“芯”製造——集成電路製造技術鏈
趙巍勝 王新河 林曉陽 等
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商品描述
本書立足集成電路製造業，以全方位視角，按產業鏈上游、中游、下游逐級剖析，採用分形理論框架，系統地繪制出集成電路製造業的立體知識樹。在內容組織方面，本書以實際應用為導向，涵蓋集成電路設計、生產製造及封裝測試三大關鍵環節，聚焦芯片的尖端製造技術和先進封裝技術，以分形邏輯詳細介紹產業鏈的每一個環節。
本書共 12 章。第 1 章為緒論，簡要介紹集成電路製造技術的發展歷程，集成電路製造業的概況、產業鏈結構與特點，以及發展趨勢。第 2 章～第 10 章深入探討先進製造的工藝與設備，首先具體介紹芯片製造的單項工藝、關鍵材料、系統工藝，以及芯片設計與工藝的協同優化，隨後詳細介紹光刻機、沉積與刻蝕設備、化學機械拋光，以及其他關鍵工藝設備與工藝量檢測設備。第 11 章、第12章分別介紹芯片封裝與測試，以及先進封裝與集成芯片製造技術。
本書可供集成電路、微電子、電子科學與技術等相關專業的研究生和高年級本科生學習，也可供相關專業高校教師和集成電路行業的研究人員、工程師等閱讀。
作者簡介
趙巍勝，中國科學技術協會第十屆全國委員會常務委員會委員、第八屆教育部科學技術委員會委員、北京航空航天大學副校長、自旋芯片與技術全國重點實驗室常務副主任、“空天信自旋電子技術”工業和信息化部重點實驗室主任、《集成電路與嵌入式系統》期刊主編。2019年入選IEEE Fellow，2020年入選教育部“長江學者獎勵計劃”，2021年獲科學探索獎和中國電子學會科學技術獎（自然科學）一等獎，2022年獲華為奧林帕斯先鋒獎，2023年獲中國儀器儀表學會科學技術獎技術發明一等獎，2020—2022年連續入選愛思唯爾“ 中國高被引學者” ， 曾擔任國際會議IEEE/ACM NANOARCH 2016及ACM GLSVLSI 2020的大會主席。
2007年獲法國巴黎南大學（現巴黎薩克雷大學）物理學博士學位，2009年任法國國家科學院研究員（終身職位），2013年入職北京航空航天大學。長期從事自旋電子學、新型信息器件、新型非易失存儲器等領域的交叉研究，取得了一系列原創性研究成果。2018—2023年間，共發表ESI 高被引論文15篇，總被引超過20000次，H因子76；獲150餘項發明專利授權，知識產權轉讓或授權使用50餘項。
目錄大綱
第 1 章 緒論................................................................................................................................ 1
本章重點................................................................................................................................ 1
1.1 集成電路技術發展歷程................................................................................................ 1
1.2 現代集成電路製造業概況............................................................................................ 6
1.3 集成電路製造業產業鏈結構與特點............................................................................ 7
1.4 集成電路製造業發展趨勢............................................................................................ 8
第 2 章 芯片製造的單項工藝................................................................................................... 12
本章重點.............................................................................................................................. 12
2.1 熱氧化工藝................................................................................................................. 13
2.1.1 熱氧化機理與工藝........................................................................................... 13
2.1.2 熱氧化工藝中SiO2 的性質及用途.................................................................. 15
2.1.3 氧化層的質量檢測........................................................................................... 16
2.2 圖形化工藝................................................................................................................. 17
2.2.1 光刻原理與工藝............................................................................................... 17
2.2.2 刻蝕原理及工藝............................................................................................... 19
2.2.3 圖形化工藝流程............................................................................................... 23
2.2.4 多重圖形技術.................................................................................................. 24
2.2.5 新型圖形化技術：納米壓印光刻................................................................... 27
2.3 摻雜工藝..................................................................................................................... 29
2.3.1 摻雜原理.......................................................................................................... 29
2.3.2 熱擴散摻雜...................................................................................................... 29
2.3.3 離子註入摻雜.................................................................................................. 31
2.4 薄膜沉積工藝............................................................................................................. 33
2.4.1 CVD.................................................................................................................. 34
2.4.2 PVD .................................................................................................................. 36
2.4.3 ALD .................................................................................................................. 38
2.4.4 其他薄膜沉積技術........................................................................................... 39
2.4.5 芯片製造中的薄膜........................................................................................... 40
2.5 互連工藝..................................................................................................................... 43
2.5.1 互連工藝概述.................................................................................................. 44
2.5.2 鋁互連工藝...................................................................................................... 48
2.5.3 銅互連工藝...................................................................................................... 48
2.6 輔助性工藝................................................................................................................. 50
2.6.1 清洗工藝.......................................................................................................... 50
2.6.2 CMP.................................................................................................................. 52
2.6.3 晶圓檢測技術.................................................................................................. 54
2.7 本章小結..................................................................................................................... 54
思考題.................................................................................................................................. 55
參考文獻.............................................................................................................................. 55
第3 章 芯片製造的關鍵材料................................................................................................... 57
本章重點.............................................................................................................................. 57
3.1 硅晶圓材料................................................................................................................. 58
3.1.1 半導體材料的發展........................................................................................... 58
3.1.2 硅襯底材料...................................................................................................... 59
3.1.3 硅晶圓材料與制備工藝................................................................................... 60
3.1.4 硅晶圓材料市場發展現狀............................................................................... 63
3.2 寬禁帶半導體材料..................................................................................................... 64
3.2.1 SiC 材料及製造工藝........................................................................................ 64
3.2.2 GaN 材料及製造工藝...................................................................................... 69
3.2.3 寬禁帶半導體材料的應用成果....................................................................... 72
3.2.4 寬禁帶半導體材料的發展趨勢及關鍵問題................................................... 74
3.3 工藝耗材..................................................................................................................... 75
3.3.1 電子特氣.......................................................................................................... 75
3.3.2 靶材.................................................................................................................. 79
3.3.3 光刻膠.............................................................................................................. 81
3.3.4 掩模版.............................................................................................................. 84
3.3.5 顯影液.............................................................................................................. 86
3.4 輔助性材料................................................................................................................. 87
3.4.1 拋光液.............................................................................................................. 88
3.4.2 濕法刻蝕液...................................................................................................... 90
3.4.3 電鍍液.............................................................................................................. 91
3.5 本章小結..................................................................................................................... 92
思考題.................................................................................................................................. 93
參考文獻.............................................................................................................................. 93
第4 章 芯片製造的系統工藝................................................................................................... 95
本章重點.............................................................................................................................. 95
4.1 邏輯芯片系統工藝..................................................................................................... 95
4.1.1 基於CMOS 的系統工藝................................................................................. 96
4.1.2 SOI 工藝......................................................................................................... 100
4.1.3 先進邏輯工藝................................................................................................ 104
4.1.4 SoC 工藝......................................................................................................... 108
4.2 存儲芯片系統工藝....................................................................................................110
4.2.1 DRAM 工藝....................................................................................................111
4.2.2 Flash 工藝........................................................................................................114
4.2.3 新型非易失性存儲器工藝..............................................................................117
4.3 特色工藝................................................................................................................... 120
4.3.1 模擬集成電路工藝......................................................................................... 121
4.3.2 功率器件工藝................................................................................................ 123
4.3.3 MEMS 工藝.................................................................................................... 124
4.4 本章小結................................................................................................................... 128
思考題................................................................................................................................ 128
參考文獻............................................................................................................................ 128
第5 章 芯片設計與工藝的協同優化..................................................................................... 131
本章重點............................................................................................................................ 131
5.1 芯片設計................................................................................................................... 131
5.1.1 芯片設計產業概述......................................................................................... 131
5.1.2 “分久而合”：芯片設計和製造的產業發展歷程及趨勢............................. 132
5.1.3 芯片設計流程綜述......................................................................................... 134
5.1.4 芯片設計工具................................................................................................ 136
5.1.5 從芯片設計到芯片製造................................................................................. 137
5.2 面向芯片工藝的可製造性設計................................................................................ 142
5.2.1 DFM................................................................................................................ 142
5.2.2 面向避免隨機性製造缺陷的芯片設計......................................................... 143
5.2.3 面向避免系統性製造缺陷的芯片設計......................................................... 145
5.2.4 面向DFM 的EDA 工具................................................................................ 147
5.3 設計與工藝的協同優化............................................................................................ 149
5.3.1 工藝流程建立過程中的DTCO..................................................................... 149
5.3.2 芯片設計中的DTCO..................................................................................... 155
5.3.3 面向DTCO 的EDA 工具.............................................................................. 166
5.3.4 STCO 與趨勢展望......................................................................................... 167
5.4 本章小結................................................................................................................... 169
思考題................................................................................................................................ 169
參考文獻............................................................................................................................ 169
第6 章 光刻機........................................................................................................................ 171
本章重點............................................................................................................................ 171
6.1 概論........................................................................................................................... 171
6.2 光刻機的發展歷程................................................................................................... 172
6.2.1 接近/接觸式光刻機........................................................................................ 174
6.2.2 投影式光刻機................................................................................................ 175
6.2.3 掃描/步進式投影光刻機................................................................................ 176
6.2.4 光刻分辨率的原理及提升............................................................................. 177
6.3 光刻機的產業應用................................................................................................... 179
6.3.1 光刻機的工藝製程......................................................................................... 179
6.3.2 前道光刻機應用............................................................................................. 180
6.3.3 後道光刻機應用............................................................................................. 181
6.3.4 其他工藝光刻機應用..................................................................................... 182
6.4 光刻機的整機系統................................................................................................... 183
6.4.1 光刻機的基本結構......................................................................................... 184
6.4.2 光刻機的性能指標......................................................................................... 184
6.4.3 光刻機的技術挑戰......................................................................................... 187
6.5 光刻機的光源........................................................................................................... 188
6.5.1 汞燈光源........................................................................................................ 189
6.5.2 準分子激光器................................................................................................ 190
6.6 光刻機的工作台系統................................................................................................ 192
6.6.1 工件台/掩模台系統........................................................................................ 192
6.6.2 工件台/測量台系統........................................................................................ 194
6.7 光刻機的其他關鍵子系統........................................................................................ 194
6.7.1 照明系統........................................................................................................ 195
6.7.2 投影物鏡系統................................................................................................ 197
6.7.3 調焦調平系統................................................................................................ 199
6.7.4 對準系統........................................................................................................ 200
6.7.5 光刻機環境控制系統..................................................................................... 201
6.8 計算光刻................................................................................................................... 202
6.8.1 光學鄰近效應校正......................................................................................... 202
6.8.2 光源掩模協同優化......................................................................................... 204
6.8.3 反演光刻........................................................................................................ 205
6.9 EUV 光刻機技術...................................................................................................... 206
6.9.1 EUV 光刻原理............................................................................................... 207
6.9.2 EUV 光刻機系統與關鍵技術........................................................................ 207
6.9.3 EUV 光刻機軟件及計算光刻.........................................................................211
6.9.4 EUV 光刻技術路線與挑戰............................................................................ 212
6.9.5 EUV 光刻機產業圖譜................................................................................... 213
6.10 本章小結................................................................................................................. 214
思考題................................................................................................................................ 214
參考文獻............................................................................................................................ 214
第7 章 沉積與刻蝕設備........................................................................................................ 217
本章重點............................................................................................................................ 217
7.1 沉積設備................................................................................................................... 217
7.1.1 CVD 設備的類型與應用............................................................................... 219
7.1.2 PVD 設備的類型與應用................................................................................ 222
7.1.3 ALD 設備的類型與應用................................................................................ 227
7.1.4 先進沉積設備的發展趨勢............................................................................. 231
7.2 等離子體刻蝕設備................................................................................................... 232
7.2.1 CCP 刻蝕設備與應用.................................................................................... 234
7.2.2 ICP 刻蝕設備與應用..................................................................................... 235
7.2.3 其他刻蝕設備................................................................................................ 237
7.2.4 先進刻蝕設備的發展趨勢............................................................................. 239
7.3 沉積與刻蝕設備的核心子系統................................................................................ 241
7.3.1 真空系統........................................................................................................ 241
7.3.2 熱管理與溫度控制系統................................................................................. 246
7.3.3 氣體流量控制系統......................................................................................... 248
7.3.4 晶圓傳送系統................................................................................................ 249
7.3.5 射頻電源及其匹配系統................................................................................. 251
7.3.6 原位監測系統................................................................................................ 252
7.3.7 其他關鍵組件................................................................................................ 255
7.4 技術供應................................................................................................................... 256
7.4.1 AMAT............................................................................................................. 256
7.4.2 泛林集團........................................................................................................ 257
7.4.3 國內半導體設備公司..................................................................................... 258
7.4.4 MKS................................................................................................................ 258
7.4.5 Edwards .......................................................................................................... 259
7.4.6 Advanced Energy............................................................................................ 260
7.4.7 國內零部件公司............................................................................................. 260
7.5 本章小結................................................................................................................... 260
思考題................................................................................................................................ 260
參考文獻............................................................................................................................ 261
第8 章 化學機械拋光............................................................................................................ 262
本章重點............................................................................................................................ 262
8.1 拋光的基本概念與定性術語.................................................................................... 262
8.1.1 拋光的基本概念............................................................................................. 262
8.1.2 拋光的層次.................................................................................................... 263
8.2 拋光的應用場景與分類............................................................................................ 264
8.2.1 拋光的應用場景............................................................................................. 265
8.2.2 非機械拋光.................................................................................................... 266
8.2.3 機械拋光........................................................................................................ 268
8.2.4 CMP 的發展歷程........................................................................................... 272
8.3 化學機械拋光........................................................................................................... 273
8.3.1 CMP 的工藝原理........................................................................................... 273
8.3.2 CMP 的質量評價指標................................................................................... 274
8.3.3 CMP 的質量影響因素與關鍵工藝參數........................................................ 275
8.3.4 溫度控制........................................................................................................ 276
8.3.5 壓力控制........................................................................................................ 276
8.3.6 轉速控制........................................................................................................ 277
8.3.7 終點檢測........................................................................................................ 277
8.3.8 CMP 後清洗................................................................................................... 279
8.3.9 CMP 的優缺點............................................................................................... 280
8.4 CMP 的設備與耗材.................................................................................................. 280
8.4.1 設備組成........................................................................................................ 280
8.4.2 拋光液............................................................................................................ 281
8.4.3 拋光墊............................................................................................................ 284
8.4.4 設備市場及主流廠商..................................................................................... 285
8.5 CMP 的應用.............................................................................................................. 287
8.6 CMP 的質量測量與故障排除.................................................................................. 288
8.7 本章小結................................................................................................................... 291
思考題................................................................................................................................ 292
參考文獻............................................................................................................................ 292
第9 章 其他關鍵工藝設備.................................................................................................... 294
本章重點............................................................................................................................ 294
9.1 離子註入機............................................................................................................... 294
9.1.1 概述................................................................................................................ 294
9.1.2 離子註入機的發展現狀................................................................................. 295
9.1.3 離子註入機的工作原理................................................................................. 296
9.1.4 關鍵組成與技術............................................................................................. 296
9.2 熱處理設備............................................................................................................... 300
9.2.1 概述................................................................................................................ 300
9.2.2 發展現狀與未來趨勢..................................................................................... 303
9.2.3 關鍵組件與技術............................................................................................. 305
9.2.4 主要原材料與零部件..................................................................................... 310
9.3 清洗設備....................................................................................................................311
9.3.1 概述.................................................................................................................311
9.3.2 發展現狀與未來趨勢......................................................................................311
9.3.3 關鍵技術........................................................................................................ 312
9.3.4 主要原材料與零部件..................................................................................... 313
9.4 本章小結................................................................................................................... 315
思考題................................................................................................................................ 315
參考文獻............................................................................................................................ 315
第 10 章 工藝量檢測設備...................................................................................................... 317
本章重點............................................................................................................................ 317
10.1 應用場景與基本分類.............................................................................................. 317
10.2 基本技術內涵......................................................................................................... 319
10.2.1 工藝量檢測原理........................................................................................... 319
10.2.2 量測類設備.................................................................................................. 331
10.2.3 缺陷檢測原理............................................................................................... 341
10.2.4 缺陷檢測類設備........................................................................................... 345
10.3 上游關鍵技術......................................................................................................... 347
10.3.1 運動控制與定位技術................................................................................... 347
10.3.2 激光器.......................................................................................................... 348
10.3.3 電子源.......................................................................................................... 349
10.3.4 X 射線源....................................................................................................... 352
10.3.5 離子源.......................................................................................................... 352
10.3.6 光學散射中的正問題與逆問題................................................................... 353
10.4 技術供應................................................................................................................. 355
10.4.1 國際情況...................................................................................................... 355
10.4.2 國內情況...................................................................................................... 355
10.5 本章小結................................................................................................................. 356
思考題................................................................................................................................ 356
參考文獻............................................................................................................................ 357
第 11 章 芯片封裝與測試....................................................................................................... 358
本章重點............................................................................................................................ 358
11.1 封裝與測試的技術類型與應用.............................................................................. 358
11.1.1 封裝的類型與基本分類............................................................................... 359
11.1.2 測試的應用場景與基本分類....................................................................... 361
11.2 封裝工藝................................................................................................................. 363
11.2.1 減薄劃切工藝............................................................................................... 363
11.2.2 引線鍵合工藝............................................................................................... 366
11.2.3 倒裝焊工藝................................................................................................... 367
11.2.4 其他工藝....................................................................................................... 369
11.3 封裝設備................................................................................................................. 370
11.3.1 減薄劃切設備............................................................................................... 370
11.3.2 引線鍵合設備............................................................................................... 372
11.3.3 倒裝焊設備................................................................................................... 373
11.3.4 其他設備....................................................................................................... 374
11.4 測試設備................................................................................................................. 377
11.4.1 測試機........................................................................................................... 377
11.4.2 分選機........................................................................................................... 378
11.4.3 探針台........................................................................................................... 378
11.4.4 封裝質檢設備............................................................................................... 379
11.5 封裝工藝材料.......................................................................................................... 381
11.5.1 封裝基板材料............................................................................................... 381
11.5.2 芯片黏結材料............................................................................................... 382
11.5.3 熱界面材料................................................................................................... 383
11.5.4 包封保護材料............................................................................................... 385
11.6 技術供應................................................................................................................. 386
11.6.1 封測技術情況............................................................................................... 386
11.6.2 封裝設備供給情況....................................................................................... 386
11.6.3 測試設備供給情況....................................................................................... 387
11.6.4 封裝材料供給情況....................................................................................... 387
11.7 本章小結................................................................................................................. 388
思考題................................................................................................................................ 388
參考文獻............................................................................................................................ 388
第 12 章 先進封裝與集成芯片製造技術............................................................................... 390
本章重點............................................................................................................................ 390
12.1 先進封裝技術......................................................................................................... 390
12.1.1 先進封裝的概念........................................................................................... 390
12.1.2 先進封裝的類型........................................................................................... 392
12.1.3 先進封裝的應用........................................................................................... 394
12.2 先進封裝的設計要素.............................................................................................. 394
12.2.1 先進封裝的總體設計................................................................................... 395
12.2.2 電性能優化設計........................................................................................... 396
12.2.3 熱性能優化設計........................................................................................... 398
12.2.4 機械性能優化設計....................................................................................... 399
12.3 先進封裝工藝及相關設備...................................................................................... 400
12.3.1 RDL 工藝及相關設備.................................................................................. 401
12.3.2 TSV 工藝、TGV 工藝及相關設備............................................................. 406
12.3.3 鍵合工藝及相關設備................................................................................... 413
12.3.4 激光精密加工及相關設備........................................................................... 418
12.3.5 等離子錶面改性及去膠設備....................................................................... 421
12.4 先進封裝材料及設備耗材...................................................................................... 425
12.4.1 先進封裝中介層........................................................................................... 425
12.4.2 硅通孔界面材料........................................................................................... 426
12.4.3 電鍍材料...................................................................................................... 429
12.4.4 臨時鍵合膠.................................................................................................. 431
12.5 本章小結................................................................................................................. 433
思考題................................................................................................................................ 433
參考文獻............................................................................................................................ 433
