《半导体集成电路微纳器件工程实现原理与方法》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 IP 定制、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 UPS 126
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

前言
集成电路制造作为现代工业皇冠上的明珠，其技术复杂度与产业协同度堪称人类工程奇迹。从纳米级图形转移到工厂级系统整合，每一个技术环节都深刻影响着芯片性能与产业安全。本书立足中国集成电路产业发展需求，力图构建“装备 - 工艺 - 设计 - 厂务 - 材料”全链条知识体系，致力于培养深谙制造本质、贯通产业全局的复合型人才。
全书共 5 章，内容涵盖了集成电路制造的设备、工艺、设计服务、厂务系统以及制造材料。第 1 章详细介绍了集成电路制造过程中所涉及的各种关键设备，包括图形生成工艺设备、增材工艺设备、减材工艺设备、材料改性工艺设备以及测量工艺设备。通过对这些设备的深入剖析，读者可以全面了解集成电路制造的物理基础和技术要求。第 2 章聚焦于集成电路制造的核心工艺平台，包括 CMOS 工艺平台的概览、集成电路器件的介绍以及集成电路工艺集成技术的探讨。这一章旨在帮助读者理解集成电路制造的整体框架和技术体系，为后续的学习奠定坚实的基础。第 3 章则从设计的角度出发，介绍了芯片设计服务的基本概念、基于 IP 的模拟定制设计流程、基于 IP 的数字芯片设计流程、基于 PPAC 的目
标 DTCO 研发流程以及基尔霍夫定律。通过这一章的学习，读者可以掌握集成电路设计的基本方法和流程，理解设计与制造之间的紧密联系。第 4 章详细介绍了集成电路制造工厂的厂务系统，包括供配电系统、暖通系统、水系统、气化系统等。这一章不仅涵盖了厂务系统的硬件设施，还深入探讨了这些系统在集成电路制造中的重要作用和运行原理，帮助读者全面了解集成电路制造的基础设施。第 5 章则聚焦于集成电路制造中所使用的各种材料，包括晶圆衬底、电子特气、CP 抛光液和抛光垫、光掩膜及光刻胶、湿化学品、溅射靶材等。通过对这些材料的详细分析，读者可以了解它们的特性、应用以及对集成电路性能的影响。
在上海积塔半导体有限公司、浙江晶能微电子有限公司的鼎力支持下，本书得以融汇晶圆厂最新技术规范、先进封装测试数据及车规级芯片认证标准。期冀读者通过学习，不仅能掌握集成电路制造的核心技术要素，更能领悟设备参数调优、工艺窗口管控、厂务系统运维间的动态平衡艺术。
在编写本书的过程中，编者充分考虑了读者的学习需求，力求使本书内容既具有理论深度，又贴近实际应用。我们希望通过这本书，能够帮助读者建立起对集成电路设备与工艺制造技术的全面认识，培养实践能力和创新思维。同时，我们也希望本书能够成为集成电路领域教学和研究的重要参考资料，为推动我国集成电路产业的发展贡献一份力量。
本书可作为微电子科学与工程、电子科学与技术、集成电路工程等专业的参考用书，适配本科高年级至研究生阶段的工艺制造课程。通过系统化的设备原理剖析与工艺技术解析，帮助学生构建从单台设备认知到全厂系统集成的知识框架。对于集成电路制造企业的技术培训，亦可作为工艺工程师的实践指南。
集成电路产业强国的征程，始于对每一台设备的精研、每一项工艺的苛求、每一种材料的锤炼。这条路道阻且长，但正是无数工程师的笃行不怠，让中国半导体事业的星辰大海渐行渐近。
最后，衷心感谢所有为本书编写提供支持和帮助的专家、学者和同行。由于时间和水平的限制，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正，以便我们在今后的修订中不断完善。
编者谨识
2025 年春