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炉管(Furnace)工艺是半导体制造中不可或缺的一环，主要用于热氧化、扩散和退火等关键步骤。

2020年全球热处理设备市场规模合计15.37亿美元，其中快速热处理设备市场规模为7.19亿美元，氧化/扩散设备市场规模约5.52亿美元，栅极堆叠(GateStack)设备市场规模为2.66亿美元。

据SEMI数据显示，2024年立式炉全球市场规模已达32亿美元，预计未来几年将继续保持稳健增长。

全文分为：

一、炉管工艺介绍

二、炉管设备分类

三、炉管设备内部结构解构——以立式炉管为例

四、炉管设备国际市场现状&国内外厂商介绍

一、炉管工艺介绍

炉管工艺是半导体制造中不可或缺的一环，主要用于热氧化、扩散和退火等关键步骤。它通过将半导体材料加热、熔化、沉积、烧结步骤，使其发生化学反应，从而形成所需的晶体结构和电学性能。

以下是炉管工艺的三大核心类别：

1.氧化（Oxidation）：硅片的“保护盾”

定义：将硅片放置在氧气或水汽环境中，通过高温热处理在硅片表面形成氧化膜。

应用：氧化膜可用于保护硅片表面、制作电容器和隔离层。

技术要点：控制加热速率、温度和氧气流量，确保薄膜的均匀性和质量。

2.扩散（Diffusion）：改变硅片的“个性”

定义：通过高温将掺杂材料（如磷、硼）扩散到硅片内部，改变其电学性能。扩散工艺是将掺杂材料（如磷、硼等）涂在硅片表面，然后将其加热至高温，使其扩散到硅片内部，调整半导体材料的导电性能。。

可以分为：替位式和填隙式扩散。具体如下：

替位式扩散：杂质原子占据晶格空位，如硼、磷、砷。

填隙式扩散：杂质原子在晶格间隙中移动，如镍、铁。

3.退火（Anneal）：“修复晶格大师”

定义：通过加热修复离子注入带来的晶格缺陷，改善材料性能。也可除氧，除金属杂质，清除表面吸附物质，改善表面粗糙度，以及使得半导体表面与金属能够形成合金，保证接触良好等方面。

过程：阶梯式加热，逐步升温并保持稳定，最后缓慢冷却。

应用：激活杂质原子、改善材料性能、形成合金接触。

二、炉管设备分类

热处理设备也被称为炉管设备，用于半导体前道工艺中的热处理工艺，包括氧化炉、扩散炉、退火炉和快速退火炉(RTP)等，分别应用于氧化、扩散和退火工艺。按设备形态可分为卧式炉、立式炉和快速热处理炉三类。

卧式炉和立式炉的的区别在于：反应腔形态。

1）立式炉管（Vertical Furnace）

据SEMI数据显示，2024年立式炉全球市场规模已达32亿美元，预计未来几年将继续保持稳健增长。

立式炉管是现代半导体制造中常用的热处理设备。通常具有垂直排列的石英管，用于加热放置在管子周围的晶圆。

主要优点：良好的温度分布和气氛控制，片内均匀性好、自动化程度高、系统性能稳定；较少的颗粒产生；占地小、成本低、可批量热处理、可控性高。

目前使用最为广泛，尤其适合12英寸（大直径晶圆）晶圆的大规模生产。

缺点：气、液分离，介质下行，炉管易烧坏。

2）卧式炉管（Horizontal Furnace）

它的石英管是水平放置的，用来放置和加热硅片。卧式炉和立式炉都是将腔体与置于其中的硅片一同升降温，所以升降温速率较慢，但一次可以放置100到200片晶圆。

目前立式炉管已成为主流，但卧式炉管仍然在某些特定应用中发挥作用。

优点：炉管内气、液流动均匀，不易分离;更精准的反应室温度控制。

缺点：高合金钢中间管架用量多，炉外需留出抽管空间，占地面积大。

3）快速热处理炉（RTP, Rapid Thermal Processing）

是一种小型的快速加热系统，使用卤素红外灯作为热源，能够迅速将硅片温度升至加工温度，并在工艺结束后快速冷却。

优点：设备的温度控制更先进，适用于小批量硅片的快速处理。快速热处理炉(RTP)只改变其中晶圆的温度而不改变腔体温度，因此可以进行快速退火。

缺点：只能处理单片晶圆。

4）按压力环境分类

4.1.常压炉（Atmospheric Furnace）

工作压力为一个标准大气压，常压炉适用于大多数常规工艺，设备成本较低。

应用：热扩散掺杂、薄膜氧化、高温退火等。

4.2.低压炉（Low Pressure Furnace）

工作压力低于7.5Pa，需配备真空泵；适合高精度工艺，薄膜质量更高。

应用：多晶硅、氮化硅、氧化硅等薄膜的沉积。

5）按照工艺进行分类：

用于不同类型的薄膜在晶圆表面的沉积工艺，如多晶硅、氮化硅、氧化硅等。

5.1.氧化炉（约占整体数量15%）

常压中温氧化炉：用于常规氧化工艺，温度范围适中。

低压高温氧化炉：用于高压或特殊氧化工艺，温度较高。

原位水蒸气生成氧化层设备：通过水蒸气生成氧化层，适用于高质量氧化膜。

栅极氧化炉：用于栅极氧化层的制备，对均匀性和厚度控制要求极高。

5.2.扩散炉

常压扩散炉：用于常规掺杂工艺，温度范围较广。

低压扩散炉：用于低压环境下的掺杂工艺，适合高精度需求。

5.3.退火炉（约占整体数量50%）

约占整体数量50%，占比最高，广泛应用于离子注入后的退火工艺。

常压高温退火炉：用于高温退火工艺，修复晶格缺陷。

快速热退火炉（RTA）：快速升降温，适合离子注入后的退火工艺。

激光退火设备：用于前道工艺，通过激光快速加热修复损伤。

键合退火炉：用于晶圆键合后的退火处理。

5.4.沉积炉（约占整体数量7%）

非掺杂多晶硅沉积炉：用于沉积非掺杂多晶硅薄膜。

5.5.原子层沉积炉（ALD）(约占整体数量12%)

用于高质量薄膜沉积，如氮化硅、氧化硅等。

原子层沉积氮化硅炉

原子层沉积氮碳氧化硅炉

原子层沉积氮氧化硅炉

原子层沉积氧化硅炉

5.5.氮化炉（约占整体数量的16%）

沉积氮化硅炉：用于氮化硅薄膜的沉积。

低温氮化硅炉：适用于低温工艺，减少热预算。

低压氮化硅炉：在低压环境下沉积氮化硅，适合高精度需求。合金退火炉：专门用于合金工艺的退火处理。

三、炉管设备内部结构解构

以立式炉管为例，其上半部可以分为：

Heating Element（加热线圈）：位于炉管周围，通常由电阻丝构成，用于对炉管内部进行加热。

Quartz Tube（石英管）：热氧化炉的核心部分，由高纯度石英制成，可以耐受高温并保持化学惰性。

Gas Feed（气体供应口）：位于炉管的上端或侧面，用于输送氧气或其他气体到炉管内部。

SS Flange（法兰）：连接石英管和气体线路的部件，确保连接的密封性和稳定性。

Gas Feed Lines：连接MFC和气体供应口的管道，用于传输气体。

MFC（质量流量控制器）：控制石英管内部气体流量的设备，以精确调节所需的气体量。

Vent（排气口）：用于将炉管内部的废气排出设备外部。

（图片来源：TOM聊芯片智造）

下半部分可分为：

Silicon Wafers in Holder：硅片安放在特制的Holder中，以确保在氧化过程中均匀地受热。

Wafer Holder：用于固定硅片，确保硅片在工艺过程中保持平稳。

Pedestal：承托硅片Holder的结构，通常由耐高温材料制成。

Elevator（升降机）：用于将硅片Wafer Holder升入和降出石英管，实现自动化装载和卸载硅片。

Wafer Transfer Robot：位于炉管设备的侧面，用于自动化地将硅片从盒中取出并放入炉管内，或者在处理完毕后将其取出。

Cassette Storage Carousel：用于存放含有硅片的盒子，并能旋转以便机器人取用。Wafer Cassette：晶圆盒，用于存放和传输待处理的硅片。

四、炉管设备国际市场现状&国内外厂商介绍

根据Gartner统计数据，2020年全球热处理设备市场规模合计15.37亿美元。其中快速热处理设备市场规模为7.19亿美元，氧化/扩散设备市场规模约5.52亿美元，栅极堆叠(GateStack)设备市场规模为2.66亿美元。

2025年快速热处理设备市场规模有望达到9.37亿美元。

目前，全球市场仍由应用材料、东京电子和日本日立主导，国内企业如北方华创和屹唐半导体等在氧化扩散设备领域取得了一定进展。

炉管设备国内知名厂商汇总

应用材料（AppliedMaterials）

市场份额常年领跑全球市场，维持在36%左右。具有全球领先的工艺技术，尤其在14nm以下先进制程中表现突出；公司具有强大的研发能力，每年投入大量资金用于新技术开发；提供从设备到工艺的一体化解决方案，客户覆盖全球主要晶圆厂。

明星产品：Centura立式炉：用于氧化、扩散和退火工艺，支持12英寸晶圆，温度控制精度高，颗粒污染少。

Vulcan快速热处理炉（RTP）：快速升降温，适用于先进制程的快速退火和氧化工艺。

Producer系列：用于原子层沉积（ALD）和化学气相沉积（CVD），支持多种薄膜材料。

Centura™ DPN HD 栅堆叠

东京电子（TokyoElectron,TEL）

全球市场份额约稳定于25%~26%，位居第二，在亚洲市场表现尤为强劲。技术优势高精度和高稳定性，尤其在高温工艺中表现优异。在3DNAND和DRAM存储器制造领域具有显著优势。与日本本土半导体企业（如铠侠、索尼）合作紧密，市场份额稳固。

明星产品：Trias氧化炉、Savia扩散炉、Vantage系列等。

日本日立（Hitachi）

全球市场份额约7%~8%，主要集中在日本和部分亚洲市场，在高端退火炉和氧化炉领域保持竞争力。技术优势在高温退火和氧化工艺领域具有深厚的技术积累。设备稳定性高，适合长期高负荷运行。与日本本土半导体企业（如索尼、瑞萨电子）合作紧密，市场份额稳固。市场表现日本日立在高端退火炉和氧化炉领域具有较强的竞争力，但在全球市场的份额受到应用材料和东京电子的挤压。近年来，日立加大了对ALD设备的研发投入，试图在先进制程领域抢占更多市场份额。

明星产品：HitachiMRT系列退火炉、HitachiOxynator氧化炉、HitachiALD系列等。

北方华创：

北方华创经过多年的技术创新及产业化验证，已实现立式氧化/退火炉，立式LPCVD和立式ALD系列设备全面布局，并推出立式炉原子层沉积设备的其他DEMAX系列产品。

2025年1月6日，北方华创第1000台立式炉正式出厂

2024年，北方华创发布等离子体增强氮化硅原子层沉积立式炉（型号：DEMAX SN302P），深受逻辑与存储领域头部客户的青睐；同年发布了间隙填充氧化硅原子层沉积立式炉（型号：DEMAX SN302T），成为3D NAND闪存生产的关键设备。此外，300mm立式氧化炉（型号：THEORIS X302P）自2017年进入高端 3D NAND生产线后，凭借先进的自动化、稳定性和技术指标，屡获批量订单，成为客户首选。

北方华创原子层沉积立式炉

屹唐股份：

屹唐半导体主要为全球12英寸晶圆厂客户提供干法去胶（Dry Strip）、干法刻蚀（Dry Etch）、快速热处理（RTP）、毫秒级快速热处理（MSA）等设备及应用方案，拥有完整的知识产权。干法去胶（Dry Strip）、快速热处理（RTP）、毫秒级快速热处理（MSA）设备在各自细分领域都位于世界前三，其主要客户涵盖所有位列全球前十的芯片制造厂商。

快速热处理设备全球市场：在快速热处理方面，屹唐股份在国产厂商中居于龙头。2020年，应用材料占有的全球快速热处理市场份额达到69.72%，应用材料在全球集成电路制造单晶圆快速热处理(RTP)设备领域占据了绝对领先地位。屹唐半导体作为唯一一家中国企业以11.50%的市场份额列居第二。前五大厂商占据了快速热处理设备的全球所有市场份额。

2018中国半导体大硅片发展论坛中屹唐半导体首席策略官石振东发表题为“RTP在高端半导体硅片制造中的应用”的演讲

盛美上海：

盛美上海的炉管设备在2024年取得了显著进展，客户数量从2023年底的9家增长至17家。公司预计2025年炉管设备的营收贡献将进一步加速，成为公司未来业绩增长的新动力。

盛美Ultra Fn A ALD立式炉设备产品

同时，公司正在积极开发多款新的ALD炉管设备，以不断夯实差异化竞争优势，为客户提供更优质的解决方案，促进公司经营业绩的稳健增长和长期可持续发展。