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tội có bạc online:半导体设备和材料处于上游,别样方式讲解它们的功能和国内外厂商

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当听到“半导体”这个词时,你会想到什么?它听起来复杂且遥远,但其实已经渗透到我们生活的各个方面:从智能手机、笔记本电脑、信用卡到地铁,我们日常生活所依赖的各种物品都用到了半导体。


半导体设备和材料处于产业链的上游,是推动技术进步的关键环节。半导体设备和材料应用于集成电路、LED等多个领域,其中以集成电路的占比和技术难度最高。


那么,半导体行业的发展经历了哪几个时代?半导体的制造工艺是怎么样的?半导体的制造过程中涉及哪些材料和设备有哪些?国内外的厂商又有哪些?


Part 1


半导体发展的四个时代


台积电的 Suk Lee 发表了题为“摩尔定律和半导体行业的第四个时代”的主题演讲。Suk Lee表示,任何试图从半导体行业传奇而动荡的历史中发掘出一些意义的事情都会引起我的注意。正如台积电所解释的那样,半导体行业第四个时代的主旨就是合作。让我们来仔细看看这个演讲的内容。


半导体的第一个时代——IDM


最初,晶体管是在贝尔实验室发明的,紧接着,德州仪器 (TI)做出了第一个集成电路。当仙童半导体开发出第一个单片式集成电路时,事情开始变得非常有趣了。看一看下面这张由计算机历史博物馆提供的照片,它展示了一些参与这一开创性工作的早期先驱(我们称其为八叛逆)。请注意,照片中的每个人都穿着夹克,打着领带,这可是当年半导体弄潮儿的标配。



于是,第一个半导体时代诞生了——集成器件制造商时代,简称IDM。在这个时代,IDM包揽所有工作—芯片设计、基础设施、芯片的实现和制造工艺。我是在一家面向IDM 的基础设施领域、名为 RCA 的公司开始自己的职业生涯的。Suk 在演讲中指出,在 IDM 时代,集成和发明是相辅相成的。创造一些全新事物的机会,总是非常令人兴奋。定制芯片是 IDM 的主要领域。他们拥有完成这项工作所需的所有基础设施、技术和人员。因此,定制芯片这个工作仅限于 IDM 或有足够资金资助 IDM 进行大规模开发的公司。随着后来,当我们开始进入第二个半导体时代时,这一切都改变了。


第二个半导体时代——ASIC


LSI Logic 和 VLSI Technology 等公司是这一历史阶段的先驱。现在,ASIC 供应商向所有人提供了设计基础设施、芯片实施和工艺技术。在这个阶段,半导体行业开始出现分化。有了设计限制,出现了一个更广泛的工程师社区,它们可以设计和构建定制芯片。技术开始变得民主化、大众化,世界从此变得不一样了。


半导体的第三个时代——代工


从本质上来看,第三个时代是第二个时代成熟的必然结果。集成电路设计和制造的所有步骤都开始变得相当具有挑战性。建立起一个生态系统,让每家公司都能够专注于他们的核心竞争力,这是管理复杂性的一个好方法。这就是第三个时代所发生的事情。芯片的设计和实施由无晶圆厂半导体公司负责,设计基础设施由 EDA 公司负责,工艺技术则交给代工厂来开发和交付。台积电是这一阶段的关键先驱。


半导体的第四个时代——开放式创新平台


仔细观察,我们即将回到原点。随着半导体行业的不断成熟,工艺复杂性和设计复杂性开始呈爆 炸式增长。工艺技术、EDA、IP 和设计方法之间深奥而微妙的相互作用对于与分解的供应链进行协调变得非常具有挑战性。台积电也是这个时代的先驱。


台积电意识到分解生态系统的各个部分之间需要大量的协调和沟通。需要一种将各个部分更紧密地结合在一起以促进更好协作的方法。因此,台积电开发了开放式创新平台,或称OIP。他们很早就开始了这项工作,刚开始这项工作时, 65 nm 还是前沿工艺。今天,OIP已经成长为一个强大而充满活力的生态系统。


台积电提供的基础设施为改进协作和协调铺平了道路,在其成员之间创建了一个虚拟 IDM。对台积电的客户来说,开放式创新平台提供了整合模型和分解模型中最好的选择。它改变了半导体行业的轨迹,为台积电提供了实质性的竞争优势。


这种模式可以带来很多好处。执行设计技术协同优化 (DTCO) 的能力非常有用。下图展示了台积电 OIP 的覆盖广度。先进的半导体技术需要一个生态村,一个大生态村。为了帮助您理解一些首字母缩略词,DCA 代表设计中心联盟,VCA 代表价值链聚合器。


半导体一路走来,走到现在这个阶段,是非常具有挑战性和令人兴奋的。台积电引领了两个半导体时代,我们的生活也因此变得更好了。我期待着半导体增长的下一阶段以及它可能带我们走向何方。请记住,半导体的第四个时代的主旨就是协作。


Part 2


IC制造工艺流程及其所需设备和材料


半导体产品的加工过程主要包括晶圆制造(前道,Front-End)和封装(后道,Back-End)测试,随着先进封装技术的渗透,出现介于晶圆制造和封装之间的加工环节,称为中道(Middle-End)。


由于半导体产品的加工工序多,所以在制造过程中需要大量的半导体设备和材料。在这里,我们以最为复杂的晶圆制造(前道)和传统封装(后道)工艺为例,说明制造过程所需要的设备和材料。


晶圆生产线可以分成7个独立的生产区域:扩散(Thermal Process)、光刻(Photo- lithography)、刻蚀(Etch)、离子注入(Ion Implant)、薄膜生长(Dielectric Deposition)、抛光(CMP)、金属化(Metalization)。


这7个主要的生产区域和相关步骤以及测量等都是在晶圆洁净厂房进行的。在这几个生产区都放置有若干种半导体设备,满足不同的需要。例如在光刻区,除了光刻机之外,还会有配套的涂胶/显影和测量设备。


IC晶圆生产线的主要生产区域及所需设备和材料


传统封装(后道)测试工艺可以大致分为背面减薄、晶圆切割、贴片、引线键合、模塑、电镀、切筋/成型和终测等8个主要步骤。与IC晶圆制造(前道)相比,后道封装相对简单,技术难度较低,对工艺环境、设备和材料的要求也低于晶圆制造。


Part 3


主要半导体设备及所用材料


01氧化炉


设备功能:为半导体材料进行氧化处理,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,是半导体加工过程的不可缺少的一个环节。


所用材料:硅片、氧气、惰性气体等。


国外主要厂商:英国Thermco公司、德国Centrothermthermal Solutions GmbH Co.KG公司等。


国内主要厂商:七星电子、青岛福润德、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等。


02PVD(物理气相沉积)


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。


所用材料:靶材、惰性气体等。


国外主要厂商:美国应用材料公司、美国PVD公司、美国Vaportech公司、英国Teer公司、瑞士Platit公司、德国Cemecon公司等。


国内主要厂商:北方微电子、北京仪器厂、沈阳中科仪器、中国电子科技集团第四十八所、科睿设备有限公司等。


03PECVD


设备功能:在沉积室利用辉光放电,使反应气体电离后在衬底上进行化学反应,沉积半导体薄膜材料。


所用材料:特种气体(前驱物、惰性气体等)。


国外主要厂商:美国Proto Flex公司、日本Tokki公司、日本岛津公司、美国泛林半导体(Lam Research)公司、荷兰ASM国际公司等。


国内主要厂商:北方微电子、中国电子科技集团第四十五所、北京仪器厂等。


04MOCVD


设备功能:以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。


所用材料:特种气体(MO源、惰性气体等)。


国外主要厂商:德国Aixtron爱思强公司、美国Veeco公司等。


国内主要厂商:中微半导体、中晟光电、理想能源设备等。



05光刻机


设备功能:将掩膜版上的图形转移到涂有光刻胶的衬底(硅片)上,致使光刻发生反应,为下一步加工(刻蚀或离子注入)做准备。


所需材料:光刻胶等


国外主要公司:荷兰阿斯麦(ASML)公司、日本尼康公司、日本Canon公司、美国ABM公司、德国SUSS公司、美国Ultratech公司、奥地利EVG公司等。


国内主要公司:上海微电装备(SMEE)、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、成都光机所等。


06涂胶显影机


设备功能:与光刻机联合作业,首先将光刻胶均匀地涂到晶圆上,满足光刻机的工作要求;然后,处理光刻机曝光后的晶圆,将曝光后的光刻胶中与紫外光发生化学反应的部分除去或保留下来。


所用材料:光刻胶、显影液等。


国外主要厂商:日本TEL、德国SUSS、奥地利EVG等。


国内主要厂商:沈阳芯源等。


07检测设备


检测设备包括CDSEM、OVL、AOI、膜厚等。


设备功能:通过表征半导体加工中的形貌与结构、检测缺陷,以达到监控半导体加工过程,提高生产良率的目的。


所用材料:特种气体等。


国外主要厂商:美国的KLA-Tencor、美国应用材料、日本Hitachi、美国Rudolph公司、以色列Camtek公司等。


国内主要公司:上海睿励科学仪器等。


08干法刻蚀机


设备功能:平板电极间施加高频电压,产生数百微米厚的离子层,放入式样,离子高速撞击式样,实现化学反应刻蚀和物理撞击,实现半导体的加工成型。


所用材料:特种气体等。


国外主要厂商:美国应用材料公司、美国Lam Research公司、韩国JuSung公司、韩国TES公司等。


国内主要公司:中微半导体、北方微电子、中国电子科技集团第四十八所等。


09CMP(化学机械研磨)


设备功能:通过机械研磨和化学液体溶解“腐蚀”的综合作用,对被研磨体(半导体)进行研磨抛光。


所用材料:抛光液、抛光垫等。


国外主要厂商:美国Applied Materials公司、美国Rtec公司等。


国内主要厂商:华海清科、盛美半导体、中电45所等。


10晶圆键合机


设备功能:将两片晶圆互相结合,并使表面原子互相反应,产生共价键合,合二为一,是实现3D晶圆堆叠的重要设备。


所用材料:键合胶等。


国外主要厂商:德国SUSS、奥地利EVG等。


国内主要厂商:苏州美图、上海微电子装备。


11湿制程设备


湿制程设备包括了电镀、清洗、湿法刻蚀等。


设备功能:


1)电镀设备:将电镀液中的金属离子电镀到晶圆表面,以形成金属互连;


2)清洗设备:去除晶圆表面的残余物、污染物等;


3)湿法刻蚀设备:通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应将被刻蚀物质剥离下来。


所用材料:电镀液、清洗液、刻蚀液等。


国外主要厂商:日本DNS、美国应用材料、美国Mattson(已被北京亦庄国投收购)公司等。


国内主要厂商:盛美半导体、上海新阳、沈阳芯源、苏州伟仕泰克等。


12离子注入


设备功能:对半导体材料表面附近区域进行掺杂。


所用材料:特种气体等。


国外主要厂商:美国AMAT公司等。


国内主要厂商:中国电子科技集团第四十八所、中科信等。



13晶圆测试(CP)系统


设备功能: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。


所用材料:NA。


国外主要厂商:爱德万测试、泰瑞达等。


国内主要厂商:北京华峰测控、上海宏测、绍兴宏邦、杭州长川科技、中电45所等。


14晶圆减薄机


设备功能:通过抛磨,把晶圆厚度减薄。


所用材料:研磨液等。


国外主要厂商:日本DISCO公司、日本OKAMOTO公司、以色列Camtek公司等。


国内主要厂商:北京中电科、兰州兰新高科技产业股份有限公司等。


15晶圆划片机


设备功能:把晶圆切割成小片的Die。


所用材料:划片刀、划片液等。


国外主要厂商:日本DISCO公司等。


国内主要厂商:中国电子科技集团第四十五所、北京中电科、北京科创源光电技术有限公司、沈阳仪器仪表工艺研究所等。


16引线键合机


设备功能:把半导体芯片上的Pad与管脚上的Pad,用导电金属线(金丝)链接起来。


所用材料:金属丝等。


国外主要厂商:ASM等。


国内主要厂商:中国电子科技集团第四十五所、北京中电科等。




来源:克洛智动未来,泛林,EETOP半导体社区

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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