半导体行业界定及工艺梳理

赵敏 0 2023-04-21

分享到

从原材料到一颗芯片制作完成，要经过芯片设计、晶片制造、封装、测试四个环节。本文将对半导体行业进行界定及工艺梳理。

半导体从纯物理的角度上来讲，是一种在常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。是一类材料的统称。常见的半导体材料有硅、锗、硒、砷化镓等，其中硅是当仁不让最有影响力的半导体材料。我们日常所说的半导体是指半导体材料在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明应用、大功率电源转换等领域的应用。

而半导体材料在大规模集成电路中的应用就是我们通常所说的集成电路芯片。可以说，芯片是我们一切现代生活的基础，是现代科技的一个基础赛道。在我们的生活中，从电视机到手机、从汽车到电脑，只要我们能够想到的涉及现代生活的设备里面都有芯片的影子。

鉴于人们对于集成电路芯片的熟悉，所以我们经常以集成电路芯片产业指代半导体产业。一颗芯片，从原材料到成品，可以分为硬件和软件两部分。从原材料到一颗芯片制作完成，要经过芯片设计、晶片制造、封装、测试四个环节。

一、芯片设计

根据云岫资产的分类，根据终端应用场景，芯片可以分为以下几类：AI芯片、5G芯片、互联网芯片、存储芯片、光芯片以及MEMS（微机电系统，利用微细加工技术，将机械零件、电子电路、传感器、执行机构集成在一块电路板上的高附加值原件）芯片，其中技术壁垒较高的是AI芯片。

根据不同的生产模式，芯片公司可以分为Fabless模式厂商、Foundry模式厂商和IDM模式厂商。

所谓Fabless指的是只从事芯片设计与销售，不从事硬件生产的公司。国内的华为海思就是这样的模式。Fabless公司根据市场需求设计芯片的集成电路后，与Foundry模式的芯片代工厂合作生产芯片。

Fabless公司的设计也分为前端和后端。前端是指第一步设计，也就是设计出实现市场需求的门电路。后端则是将前端设计的门电路设计成为能够被代工厂“印刷”在芯片上的集成电路。

Foundry模式的公司是指自己没有设计能力，仅生产芯片硬件的代工厂。这样的工厂能够自行完成芯片的制造，但是必须与具有设计能力公司合作才能产出成品。最典型的Foundry模式的公司就是台积电。

而IDM模式的公司就是指能够自行设计、也能够自行生产的芯片厂商，例如三星和英特尔。

相对于Foundry模式和IDM模式来说，Fabless模式启动资金小、资金门槛低，所以，目前国内大多数的芯片公司都采用的是Fabless模式。大陆的IDM厂商仅有中芯国际和华虹半导体两家。

二、晶片制造

在根据市场需求完成电路设计后，就来到了晶片制造的环节。晶片制造的工艺可以分为单晶硅棒生产、制作晶圆、晶圆涂膜、晶圆光刻显影/蚀刻、离子注入、晶圆测试等环节。

单晶硅棒生产。单晶硅棒要经过加料、熔化、缩颈生长、放肩生长、等径生长、尾部生长等过程。简单来说，就是先将多晶硅原料熔解，当硅溶体的温度稳定后，将籽晶慢慢浸入硅熔体中。通过控制温度与拉速，使得硅晶体的直径渐渐增大到所需的大小。而我们所用的单晶硅片便取自晶棒的等径部分。硅棒生产是半导体产业其中的一个行业，A股的主要上市公司是双良节能、中晶科技、晶盛机电、隆基绿能等。

制作晶圆。使用晶圆切片机将硅晶棒切割出所需厚度的晶圆。晶圆是指制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料是硅。高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅。硅晶棒在经过研磨、抛光、切片后，形成硅晶圆片。一般情况下，硅晶圆直径越大，代表晶圆厂技术实力越强，如中芯国际以12寸晶圆为主，台积电以8寸晶圆为主等。为了将电晶体与导线尺寸缩小，可以几片晶圆制作在同一片晶圆上，制作出更多的硅晶粒。硅晶圆生产最关键的参数就是良品率，这是晶圆厂的核心技术参数，与硅晶圆生产设备质量密不可分。

晶圆涂膜。在晶圆表面涂上光阻薄膜，该薄膜能提升晶圆的抗氧化及耐温能力。

晶圆光刻显影、蚀刻。首先，在晶圆表面涂覆一层光刻胶并干燥，将干燥的晶片转移到光刻机上。通过掩模，光将掩模上的图案投射到晶圆表面的光刻胶上，实现曝光和化学发光反应。将曝光后的晶圆进行二次烘烤，即所谓曝光后烘烤，烘烤后的光化学反应更为充分。最后，显影剂被喷在晶圆表面的光刻胶上以形成曝光图案。显影后，掩模上的图案保留在光刻胶上。糊化、烘烤和显影都是在均质显影剂中完成的，曝光是在平版印刷机中完成的。均化显影机和光刻机一般都是在线操作，晶片通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的，晶片不直接暴露在周围环境中，以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响。

添加杂质。向晶圆中植入离子，使其能够生成相应的P、N类半导体。

晶圆测试。经过上述几道工艺，晶圆上会形成点阵状的晶粒。接下来，通过针测的方式对每个晶粒进行电学性能的检测。一般而言，芯片所拥有的晶粒数量是庞大的，组织一次针测模式是非常繁琐的过程,这就要求再生产的过程中尽可能批量产出相同规格型号的芯片。数量越大相对成本就越低，这也是为什么主流芯片设备造价低的一个原因。

三、芯片封装、测试

半导体封装测试是指将通过测试的晶圆按照产品型号及功能需求加工得到独立芯片的过程。同一片芯片可以有不同的封装形式，其原因是晶片固定，引脚捆绑，根据需要制作不同的封装形式。具体的封装形式可以根据用户的应用习惯、应用环境、市场形态等外围因素去决定。半导体封测行业A股上市的主要公司有：长电科技、通富微电、华天科技、扬杰科技等。

这篇文章，简单介绍了半导体、半导体行业的概念和界定，粗略梳理了芯片制作大的步骤和流程，后面的文章，将详细根据芯片制作步骤，一点点详细介绍芯片产业各细分行业的情况。

责任编辑：展源

审　　核：何发

QC, IQC, IPQC, QA，到底是什么鬼?

2020-05-27
AAS法分析茶叶中的铅,镉,砷

2020-05-27
红外光谱分析,你了解多少?

2021-01-11
HPLC检测器,你了解吗？

2024-03-06
三聚氰胺,你还要害多少人

2020-05-27
超净工作台原理,使用与维护

2020-05-27
选对色谱柱,快速开发方法

2020-05-27
'die'，'device','chip'有什么区别？

2024-02-21
检测有机氯类农药,气相色谱法检测法

2021-01-12
半导体材料的发展

2023-04-21

半导体行业界定及工艺梳理

相关文章