半导体集成电路微纳器件工程实现原理与方法

翻开这本书，你打开的不仅是一本教材，更是一幅现代芯片制造的“全息地图”。它不再停留于单个器件的物理原理，而是将视野拉升，为你全景式呈现一颗芯片从无到有所需的完整世界：驱动制造的精密装备、凝聚智慧的工艺平台、定义功能的设计服务、保驾护航的厂务系统，乃至构成一切的材料基石。

这是一次从“微观器件”到“宏观工厂”的思想跃迁。本书以独特的五维结构，构建了理解集成电路产业的坚实框架：

第1章装备篇：深入光刻机、刻蚀机等“大国重器”的内部，理解尖端工艺如何被一台台机器精准执行。

第2章平台篇：揭示CMOS等工艺平台如何像乐高底座，集成千差万别的器件，筑起功能各异的芯片大厦。

第3章设计篇：带你从电路法则（基尔霍夫定律）走向前沿方法（DTCO），看抽象创意如何转化为可制造的版图。

第4章厂务篇：领略芯片工厂“冰山之下”的庞大系统——超纯水、无限供气、极致净化，如何为纳米级制造提供完美舞台。

第5章材料篇：回归本源，认识高纯硅片、特种气体、光刻胶等“芯片粮食”，如何从材料层面决定性能的边界。

本书的感染力，在于它将冰冷的技术名词还原为一场宏大的协同交响。你会看到，设计、制造、厂务、材料并非孤立环节，而是紧密咬合的齿轮。理解设备，方能领悟工艺极限；通晓设计，才能明了制造需求；洞察厂务，才懂得何为“生产环境”；熟悉材料，才把握了创新的源头。

无论你是微电子、集成电路专业的学生，渴望构建从理论到产业的系统认知；还是初入行业的工程师，希望快速建立对芯片制造全流程的全局观；抑或是相关领域的从业者，意图深化对产业链协同的理解——这本书都将是你案头不可或缺的“导航仪”与“知识图谱”。

它要告诉你的，不仅仅是如何制造一颗芯片，更是理解支撑起数字时代文明的那一整套复杂、精密而壮美的现代工程体系。

踏上这趟旅程，你将从芯片的“使用者”，变为数字世界核心奥秘的“洞察者”。

本书构建了“装备-工艺-设计-厂务-材料”全链条知识体系，系统阐述了纳米级图形转移到工厂级系统整合的关键技术，旨在培养贯通集成电路产业全链条的复合型人才。全书共5章。第1章解析了光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备等核心装备的工作原理，揭示了图形生成、增材与减材工艺的物理化学本质，奠定装备认知基础；第2章立足CMOS工艺平台，贯通器件制造与工艺集成技术，阐释了三维集成等先进技术的实现路径；第3章突破传统设计边界，融合数模混合设计及DTCO协同优化方法，搭建了设计与制造的对话桥梁；第4章解密晶圆厂“生命中枢”，逐层剖析供配电、超纯水、特种气体等厂务系统的核心技术逻辑；第5章溯源制造根基，解读硅片、光刻胶、电子特气等核心材料的质量规范与工艺适配准则，完整勾勒“材料-设备-工艺”的互动图谱。本书深入践行产学研协同理念，在上海积塔半导体有限公司、浙江晶能微电子有限公司等合作伙伴的支持下，既涵盖先进光刻等基础工艺模块，又融入晶圆级封装测试等产业前沿标准，使本书的实用性进一步增强。

本书适合半导体行业技术工程师和相关从业人员阅读，也可作为微电子科学与工程、电子科学与技术、集成电路工程专业的参考教材。

前言

>>>第1章 集成电路工艺制造装备1

1.1 集成电路制造装备概述？1

1.2 图形生成工艺设备？1

1.2.1 光刻工艺2

1.2.2 光刻工艺的基本步骤4

1.2.3 旋转涂胶设备？10

1.2.4 光刻设备？11

1.3 增材工艺设备21

1.3.1 化学气相淀积设备？21

1.3.2 物理气相淀积设备？26

1.3.3 炉管淀积设备？35

1.4 减材工艺设备42

1.4.1 刻蚀设备的组成？42

1.4.2 早期的刻蚀设备？44

1.4.3 集群工具化的干法刻蚀设备？44

1.4.4 其他干法刻蚀设备？46

1.5 材料改性工艺设备47

1.5.1 离子注入？47

1.5.2 离子注入机？49

1.5.3 沟道效应？57

1.5.4 离子注入激活工艺？59

1.5.5 其他改性工艺？59

1.6 测量工艺设备60

1.6.1 半导体前段制程和测定内容？60

1.6.2 前段制程的监测站？61

1.6.3 用于观察晶圆的SEM？64

1.6.4 光刻必需的重叠监测设备？66

1.6.5 膜厚测量设备和其他测量设备？68

1.6.6 观察断面的TEM/FIB？69

1.6.7 通过监测和分析提高成品率？71

>>>第2章 集成电路工艺平台技术73

2.1 CMOS工艺平台概述？73

2.2 集成电路器件？75

2.2.1 逻辑器件？75

2.2.2 功率器件？76

2.2.3 存储器件？77

2.3 集成电路工艺集成技术？78

>>>第3章 集成电路设计服务技术90

3.1 芯片设计服务？90

3.1.1 芯片设计服务的基本概念？90

3.1.2 芯片设计服务的产业背景与发展趋势？91

3.1.3 芯片设计服务的典型模式？91

3.1.4 芯片设计服务在集成电路制造流程中的位置？92

3.2 基于PDK的模拟定制设计流程？93

3.2.1 模拟定制设计流程概述？94

3.2.2 设计流程核心阶段？96

3.2.3 关键技术与工具支持？97

3.2.4 总结与挑战104

3.3 基于IP的数字芯片设计流程105

3.3.1 基于IP的设计流程概述105

3.3.2 IP核心的种类与特点107

3.3.3 IP验证108

3.3.4 总结与挑战108

3.4 基于PPAC的目标DTCO研发流程109

3.4.1 PPAC的定义与重要性110

3.4.2 DTCO的概念与演进110

3.4.3 DTCO流程的关键步骤110

3.4.4 核心技术支持112

3.4.5 5nm节点DTCO实践115

3.4.6 总结与展望116

3.5 基尔霍夫定律117

3.5.1 基尔霍夫定律：电路世界的基本法则117

3.5.2 基尔霍夫电流定律：节点处的电荷守恒117

3.5.3 基尔霍夫电压定律：回路中的能量守恒117

3.5.4 基尔霍夫定律的拓展与应用118

>>>第4章 集成电路厂务系统121

4.1 厂务系统121

4.1.1 厂务系统的组成121

4.1.2 厂务系统的设计原则122

4.1.3 厂务系统的运行与维护123

4.2 供配电系统124

4.2.1 供电系统结构125

4.2.2 UPS126

4.2.3 供电系统工作流程126

4.3 暖通系统127

4.3.1 洁净室HVAC系统的能耗127

4.3.2 洁净室HVAC系统的合理节能及其进展128

4.4 水系统133

4.4.1 超纯水系统133

4.4.2 工艺冷却水系统135

4.4.3 废水处理系统136

4.5 气化系统138

4.5.1 大宗气体系统138

4.5.2 特气系统140

4.5.3 天然气系统141

4.5.4 化学品系统142

>>>第5章 集成电路制造材料145

5.1 集成电路制造材料概述145

5.1.1 半导体材料145

5.1.2 绝缘与介电材料145

5.1.3 金属导体与互连材料146

5.1.4 光刻材料与化学品146

5.2 晶圆衬底146

5.2.1 硅晶圆制备工艺147

5.2.2 晶圆参数与质量控制148

5.3 电子特气150

5.3.1 电子特气的种类和应用150

5.3.2 电子特气的合成与纯化151

5.4 CMP抛光液和抛光垫152

5.4.1 CMP抛光液153

5.4.2 抛光垫154

5.5 光掩膜及光刻胶155

5.5.1 光掩膜155

5.5.2 光刻胶156

5.6 湿化学品157

5.7 溅射靶材159

>>>参考文献168