Beam Epitaxy；MBE）；(3)溅镀（Sputter）。
（5）光刻
光刻是将设计图形转换到感光胶下的薄膜层或硅晶上的过程，包括感光胶涂布、烘烤、光罩对准、曝光、显影等程序。
参考观研天下发布《2017-2022年中国晶圆代工产业发展态势及十三五盈利战略分析报告》
传统光刻机使用 193nm 波长光刻技术，但 193nm 浸没式光刻在 80nm 间距（40nm 半间距）已达到极限。从 22nm/20nm 制程开始，行业逐步采用多重图案化技术配合 193nm 浸没式光刻，将间距减小到 40nm 以下。为了提高生产效率、降低流程成本，EUV（超紫外）光刻技术逐步得到采用。
（6）刻蚀
刻蚀是将材料使用化学反应物理撞击作用而移出的过程，可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀。 湿法刻蚀是使用化学溶液，经过反应后达到刻蚀的目的。干法刻蚀是利用电浆撞击晶片产生的物理作用，或电浆中活性自由基与晶片表面原子间的化学反应达到刻蚀目的。
表：干法刻蚀与湿法刻蚀优缺点
（9）离子植入（Ion Implant）
离子植入技术可将掺质以离子型态植入半导体组件的特定区域上，以获得精确的电子特性。这些离子必须先被加速至具有足够能量与速度，以穿透（植入）薄膜，到达预定的植入深度。离子植入制程可对植入区内的掺质浓度加以精密控制。基本上，此掺质浓度（剂量）系由离子束电流（离子束内之总离子数）与扫瞄率（晶圆通过离子束之次数）来控制，而离子植入之深度则由离子束能量之大小来决定。
（10）化学机械研磨技术（CMP）
CMP 兼具有研磨性物质的机械式研磨与酸碱溶液的化学式研磨两种作用，可以使晶圆表面达到全面性的平坦化，以利后续薄膜沉积之进行。
在 CMP 制程的硬设备中，研磨头被用来将晶圆压在研磨垫上并带动晶圆旋转，至于研磨垫则以相反的方向旋转。在进行研磨时，由研磨颗粒所构成的研浆会被臵于晶圆与研磨垫间。影响 CMP 制程的变量包括有：研磨头所施的压力与晶圆的平坦度、晶圆与研磨垫的旋转速度、研浆与研磨颗粒的化学成份、温度、以及研磨垫的材质与磨损性等等。
（11）光罩检测（Retical 检查）
光罩是高精密度的石英平板，是用来制作晶圆上电子电路图像，以利集成电路的制作。光罩必须是完美无缺，才能呈现完整的电路图像，否则不完整的图像会被复制到晶圆上。光罩检测机台则是结合影像扫描技术与先进的影像处理技术，捕捉图像上的缺失。
当晶圆从一个制程往下个制程进行时，图案晶圆检测系统可用来检测出晶圆上是否有瑕疵包括有微尘粒子、断线、短路、以及其它各式各样的问题。此外，对已印有电路图案的图案晶圆成品而言，则需要进行深次微米范围之瑕疵检测。
一般来说，图案晶圆检测系统系以白光或雷射光来照射晶圆表面。再由一或多组侦测器接收自晶圆表面绕射出来的光线，并将该影像交由高功能软件进行底层图案消除，以辨识并发现瑕疵。
（12）清洗技术
清洗的目的是去除金属杂质、有机物污染、微尘与自然氧化物；降低表面粗糙度；因此几乎所有制程之前或后都需要清洗。份量约占所有制程步骤的 30%。
二、我国大力发展晶圆制造，成全球建设高地
我国近年大力发展晶圆制造业。据 SEMI 统计，2017~2020 年全球计划兴建晶圆厂 62 座，其中 26 座将落户中国，占比达到 40%。
图：全球规划建设晶圆厂数量
表：我国在运及在建待建晶圆厂列表
我国以中芯国际为首，也涌现出了如华虹半导体、福建晋华、晶合科技等优质厂商。但整体制程工艺技术水平与国外仍有不小的差距。目前台积电等领先厂商已在批量使用 14nm 制程，并已开发出 7nm、10nm 制程。我国由于技术原因，目前主要投资的是 28nm 制程。随着我国制造水平的不断提高，将继续往高端渗透。
表：全球晶圆制造企业排名
资料来源：观研天下整理，转载请注明出处（ZQ）
更多好文每日分享，欢迎关注公众号
【版权提示】观研报告网倡导尊重与保护知识产权。未经许可，任何人不得复制、转载、或以其他方式使用本网站的内容。如发现本站文章存在版权问题，烦请提供版权疑问、身份证明、版权证明、联系方式等发邮件至kf@chinabaogao.com，我们将及时沟通与处理。
