资料来源：应用材料官网，Vulcan 系统RTP设备，阿尔法经济研究

氧化工艺原理及应用

氧化工艺是半导体制造过程的基本工艺之一，其基本原理是硅与氧发生化学反应并生成二氧化硅，二氧化硅是一层比较致密的氧化层，可以阻止硅的进一步氧化。实际上当裸露的硅片与空气接触时便会自发发生氧化反应生成厚度大约10-20埃的二氧化硅氧化层。

在半导体制造工艺中氧化工艺有多种用途：

资料来源：《半导体制造技术导论》，阿尔法经济研究

氧化工艺分干氧氧化和湿氧氧化两种。干氧氧化顾名思义以干燥纯净的氧气作为氧化气氛，在高温下（一般在1000℃左右进行）直接与硅发生化学反应。干氧氧化的速率比湿氧氧化低，通常干氧氧化的时间长达2小时，湿氧氧化的时间缩短至12分钟左右，但氧化薄膜质量比湿氧氧化高，所以厚度较薄的屏蔽氧化层、衬底氧化层和栅氧化层的生长一般用干氧氧化。

湿氧氧化是用水取代氧气，在高温下水分解为HO，HO在二氧化硅中的扩散速率比干氧氧化高。湿氧氧化用于生长较厚的氧化层如遮蔽氧化层、整面全区覆盖氧化层和LOCOS氧化层等。干氧氧化与湿氧氧化常见的设备原理如下：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

当然湿氧氧化还有氢氧燃烧蒸气的湿氧氧化系统和燃烧蒸气的湿氧氧化系统，此处不再展开。

氧化工艺常见的应用简介

扩散遮蔽层：扩散工艺是在900-1200℃的高温条件下利用热扩散原理，将B或P等掺杂元素按工艺要求引入硅衬底中，使其具有特定浓度分布、达到改变硅片电学性能和形成PN结的目的。但扩散的缺点是具有各向同性，不能很好的独立控制结深和浓度，而B和P等掺杂原子在二氧化硅中的扩散速率远低于在单晶硅中的扩散速率，因此在扩散工艺中，利用氧化工艺在硅片表面形成工艺窗口，可以在指定区域进行掺杂扩散工艺。扩散遮蔽层的厚度为3000-5000埃。

离子注入屏蔽氧化层：离子注入是将离子束加速到keV-MeV的量级，然后注入到硅衬底表面等表层内达到改变表面物理特性的工艺。与传统扩散工艺相比一是可以通过调节能量和剂量改变注入离子的深度和浓度；二是可以按照掩模图形所需位置获得掺杂，有利于提高集成度；三是突破扩散工艺中固溶度限制，可以获得更高的浓度、更浅的结深和更均匀的分布，是当前半导体制造工序中非常重要的工艺。在离子注入工艺中引入氧化层的目的是通过形成屏蔽氧化层，阻挡光刻胶以避免硅片污染，也可以在离子注入硅片之前将离子散射以减小通道效应，层厚100-200埃：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

LOCOS和STI工艺中的应用：主要是在局部硅氧化（LOCOS）和浅沟槽隔离（STI）中形成作为氮化硅的衬底层，厚度大约150埃。如果没有二氧化硅作为氮化硅垫层的应力缓冲，在低压化学气相沉积（LPCVD）中的张力将导致硅片产生裂缝甚至碎片。在STI工艺之前二氧化硅主要作为阻挡层防止硅片受到污染，因为STI是一种电介质化学气相沉积过程，使用未掺杂硅玻璃的沉积填充浅沟槽来隔离相邻晶体管的电性能，但CVD过程难免带有少量杂质，因此必须有一层致密的热生长二氧化硅作为阻挡层阻挡可能的污染物：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

牺牲氧化层：牺牲氧化层是生长在硅片表面元器件区域的二氧化硅薄膜，厚度小于1000埃。牺牲氧化层生成之后被氢氟酸溶剂剥除，一般情况下栅氧化工艺之前都先生长一层牺牲氧化层来移除硅片表面的损伤和缺陷，该氧化层的生成和剥除有利于产生零缺陷的硅片表面并获得高质量的栅氧化层。

快速热处理（RTP）的原理与应用

随着半导体尺寸的逐渐缩小，STI逐渐取代LOCOS成为主流的隔离工艺（LOCOS容易带来鸟嘴效应），这样就不再需要生长一层厚的氧化层，氧化工艺的主流是生长薄氧化层。此外随着栅氧化层厚度的不断减小，快速热处理工艺即RTP逐渐成为主流工艺。

RTP最初用于离子注入后的退火工艺，目前已延伸至氧化、化学气相沉积、外延和硅化物生长等工艺，在技术演进过程中出现了绝热型、热流型和等温型三个类型，目前广泛商用化的RTP主要采用等温型。

RTP设备是一种单片热处理设备，可将硅片温度快速升至200-1300℃的工艺所需温度，升/降温速率一般为20-250℃/s，降温速率快。RTP在快速热退火中的应用最为普遍。在离子注入后需要利用RTP设备来修复离子注入损伤，激活掺杂离子并有效控制杂质扩散。快速热退火主要有尖峰退火（Spike-anneal）、灯退火（Lamp Annealing）、激光退火（Laser Annealing）和闪光退火（Flash Annealing）四种。

RTP的核心技术主要包括反应腔室设计、温度测量技术和温度控制技术，在RTP设备中热量多数借助辐射的方式传导至硅片上，其主要使用的辐射源有卤素钨灯、电弧灯和传统的电阻式热源，其中卤素钨灯使用最为广泛：

资料来源：公开资料整理，阿尔法经济研究

国内氧化设备厂商盘点

根据Gartner数据，氧化/扩散/退火设备占晶圆制造（含先进封装）设备的3%，2019年全球半导体设备达到597.5亿美元，以此估算氧化/扩散/退火设备市场规模约为14.3亿美元。热处理设备市场份额主要被应用材料、东京电子和Kokusai三家瓜分，2018年其市占率分别为46%、21%和15%，集中度非常高。

国内目前从事氧化/扩散/退火设备的企业是北方华创和屹唐半导体，其中屹唐半导体收购了Mattson后其市占率达到5%，北方华创市占率约为0.2%。

屹唐半导体 2016 年完成对 Mattson 的收购，Mattson的热工艺处理设备主要为 RTP，产品覆盖全球前十大芯片制造厂商。从订单维度来看，根据中国招标网数据，截止2020年一季度，北方华创累计中标长江存储订单一共39台，华力集成3台和华虹无锡6台，Mattson累计中标长江存储订单一共2台，华力集成2台和华虹无锡2台。Mattson公司网站打不开，屹唐半导体貌似没有官网，故设备相关信息不得而知。

2019年12月底北京君正收购屹唐半导体的事项被证监会批准，4月份59.99%的股份已经过户至北京君正，收购完成后北京君正将形成ASIC芯片设计和RTP设备研产销为主的半导体厂商。

北方华创的氧化/扩散/退火设备主要有THEORIS系列和HORIS D8572A，主要用于集成电路、先进封装、功率器件和MEMS等领域的氧化工艺等：

资料来源：北方华创官网，阿尔法经济研究

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