Linda--集成电路制造流程简介.ppt

1 Copyright 2005 AlphaNetworksInc Allrightsreserved 2 集成電路 Integratedcircuit 就是我們常說的IC或者芯片 在介紹集成電路的製造工藝之前 讓我們先了解一下硅片 硅片是一種單晶硅的圓形薄片 在芯片的製造過程中硅片通常被作為襯底 在一個硅片上可以同時製作機制甚至上百個特定的芯片 隨著對集成電路製造成本要求的不斷降低 硅片的直徑也在不斷的加大 目前 已經由最初的50mm增加到300mm 這樣就是通過同樣的工藝流程而生產出更多的芯片 集成電路制造工艺流程簡介 3 硅片製備 包括晶體生長 滾圓 切片Wafer製造 包括清洗 成膜 光刻 刻蝕及摻雜Wafer測試 揀選 探測 測試及揀選硅片上的每個芯片裝配與封裝 沿著劃片線將硅片切割成芯片 再進行裝配和封裝終測 確保集成電路通過電學和環境測試 集成電路的製造5大製造步驟 4 在第一階段 將硅從沙中提煉 製成半導體級的高純硅 通常純度會達到99 9999999 再用CZ Czochralski 法將半導體級的多晶硅轉化成一大塊的單晶硅 我們把這個過程稱為晶體生長 生長后的單晶硅被稱為硅錠 硅錠在拉單晶爐中生長完成后 先要進行整形處理 第一步 去掉硅錠的兩端第二部 進行研磨滾圓已達到精確的材料直徑 硅片的製備 5 最後 對整形完成后的硅錠進行切片 一般而言 對以直徑200mm及以下的硅片來講 切片使用帶有金剛石邊緣的內圓切割機來完成的 對於直徑300mm的硅片來講 由於直徑大的原因 目前都是用線鋸來切片的 線鋸比傳統的內圓切割機產生更多的硅切片 這是因為用漿料覆蓋的線來代替金剛石覆蓋的鋸刀 會有更薄的切口損失 硅片的製備 6 對於切片后的硅片首先要經過凈化 硅片的凈化 以及後續一系列工藝的製作都在凈化間進行 凈化間最基本的概念是硅片工廠空氣中的顆粒控制 我們通常所呼吸的空氣是不能用於集成電路的製造的 因為它包含了太多的漂浮沾污 這些微小的浮塵會淀積在硅片表面引起沾污并會帶來致命缺陷 凈化級別標定了凈化間的空氣質量級別 它是由凈化空氣中的顆粒尺寸和密度來表徵的 Wafer的製造 凈化 7 硅片進入凈化室后 會經過一系列的物理化學方法進行凈化處理 凈化后的硅片在進行光刻之前先要進行氧化處理 硅片上的氧化層可以通過熱生長或者淀積的方法生成 我們常用的是熱生長氧化的方法 將硅片放在溫度在750 C 1100 C的氧化爐中 并通入純凈的氧氣 在硅片表面形成SiO2的氧化膜 Wafer的製造 氧化 8 光刻的本質是把臨時電路結構複製到以後要進行刻蝕和離子注入的硅片上 這些結構首先以圖形形式製作在名為掩膜板的石英模板上 紫外光透過掩模板把圖形轉移到硅片表面的光敏薄膜上 轉移到硅片上的圖形可能是硅片上的半導體器件 隔離槽 金屬互聯線等 硅片上形成的光刻膠圖形都是具有長 寬 高的三維圖形 這些圖形被轉移到光敏光刻膠材料上 為進行刻蝕或離子注入做準備 光刻是一個及其複雜的工藝過程 其成本占了整個硅片加工的近三分之一 光刻工藝包括8個基本的步驟 Wafer的製造 光刻 9 步驟一 氣相成膜處理光刻的第一步是清洗 脫水和硅片表面成底膜處理 這些步驟的目的是增強硅片和光刻膠之間的粘附性 步驟二 旋轉涂膠成底膜處理后 硅片要立即采用旋轉涂膠的方法涂上液相光刻膠材料 硅片被固定在一個真空載片臺上 它是一個表面上有很多真空孔以便固定硅片的平的金屬或聚四氯乙烯盤 一定數量的液體光刻膠滴在桂皮啊上 然後得到一層均勻的光刻膠涂層 Wafer的製造 光刻 10 步驟三 軟烘光刻膠被涂到硅片的表面后必須要經過軟烘 軟烘的目的是去除光刻膠中的溶劑 軟烘提高了粘附性 提升了光刻膠的均勻性 在刻蝕中得到了更好的線寬控制 典型的軟烘條件實在熱板上90 C 100 C烘30秒 接下來是在冷板上的降溫步驟 以得到光刻膠一致性的硅片溫度控制 步驟四 對準和曝光掩膜板與塗了膠的硅片上的正確位置對準 一旦對準 將掩膜板和硅片曝光 把掩膜板的圖形轉移到涂膠的硅片上 光就會激活光刻膠中的光敏成分 轉移圖形的目的 Wafer的製造 光刻 11 步驟五 曝光后烘焙對於深紫外線 DUV 光刻膠在100 C 110 C的熱板上進行曝光后烘焙是必要的 Wafer的製造 光刻 12 步驟六 顯影顯影實在硅片表面光刻膠中產生圖形的關鍵步驟 光刻膠上的可溶解區域被化學顯影劑溶解 將可見的圖形留在硅片表面 最通常的顯影方法是旋轉 噴霧 浸潤 見圖解 然後顯影 硅片用去離子水 DI 沖洗后甩乾 Wafer的製造 光刻 13 步驟七 堅膜烘焙顯影后的熱烘焙指的就是堅膜烘焙 烘焙要求揮發掉存留的光刻膠溶劑 提高光刻膠對硅片表面的粘附性 這一步是穩固光刻膠 對下面的刻蝕和離子注入非常關鍵 一般光刻膠的堅膜烘焙溫度約為120 C 140 C 這比軟烘的溫度要高 但也不能太高 否則光刻膠就是流動從而破壞圖形 步驟八 顯影后檢查一旦光刻膠在硅片上形成圖形 就要進行檢查以確定光刻膠圖形的質量 這種檢查系統幾乎都是自動完成的 檢查的目的有兩個 找出光刻膠有質量問題的硅片 描述光刻膠的工藝性能以滿足規範要求 如果確定有問題 可以通過去膠對硅片進行返工 Wafer的製造 光刻 14 通過在硅片上製作電子器件 然後淀積介質層和到導電材料把器件連接起來 可以把硅片製成有許多功能的微芯片 一般來說 互聯材料淀積在硅片表面 然後有選擇的去除它 就形成了由光刻技術定義的電路圖形 這一有選擇的去除材料的工藝過程叫做刻蝕 刻蝕的基本目標是在涂膠的硅片上正確的複製掩膜圖形 有圖形的光刻膠的層在刻蝕中不受到腐蝕源的侵蝕 在半導體製造中有兩種基本的刻蝕工藝 幹法刻蝕和濕法腐蝕 幹法刻蝕是把硅片表面暴露的于氣態中產生的等離子體與硅片發生物理或化學反應 從而去掉多餘的表面材料 幹法刻蝕是在亞微米尺寸在刻蝕器件的最主要的方法 在幹法 Wafer的製造 刻蝕 15 刻蝕中 刻蝕包括離子濺射和活性元素與硅片表面的反應 濕法腐蝕是以液體化學試劑去除硅片表面材料的 濕法腐蝕一般知識用在尺寸較大的情況下 大於3微米 濕法腐蝕仍然會被用來腐蝕硅片上的某些層或者用來去除幹法刻蝕后的殘留物 Wafer的製造 光刻 16 本征硅的到點性能很差 只有當硅中加入少量雜質 使其結構和導電率發生改變時 硅才稱為一種有用的半導體 這個過程被稱為摻雜 硅慘雜是製備半導體期間中的PN結的基礎 而離子注入是最重要的摻雜方法 離子注入是通過高壓離子轟擊把雜質引入硅片 雜質通過與硅片發生原子級的高能碰撞 才能被注入 離子注入在離子注入機裡面進行 它是半導體工藝中最複雜的設備之一 見圖 注入機包含離子源部分 它能從源材料中產生帶正電荷的雜質離子 離子被吸出 然後用質量分析儀將它們分開形成需要摻雜離子的束流 束流中離子的數量與希望引入的硅片的雜質有關 離子束在電場中加速 獲得很高的速度 107CM s數量級 使離子有足夠的動能注入帶硅片的晶格結構中 束流掃描整個硅片 使硅片表面摻雜均勻 Wafer的製造 離子注入 17 以上所有的注入工藝都是在高真空下進行的 離子束轟擊過的硅片的能量會轉化成熱 導致硅片溫度升高 因此需要進行硅片冷卻 Wafer的製造 離子注入 18 在硅片製造的最後 所有硅片上的芯片100 要經過揀選 wafersort 測試 也稱電學揀選 electricalsort 測試 硅片探針 waferprobe 硅片上每個芯片都要全部按照DC和AC的產品功能規格進行測試 芯片揀選測試通常是用自動測試設備 automatedtestequipment ATE 測試的算法是工程師編寫的 能控制測試儀器進行測量的計算機程序 在進行測試之前 會先使用樣片來檢測測試儀器的設置 樣片是能確保測試系統正常工作的已知的合格硅片 測試開始時 硅片先被從盒裡轉移到探針臺 然後被放在真空托盤上 探針對準在軟件控制下自動完成 機械探針接觸壓焊點以建立電學連接 探針臺和ATE連接 根據測試算法進行功能測試 Wafer的測試 揀選 19 自動參數測試系統的組成 Wafer的測試 揀選 20 在功能測試中 DC測試和AC測試都會用到 DC測試如連接性檢查 開路 短路 漏電流等測試 通常先進行DC測試 以此來決定是否要繼續進行AC測試 測試一旦完成 不合格的芯片會在計算機數據庫中被標記出來 測試結果出來后 芯片會被分配一個分類代碼號 如圖 通過測試的芯片會被分配一個分類代碼號 同時不合格的芯片也會按照芯片的具體失效類型 如輸出漏電流 開路 短路等 分配一個分類代碼 通過總結分類代碼便可以得到詳細的探測結果 Wafer的測試 揀選 21 測試完成后 硅片將被切割成一個個的芯片 wafer 經過篩選 合格的芯片將流入下一個環節 進行裝配與封裝 Wafer的測試 揀選 22 集成電路的最終裝配是要將芯片從硅片上分離出每個好的芯片 并將芯片黏貼在金屬引線框架或者管殼上 對於引線框架裝配 用細線將芯片表面的金屬點和提供芯片電通路的引線框架內端互聯起來 在芯片分割后 需要根據該芯片的功能的需要選擇合適的frame 引線框架 LeadFrame Wafer的裝配與封裝 23 將芯片粘結在引線框架上 芯片的粘結技術一般有 環氧樹脂粘貼 共晶焊粘貼 玻璃焊粘貼三種 環氧樹脂粘貼 是將芯片粘貼到引線框架上或基座上最常用的方法 環氧樹脂被滴在引線框架或基座的中心 芯片貼片工具將芯片背面放在環氧樹脂上 見圖 接下來是加熱循環以固化環氧樹脂 一般情況都是直接使用環氧樹脂 但如果芯片和封裝的其餘部分之間需要有散熱要求 可以在環氧樹脂中加入銀粉製成導熱樹脂 Wafer的裝配與封裝 24 引線鍵合引線鍵合是將芯片表面的鋁壓合點合引線框架或基座上的電極內端 有時稱為柱 進行電連接做常用的方法 如圖 引線鍵合的三種方法 熱壓鍵合 超聲鍵合 熱超聲球鍵合熱壓鍵合 在熱壓鍵合中 熱能和壓力被分別作用到芯片壓點和引線框內端電極以形成金線鍵合 一種被稱為毛細管劈刀的鍵合機械裝置 將引線定位在被加熱的芯片壓點并施加壓 Wafer的裝配與封裝 25 力 力合熱的結合促成金引線和鋁點形成鍵合 然後劈刀移動到引線框架內端電極 同時輸送附加的引線 在那裡用同樣的方法形成另一個鍵合點 超聲鍵合 超聲鍵合以超聲能合壓力作為構成引線合壓點間鍥壓的方式基礎 通過毛細管劈刀底部的孔輸送引線并定位到芯片壓點的上方 細管針尖施加壓力并快速機械振動摩擦 通常超聲頻率是60kHZ 最高達到100kHZ 已形成冶金 Wafer的裝配與封裝 26 鍵合 在這種技術中不加熱基座 一旦鍵合形成 工具將移動到引線框架內端電極壓點 形成鍵合 并將引線扯斷 Wafer的裝配與封裝 27 熱超聲球鍵合 熱超聲球鍵合是一種結合超聲振動 熱合壓力形成的鍵合技術 被稱為球鍵合 此種鍵合的基座溫度要維持在約150 C的溫度 熱超聲球鍵合也有一個毛細劈刀 由碳化鎢或陶瓷材料製成 它通過中心的孔 豎直輸送Au絲 伸出的細絲用小火焰或電容放電火花加熱 引起絲線的融化 并在針尖形成一個球 在鍵合過程中 超聲能合壓力uyinqi在Au絲球合Al壓點間冶金鍵合的形成 球鍵合完成后 鍵合機移動到基座內端電極壓點并形成熱壓的鍥壓鍵合 將引線拉斷 工具移動到下一個芯片壓點 這種球鍵合 鍥壓鍵合順序在壓點和內端店家壓點間的引線連接尺寸有極佳的控制 這對更薄的集成電路很重要 Wafer的裝配與封裝 28 Wafer的裝配與封裝 29 引線鍵合質量測試 通常會采用目測和拉力測試的方法來進行引線鍵合質量的測試 拉線測試 測量單個鍵合點的強度并標出鍵合失效的地方 Wafer的裝配與封裝 30 引線鍵合完成后 進入芯片的封裝階段 目前被廣泛使用的封裝材料是 塑料封裝和陶瓷封裝 塑料封裝 塑料封裝使用環氧樹脂聚合物將已完成引線鍵合的芯片合模塊化工藝的引線框架完全包封 引線框架 具有粘貼和引線鍵合的芯片 以條帶形式在軌道上運動以簡化傳送 該軌道與用於包封芯片以及內引線框架的不同工具有接口 一旦包封 從集成電路管殼伸出的僅為第二級裝配到電路板上必須的管腳 模型的封裝經過去飛邊并根據需要將伸出的pin腳造型成不同的形狀 在後來使用墨水或者激光在塑料表面產品的信息 Wafer的裝配與封裝 31 陶瓷封裝的封裝的步驟跟塑膠封裝的大體流程是相似的 單對於大功率的產品來講 陶瓷電容是首要的選擇 Wafer的裝配與封裝