一文详解晶圆制造设计流程

  如今，我国集成电路发展的新趋势愈加迅速，晶圆制造成为了不可或缺的一部分，而我国投入大量研发产业的就属晶圆代工。具体来说，晶圆代工就是在硅晶圆上制作电路与电子组件，这个步骤为整个半导体产业链中技术最复杂，且资金投入最多的领域。

  以处理器为例，其所需处理步骤可达数百道，且各类加工机台先进又昂贵，动辄数千万美元起跳。而一个成熟的晶圆代工厂其设备投入占总设备比重在 70%～80% 之间。

  从晶圆制造来看，主要工序流程可分为氧化光刻—刻蚀—抛光—离子植入—沉积—金属化—测试。

  氧化：其目的是生成二氧化硅薄膜。用硅作为半导体原材料的主要的因素之一就是硅容易生长出二氧化硅膜层，这样在半导体上结合一层绝缘材料，就可用做掺杂阻挡层、表面绝缘层，及组件中的绝缘部分。

  气化炉市场主要以国际大厂为主，如 Themco、Centrotherm Thermal Solutions 等。而中国也有北方华创供应相关设备，目前中芯、华力微电子、长江存储等厂商已采用。此外，中电科 48 所、青岛旭光等在氧化炉方面也取得重大进展。市场预估氧化炉今明两年中国需求共约 20 亿美元。

  光刻：为整个晶圆代工流程中最重要的工序之一。其原理是在晶圆片表面覆盖一层具有高度光敏感性光阻剂，再用光线透过掩模照射在晶圆片表面，被光线照射到的光阻剂会发生反应，最终达到电路图的移转。

  目前全球光刻机龙头为 ASML，此外，德国 SUSS、日本尼康、美国 Ultratech 等也具备较强实力。中国方面则有不少光刻机制造厂，如上海微电子、中电科 45 所、中电科 48 所等，但主要技术在 65nm～28nm 间，与国际大厂实力相差一大段。市场预估今明两年中国光刻机需求分别达 38 亿美元与 51 亿美元。

  刻蚀：是通过光阻剂暴露区域来去掉晶圆最表层的工艺。大致上可以分为两大类：湿式刻蚀和干式刻蚀。简单区分，湿式刻蚀局限在 2 微米以上图形尺寸，而干式刻蚀则用在精细的先进电路中。

  刻蚀机目前国际上主要的供货商为应用材料、Lam Research 等。中国方面技术有慢慢追上的趋势，即将登录科创板的中微半导体，其自主研发的 5nm 等离子体刻蚀机经台积电(2330-TW) 验证，将用于全球首条 5nm 制程生产线nm 技术有所突破。市场预估今明两年中国刻蚀机需求分别达 15 亿美元与 20 亿美元。

  抛光：可以使晶圆表面达到全面性的平坦化，以利后续薄膜沉积工序。美国应用材料、Rtec 等均为国际上主要供货商，中国则有中电科装备、盛美半导体等。但陆厂的产品才刚打入 8 寸晶圆厂中，12 寸的相关设备还在研发，明显与国际大厂有实力上的差距。市场预计今明两年中国抛光机需求将达 3.77 亿美元与 5.11 亿美元。

  离子植入：其是用来控制半导体中杂质量的关键程序，对半导体表面附近区域进行掺杂技术。优点是杂质量的精确控制，杂质分布的再重整，及低温下操作。

  离子植入机主要的供厂商为 AMAT，中国部份只有中电科电子装备公司能供应。市场预计今明两年中国离子植入机需求可达 5 亿美元与 7 亿美元。

  沉积：PVD 沉积为一种物理制程，此技术通常用氩等惰性气体，藉由在高真空中将氩离子以加速撞击溅镀靶材后，将靶材原子一个个溅击出来，使被溅击 出来的材质沉积在晶圆表面。

  薄膜沉积设备主要的供货商包含应用材料、Vaportech、Lam Research、ASM、 Tokki 等。而中国相关设备制造厂有北方华创、沈阳拓荆等。北方华创是中国薄膜沉积设备龙头，目前技术已达到 14nm。市场预计今明两年中国薄膜沉积设备需求可达 15 亿美元与 20 亿美元。

  测试：在晶圆完成制造之前，会有一道晶圆中测工序。在测试过程中，会检测每一个芯片的电路功能。

  晶圆中测检测设备包括 CDSEM（扫描电镜）、AOI（自动光学检测机）等。中国在这领域只是起步阶段，该产业主要由国际大厂所把持，如 KLA-Tencor、应用材料、Hitachi、Rudolph、Camtek 等。

  从上述可看出，各晶圆制造设备中以光刻机、刻蚀机和薄膜沉积设备的产值最大，生产难度也最高。除了刻蚀机，中微半导体顺利成为台积电供应名单的一员外，光刻机与薄膜沉积等等的半导体设备，中国厂技术离国际大厂还有一段差距，且短期仍不易追近。

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  德意志银行日前发布专题报告，详细分析了本轮半导体景气周期成因及未来走向。 通过对1977年以来半导体产业数据的回顾，德银认为，全球贸易周期与生产商、下游客户行为，形成了产业宏观数据的周期涨落，90年代后，该行业已形成平均为27.7个月的商业周期，而本轮景气周期自2019年10月以来已持续29个月，超出常规周期。 德银分析称，本轮半导体超级周期源于数字化、新冠疫情与地理政治学三大因素共振，维持的时间有望超过2005-2008年38个月的超长景气。 进一步展望后市，德银认为，行业当前的产能扩张较历史上有更大风险，因更先进支撑所需的投资在快速抬升，90年代末期该行业营收与资本支出的比值为7，现在已降至4以下，这在某种程度上预示着一旦对未来需求预测有

  超级周期有三大推动因素，周期拐点将在2023年到来 /

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  受物联网、个人设备、数据中心的强劲带动，未来五年， 人工智能 为 半导体 带来的收益将增长13倍以上，年复合增长率超过50%，成为集成电路厂商不可错过的蓝海盛宴。   尤其在以下这几个领域，半导体供应商可以积极寻求为AI训练开发新器件并由此获得新商机。   工作负载加速器。目前，基于GPU的系统正在许多训练系统中使用。然而，随着研发人员获得神经网络算法的经验，对替代计算架构的需求可能随着针对特定神经网络模型的器件需求而演变。许多半导体供应商正在开发专用的AI加速器，例如，Intel Crest系列新产品和Graphcore的智能处理单元（IPU）。谷歌还开发了自己的基于专用集成电路（ASIC）的解决方案，一款已进入第二代的张量处

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