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半导体生产流程

2020.10.13

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开发出全球*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).


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