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半导体生产流程

更新时间:2008-09-22      点击次数:3761

 

半导体生产流程
 

所谓的半导体,是指在某些情况下,能够导通电流,而在某些条件下,又具有绝缘体效用的物质;而至于所谓的IC,则是指在一半导体基板上,利用氧化、蚀刻、扩散等方法,将众多电子电路组成各式二极管、晶体管等电子组件,作在一微小面积上,以完成某一特定逻辑功能(例如:AND、OR、NAND等),进而达成预先设定好的电路功能。自1947年12月23日*个晶体管在美国的贝尔实验室(Bell Lab)被发明出来,结束了真空管的时代,到1958年TI开发出*颗IC成功,又意谓宣告晶体管的时代结束,IC的时代正式开始。从此开始各式IC不断被开发出来,集积度也不断提升。从小型集成电路(SSI),每颗IC包含10颗晶体管的时代;一路发展MSI、LSI、VLSI、ULSI;再到今天,短短50年时间,包含千万个以上晶体管的集成电路已经被大量生产,并应用到我们的生活的各领域中来,为我们的生活带来飞速的发展。不能想象离开半导体产业我们的生活将会怎样,半导体技术的发展状况已成为一个国家的技术状况的重要指针,电子技术也成为一个国家提高国防能力的重要途径。

半导产品类别
目前的半导体产品可分为集成电路、分离式组件、光电半导体等三种。

集成电路(IC),是将一电路设计,包括线路及电子组件,做在一片硅芯片上,使其具有处理信息的功能,有体积小、处理信息功能强的特性。依功能可将IC分为四类产品:内存IC、微组件、逻辑IC、模拟IC。
分离式半导体组件,指一般电路设计中与半导体有关的组件。常见的分离式半导体组件有晶体管、二极管、闸流体等。

光电式半导体,指利用半导体中电子与光子的转换效应所设计出之材料与组件。主要产品包括发光组件、受光组件、复合组件和光伏特组件等。

IC产品介绍
IC产品可分为四个种类,这些产品可细分为许多子产品,分述如下:

内存IC:顾名思义,内存IC是用来储存资料的组件,通常用在计算机、电视游乐器、电子词典上。依照其资料的持久性(电源关闭后资料是否消失)可再分为挥发性、非挥发性内存;挥发性内存包括DRAM、SRAM,非挥发性内存则大致分为Mask ROM、EPROM、EEPROM、Flash Memory四种。

微组件IC:指有特殊的资料运算处理功能的组件;有三种主要产品:微处理器指微电子计算器中的操作数件,如计算机的CPU;微控制器是计算机中主机与接口中的控制系统,如声卡、影视卡...等的控制组件;数字讯号处理IC可将模拟讯号转为数字讯号,通常用于语音及通讯系统。

模拟IC:低复杂性、应用面积大、整合性低、流通性高是此类产品的特色,通常用来作为语言及音乐IC、电源管理与处理的组件。

逻辑IC:为了特殊信息处理功能(不同于其它IC用在某些固定的范畴)而设计的IC,目前较常用在电子相机、3D Game、

IC产业

  IC的制造可由上游至下游分为三种工业,一是与IC的制造有直接关系的工业、包括晶圆制造业、IC制造业、IC封装业;二是辅助IC制造的工业,包括IC设计、光罩制造、IC测试、化学品、导线架工业;三是提供IC制造支持的产业,如设备、仪器、计算机辅助设计工具工业...等。

IC(集成电路)制作过程简介

集成电路的生产过程极其复杂,习惯上将其分为前置作业,电路的制作,晶圆及晶粒测试和后段的封装测试等。因为IC是由很多的电路集合而成的,而这些电路组件和线路是以晶圆为基础并以层状分布的,制造过程也是一层层的建造出来的,类似于建楼房的过程。

其中前置作业类似于楼房的设计和建造地基,包括电路的设计、光罩设计和晶圆的制作,电路设计即是根据使用的要求设计出各层的线路和架够,光罩设计则类似于照像底片,依靠其将设计好的电路印到芯片上,而制作硅晶圆就是将硅晶体通过加热熔化,再用一定的方法拉成晶棒,并切片、研磨成符合要求的芯片的过程。

电路制作是在硅片的基础上制成一层层的电路的过程,因为线路极其细微,其制造过程也就有很高的难度,生产上是使用类似照相技术的报光,显影,蚀刻,冲洗的方法来实现的(下面将做详细的介绍)。晶圆及晶粒测试是对各制造流程的结果的测试,目的是对各流程有很好的控制,并能及时的发现生产中的不良产品,尽早进行修部或剔除,以减少不良成本,经过各道测试并zui终生产出来的芯片才能进入到下一道封装测试的过程。封装和测试是将功能测试良好的晶粒切割开,并封装,拉出联线再进行全面测试的过程,要经过芯片切割,粘晶,焊线,封料,切割/成形,印字,电镀,及检验等过程。直到这里,一个合格的集成电路才算制造完成。

IC制造业特性

IC制造业中,有几个不同于其它制造业的特性,分列如下:

机器的折旧占成本大部分:制造IC所用的机器设备价格高,而且汰旧快,通常采二至四年加速折旧(此为实际作法;大多数股市上市说明书则宣称四至八年平均折旧),因此机器折旧的费用很高;一般说来,机器的折旧占制造成本的20%以上。

良率影响产品单位成本:晶圆上可划分为许多方块,而一个IC的线路就都做在这个方块上,再送至封装厂中切割包装,就可将这些方块制成一片片的IC;而包装好经测试可使用的IC占晶圆割下IC总数的比率称为良率。

IC的制造过程非常精密,只要在其中一步骤稍有不慎,就会使IC毁损,而成为不能使用的产品,不像其它制造业的产品,有制造过程的错误,大多只会成为品质不良的产品,非不能使用的产品;因此IC制造业的良率要较传统的工业制造良率来的低,而且变异大,不论是在品质管制及成本控制上都是一大问题;通常IC的制造中,影响良率的原因有两种:

(a)晶圆的大小:在晶圆上做IC,通常边缘的部分都因晶圆的圆弧而无法做出完整的方块;晶圆的直径愈大,则其圆弧的曲度愈小,边缘要舍弃的面积占晶圆的比率也就愈小,良率就愈高;因此IC厂都在努力提升自己的制程能在更大的晶圆上做出产品。

(b)线上的管制:集成电路制造是极精密的工业,且制造环境特殊(无尘室);在制造过程中所犯的一个小过失,影响良率的程度就很大,通常可达20%以上,因此线上的管制在集成电路制造中是很重要的。 
制程复杂影响机器使用率:IC制造厂中,由于制程重复且步骤多,若制造排程不良,容易造成某些工作站忙线、有些站闲置,而使得机器设备无法充分利用;机器设备的折旧又是占了IC制造成本中的大部分,若机器使用率不高,那幺便会耗费大量的折旧成本;充分的利用机器,是IC制造厂管理中重要的一环。

晶圆代工

因为IC的生产过程复杂,从设计到生产的生产线长,而且生产过程的主要成本是机台的成本,固定成本高,且产品多样化,批量小,更新速度快,因此很少有厂家能从前到后的整条线生产自己的产品,而很多厂商都只是加工整个制程中的一段,再形成供应链式的组合,联合制造产品,以实现规模效应。晶圆代工就是基于此而产生的,这种企业只负责生产不进行设计,因此也可以说晶圆代工厂并没有自己的产品,传统上讲只是指wafer(晶圆)的制作过程,即是在wafer 上做出一层层的电路而现在逐渐延伸出广义的晶圆代工,其除了原来晶圆制造的功能外,还包括了上游的光罩制作和下游的切割、封装、测试等过程,因此一个IC设计企业只要将自己的设计交给晶圆代工厂,便可以得到符合自己要求的IC成品,

模块制程

wafer生产的基本原理

集成电路尽管种类不同,其制程相似;差别在不同的光罩会有不同的电路图样;CVD、离子植入时投入的材料不同,会产生不同的组件,而使制造出来的IC有所差异。IC制程中,制造作业种类通常只有十多种,但由于不断重复这些作业,使得一片IC从晶圆投入到可以切割包装,要经过百次以上的制造步骤。

一个IC产品制作电路后的结构,是以芯片为基础逐层的建造起来的,上面已经提到,每一层的生产都是使用类似照相技术的报光,显影,蚀刻,冲洗的方法来实现的,因此生产过程中,每一层的制造都是几个类似的过程,而整个晶圆的制造就是这几个过程的重复循环,每个过程的生产都在特定的区域来完成,这些区域有:薄膜(thin-film),黄光( photo),蚀刻(etch),扩散(diffusion).


薄膜(thin-film)

薄膜区间是尘积介电质或金属层的地方,介电质是用于隔离开各层金属的多为玻璃层,而金属层是集成电路中的导线,多采用铝或铜或铝铜合金,因此介电质和金属沉积也是集成电路的制程中的重要制程。薄膜技术有物理气象沉积(包括蒸镀既借着对被蒸镀物体加热,利用被蒸镀物在高温时所具备的饱和蒸气压,来进行薄膜的沉积.和溅镀既利用电浆所产生的离子,借着离子对被溅镀物体电极的轰击,使电浆的气相内具有被镀物的粒子,来产生沈积薄膜的.)和化学气象沈积既利用化学反应的方式,在反应器内将反应物( 通常为气体)生成固态的生成物,并沉积在芯片表面的一种薄膜沉积技术。

黄光(Photo)

微影技术是制造集成电路的重要之一,通过暴光和显影的程序它可以将光罩上设计的图案转移到晶圆表面的光阻上,其主要过程包括光阻涂抹,烘拷,对准,暴光及显影等程序,由于光学上的需要,此段制程之照明采用偏黄的可见光,因此习惯上将此区称为黄光区。在黄光区内,利用整合型的晶圆轨道机——步进机系统来完成这个过程,其利用紫外光线或深紫外光线来照射光阻,以引起化学反应,将设计的光罩上的图形印到晶圆或光阻上,这也是集成电路厂中zui昂贵的工具,每台的价格都可达到数百万美元,因此也常成为生产中的瓶颈。

蚀刻(Etch)

Etch作为IC制程中的主要环节之一,其目的是化学物质的反应来去除wafer表面多余的物质,根据各stedp的目的不同有多种具体方式,但从其基本的原来可将其分为两种,既Wet Etching(湿蚀刻)和Dry Etching(干蚀刻),Wet Etching 是用将wafer放入化学溶液中,通过化学反应将要蚀刻掉的物质腐蚀掉,而干蚀刻是将化学气体吹到weafer 表面上,与其发生反应,以实现蚀刻的目的。两者相比,后者的过程中的关键参数容易控制,用物理或化学的方法均可实现,且对图形的控制能力较强,而前者只能通过化学的方法实现,且对关键参数的控制能力较差,尤其是当线宽越来越细时,湿蚀刻将无法使用,但对于不同的蚀刻对象和环境,两者各有各自适合的范围,两种方法要根据工艺的要求不同来选择。

在湿蚀刻的过程中还有一个重要的技术过程是wafer drying ,因为湿的wafer是无法进入到下一道工序的,必须通过一些方法使其干燥,常用的方法有:Down-Flow Spin Dryer 既是利用高速旋转的方法,靠离心力的作用干燥;和IPA Vapor Dryer ,Marangoni Dryer 等,其中Down-Flow Spin Dryer因为力的作用,易形成water mark,且增加wafer 的应力,转动过程中还会形成摩擦,而IPA Vapor Dryer 和Marangoni Dryer可防止water mark但时间较长,且化学用量多。

扩散( Diffusion)

扩散区间是进行加热制程的区域,这些制程可能是用来添加制程或者是用来加热制程,如在晶圆表面生成氧化层,扩散掺杂等是添加制程,而离子植入后用于恢复晶体结构的热处理是加热制程。高温炉是这区域的批量制程工具,它能够同时处理150片的wafer,可以将这些预置在硅芯片表面上的掺质,藉高温扩散的原理,把他们趋进芯片表面的材质内。

 
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