前言

集成电路作为现代电子技术的核心，自20世纪50年代初发明以来，经历了数十年的持续发展和创新。在这段时期内，技术的进步极大地提升了集成电路的性能，扩大了其应用范围，使其从最初的小规模集成电路演变到大规模、超大规模集成电路。

集成电路产业迅猛发展，但随之而来的人才短缺也日益凸显。每年需要大量专业人才来填补空缺，因此，培养具备集成电路专业知识的学生成为一项非常重要的任务。目前，国家在集成电路工艺、设备原理乃至厂务理论方面已有众多相关图书，但面向实践的教材却相对较少，尤其缺乏将工艺制造、设备原理与厂务知识高度融合且注重实践的图书。

为了应对这一挑战，作为上海科技大学“双一流”建设的重要支撑平台和教学实训育人基地，上海科技大学材料器件中心（ShanghaiTech Material and Device Lab，SMDL）自2019年运行以来，重点聚焦于集成电路先进制造领域卓越工程师的人才培养任务。自2023年起，SMDL依托先进的设备、资深的工程师团队，联合产业界相关人士，将集成电路先进制造理论与实践有机结合，精心撰写了本教材，力求为读者提供一本全面、深入且实用的参考书。本书不仅适用于大学本科生、研究生的学习，也希望对有志于或已从事集成电路制造工作的专业工程师和技术人员有一定的参考价值。

本书的特色如下。

综合工艺、设备与厂务技术：融合了集成电路制造的理论基础和前沿实践技术，深入浅出地探讨了集成电路制造的全过程。从芯片制造技术的历史背景、基本原理，到各种制造工艺、设备原理、厂务动力及实践技术，进行了全方位解析。以系统的方式呈现了芯片制造的复杂性及其精妙之处，涵盖了生产的各个环节，包括光刻、薄膜沉积、化学机械抛光、离子注入、刻蚀、键合、湿法清洗、量测技术及其相关工艺设备，以及超净室动力与环境、特种气体、化学品、安全生产管理等厂务技术内容。不仅详细介绍了当前主流的制造技术，还深入讲解了产业界的量产设备（如步进式光刻机、电子束曝光机、离子注入机、键合机、化学机械抛光机等）的基本原理、动力需求和应用实践。特别是在步进式光刻技术方面，详细介绍了特色的掩模版设计、任务编写等技术应用，使读者能够理解产业界光刻机量产设备与科研设备之间的区别。

重视技能实践：通过大量工艺设备的使用案例分析、实验数据、设备操作标准程序（standard operating procedure，SOP）和教学实践视频，强调了对集成电路制造实践技能的训练，帮助读者掌握实际操作能力。

产学研协作打造：本教材由产学研多方共同合作完成，汇聚了上海科技大学的学术支持和众多产业界专家、资深工程师的实践经验，确保内容的权威性和时效性。

本书由SMDL工作团队主导设计方案，相关撰写和技术校对工作得到了产业界众多专家工程师的大力支持，具体如下。

第1章：介绍集成电路产业的背景及其发展现状，帮助读者全面了解该产业。由SMDL和产业界的姚峰英、沈俊然撰写，刘澄溦、王梦知进行技术校对。

第2章：解析光刻技术的工艺流程及涉及的关键技术和设备，旨在让读者掌握光刻技术的基本原理。特别强调了接触式光刻、无掩模激光直写光刻、电子束光刻以及步进式/扫描式光刻这4种主要技术，帮助读者理解不同光刻技术的特点、差异及各自的适用场景。由SMDL撰写，产业界的沈俊然、姬学彬、姚树歆进行技术校对。

第3章：介绍物理气相沉积（physical vapor deposition，PVD）（包括磁控溅射、电子束蒸发）和化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）［包括低压、等离子增强、电感耦合，以及原子层沉积（atomic layer deposition，ALD）］技术及相关设备，使读者了解常见沉积技术的特点、区别及应用场景。由SMDL撰写，产业界的计骏提供薄膜沉积设备的市场调研，胡彬彬进行技术校对。

第4章：主要介绍化学机械抛光（chemical mechanical polishing，CMP）技术，包括单面抛光、双面抛光和有蜡抛光等。由SMDL和产业界的关子钧撰写。

第5章：介绍快速离子注入技术及退火工艺。由SMDL和产业界的张勇撰写。

第6章：介绍反应离子刻蚀技术（包括常规、电感耦合、深刻蚀技术）、物理刻蚀技术、等离子体刻蚀等干法刻蚀技术，以及湿法刻蚀技术，帮助读者理解常见刻蚀技术的原理、差异及应用场景。由SMDL撰写，产业界的李阳柏、刘庆鹏进行技术校对，方颖提供湿法设备的市场调研。

第7章：重点讲解芯片制造中常见的量测技术（形貌、材料厚度、应力、方阻、介电常数、颗粒度检测等）及相关设备，帮助读者理解不同量测技术的特点、差异及适用场景。由SMDL撰写，产业界的闫神锁提供椭偏仪的市场调研，陈鸿泽提供原子力显微镜的市场调研，冯天对“颗粒度检测”部分进行技术校对并补充“厂务动力配套要求”内容，李辉对“扫描电子显微镜”部分进行技术校对。

第8章：介绍各种类型的键合技术，包括直接键合、阳极键合和中间层键合，并重点介绍当前研究热点的异质集成键合技术。由SMDL和产业界的霍进迁撰写。

第9章：解读芯片制造中涉及的主要清洗技术，如有机清洗、RCA清洗、SPM清洗等，使读者掌握常见晶圆清洗技术的原理、区别和适用场景。由SMDL撰写，产业界的李阳柏进行技术校对。

第10章：首先介绍超净室的控制环境，包括洁净度、温湿度的调控，以及光刻区黄光的来源和实现方法；随后介绍超净室内电力系统和水供应的要求与实现；最后阐述超净室及工艺设备的空间与工艺布局，帮助读者理解芯片制造基础设施——超净室是如何构建的。由SMDL撰写，产业界的乔凯进行技术校对。

第11章：说明在超净室内使用高纯气体的理由，描述大宗气体与特种气体的特性、使用场景、储存和运输装备，使读者对超净室内的气体供应及安全措施有初步了解。由SMDL和产业界的孙效义撰写，冯明、马东、隗婷婷进行技术校对。

第12章：涵盖超净室内使用化学品的基本知识，包括化学品供应系统的实现、监控系统的应用、辅助系统的支持，以及废弃物处理方式，使读者对超净室内的化学品使用、处理和安全控制有基础认识。由SMDL及产业界的赵海锋撰写。

第13章：介绍工艺安全管理中采用的应急响应体系，包括通过中央监控中心和各类监控系统维持超净室内的安全监控，以及在紧急情况下的应对措施；同时，讨论为保障安全生产所需的管理规范，使读者了解产业界超净室的安全生产管理。由SMDL和产业界的乔凯撰写，张智亮进行技术校对。

此外，感谢SMDL厂务工作人员秦国庆、秦硕，以及研究生易锐、梁腾月、梁清铨、蒋远东、刘超、郭强、肖裕杰的积极参与，并感谢来自产业界的刘强、柳永勋对本书提出的宝贵建议。

由于编者水平有限，书中难免有疏漏和不足，恳请读者批评指正。

编者
2024年11月