半导体 | 前道工艺概述

前段制程，即所谓的“晶圆工艺”，是在硅晶圆上制造LSI芯片的工程。主要是微细化加工和晶格恢复处理等物理及化学方面的工艺。与此相对，后段制程则是将晶圆上做好的LSI芯片单独切割、封装的组装加工技术。换一种说法，前者执行不可见的管理，但后者在某种程度上是可见的。

另一个主要区别是，前段制程的作业对象(Work)仅仅是硅晶圆的状态，后段制程的作业对象则是多种多样，可以是硅晶圆，也可以是裸芯片(在后段制程中有时称其为Die)，或者是封装好的芯片。正因为如此，对于后段制程，生产设备制造商专攻某一个领域的情况很多。

前段制程和后段制程的区别

循环型的前段制程（前道）工艺

“循环型”是笔者对应于“流程型”(Flow)而命名的。它不像组装工程那样，一边将零件添加到皮带输送机上面，一边流动着组装产品。与之相反，它是多次重复相同的工序进行产品生产的方式。

“循环型”的前段制程流程

其他几种基本的组合

铝的布线工艺的示例

二、追求微细化的前段制程工艺

硅半导体根据所谓的摩尔定律，不断推进加工尺寸的微细化。通过LSI的微细化实现高密度、缩小芯片尺寸，从而降低成本。 

摩尔定律

芯片尺寸的缩小意味着每片晶圆可以生产出更多数量的芯片。一张晶圆生产出更多的芯片，就会降低芯片的成本。首先提出这一定律的是英特尔公司的戈登·摩尔，因此被称为摩尔定律。具体来说，就是以3年为周期实现4倍的高密度化。所谓4倍的高密度化，也就是说算上芯片面积的增加，3年后边长变为√1/2(1/2的平方根)。也就是说，每隔3年晶体管尺寸应该缩小(微细化)到原来的0.7倍。微细化以后，晶体管性能不会因为尺寸变小而改变吗?比例缩小定律。从技术角度对此进行了解决。可能有点难以理解，在一定规格的基础上缩小尺寸，晶体管的性能反而会有提升。下图总结了比例缩小定律。

比例缩小定律的总结

微细化是如何发展起来的?

到现在为止微细化是如何发展的呢?为了从宏观上看这个趋势，在下图中与大型LCD用的TFT阵列。进行了动态的对比，时间跨度从1985年到现在为止。从图中可以看出，与TFT阵列相比，硅半导体的微细程度越来越高。大型LCD的TFT加工尺寸只达到了原来的几分之一，而硅半导体的加工尺寸已经达到了几十分之一。一方面，TFT阵列随着平板电视的普及，面板的大型化也在不断发展，玻璃基板的大小被放大了100倍以上，以确保一块玻璃基板所能容纳的面板数量。另一方面，硅晶圆的尺寸增大还不到原来的10倍，但是随着微细化的发展，每片晶圆的确能够生产出更多的芯片了。

先进半导体和 LCD 的数据比较

三、批量制造芯片的前段制程

LSI芯片并不是单独一个一个在晶圆上制造出来的，而是通过光刻等工艺在晶圆上批量生产出所有芯片。

批量生产的优点

不难想象，LSI芯片一个一个在晶片上制造，是不符合商业利益的。举个不太恰当的例子，纸币是在一大张纸上印刷很多张，然后裁剪出来的。另外，邮票也是在一张纸上印刷几十张，使用时可以剪下一张或几张想要使用的邮票。芯片制造和这些比喻是差不多的道理。从单张晶圆中获得的芯片越多，成本就越低。也就是说，微细化带来的芯片尺寸缩小意味着单张晶圆上的芯片数量增加。下图举了一个名为“微细化之旅”的例子。显示了一个从晶圆(300mm晶圆，面积约为700cm²)开始一直到存储单元的1Bit(比特)(先进工艺下小于0.1μm²)的旅程。可见面积差异至少为10位数的量级。这样就很容易理解 Bit 单元不能一个一个去做了。

从晶圆到1Bit(比特)的“微细化之旅”

但这样也会有令人担心的地方。只要光刻机用来刻印图形的掩膜版有一处缺陷，缺陷就会被转印出来，所有的芯片都会出现问题。

与LCD 面板的比较

芯片的微细化趋势，与LCD面板(TFT阵列板)进行了比较，下面让我们仔细看一下两者的区别。

谈到液晶面板，它也是在一块大玻璃(相当于半导体硅片)上制作出很多液晶面板这也是由商业模式所决定的。对于LCD来说，与LSI芯片相对应的是面板，想象一下LCD电视的大画面化就会明白，面板越来越大。以前是32英寸的尺寸，但现在50英寸以上已是司空见惯了。

这样一来，即使液晶面板是“做大再分块”，可分块的尺寸也会越来越大，因此玻璃基板的尺寸就注定要加大。由于基板变大，工厂内的运输工具也大型化了。

可是另一方面，LSI的芯片不会越来越大。虽然在先进逻辑LSI中有时需要很大的芯片，但并不是倾向于变大。

如下图所示，对于LCD来说，玻璃基板的尺寸正加速扩大以容纳更多面板。而对于ISI来说，晶圆并没有变得越来越大，通过微细化也可以从一张晶圆中制造出很多LSI芯片。这全部得益于“微细化”的指导原则。

LCD产业和半导体产业间的差异

四、在没有“等待”的工艺中进行必要的检查和监控

前段制程是一个无法重做的过程，因为它需要一直连续进行。在这种情况下，在线检查和监控对于保持良品率是必不可少的。

半导体工艺独有的思路

可以说，前段制程是无法一边工作一边看到结果的工序。举个例子，陶器也是一样涂上颜料之后，放人窑中烧制，直到拿出来为止，都不知道会变成什么颜色。这与组装作业那种可以事后拆开重新组装的生产形式有很大的不同。用将棋。比赛来比喻的话，就是“没法等”的那一步。

与此同时，对于如何把握结果，半导体也有其独有的思路。在前段制程中，有时需要一次性处理几十片甚至上百片晶圆，每个晶圆中又有成千上万个芯片，而其中晶体管的数量更是天文数字。

为了制造出每一颗芯片，采取的是将所有晶圆作为整体“放入特定的分布中”的想法，而不是考虑晶圆之间的偏差、晶圆内部的偏差、芯片之间的偏差，以及晶体管之间的偏差，进而产生特定值。如下图所示，批量生产的产品的确存在很多偏差，但半导体工艺的基本原则是如何减小偏差，提高各批次产品的可重复性。

针对工艺结果的思路

监控的必要性

如上所述，由于结果在工艺完成之前未知，因此应始终监控设备的状态和工艺的结果。监控主要有两种类型:工艺中的原位监控(In-Situ)和工艺后的异位监控(Ex-Situ)。在线监控工艺线进行的状态，称为在线监控(in-Line)。在某些情况下，我们无须实时监控工艺线，称为离线监控(也称Off-Line)。下图给出了在线监控系统化的例子。

在线监视系统的示例

这就是之前提到的硅晶片有多种使用方法的其中之一，会大量使用监控用晶圆。例如设备传送检查时需要传送测试用晶圆，设备颗粒检查时需要颗粒检查用晶圆。

五、前段制程fab的全貌

我们也经常称fab为工厂。由于前段制程是以晶圆为作业对象进行的，所以在晶圆的传输和洁净度等方面，与后段制程的fab所要求的规格有很大不同。

什么是洁净室?

首先，前段制程的一大特点是生产线的清洁度要求非常严格。通常需要至少1级以上的清洁度。这意味着空调通风量很大，很耗电。另外，大家在电视新闻中看到播放半导体工厂的情况时，工人是穿着白色的无尘服在工作的。的确如此，人体是灰尘的来源，因此，为了防止这种情况，是穿着无尘服工作的。但是，只有这些还不能称其为洁净室(CleaningRoom)。除了电力之外，半导体工艺设备还需要各种设施(气体、化学溶液、纯水及废气/废液处理装置等)。下图显示了将气体分配到洁净室工艺设备的示例。洁净室是一个干净的空间，除此以外，还需要各种设施像人体的血管和神经一样运行着。

半导体前段制程洁净室的示例

工厂需要哪些设备?

在洁净室中，除了空调运行以外，制造和传送设备的运转也需要电力，光这个费用就颇为庞大。而且，在前段制程中使用大量纯水、气体、化学溶液等，这些也需要相应设备。例如有时候我们会用到气站(Gas Plant)这个词，其实就是在现场建了一个制造气体的工厂。此外，大量使用纯水、特殊气体和化学品意味着会产生大量废水、废气和废液这些需要减排和处理设备。目前在前段制程fab中，这些设施的厂房占据了相当大的用地面积。所以，前段制程fab往往会给人一种以洁净室为主的印象。其实如上所述，这些设施设备也非常重要，而且还需要保证纯水生产的水源，选址也是一个挑战。在下图中尝试描绘了一幅前段制程fab的全景图。

半导体前段制程 fab 的全景图

六、fab的生产线构成--什么是Bay方式?

前段制程工艺应该称为循环型工艺。为此，在洁净室内的生产线(也简称为Line)上生产设备的布局称为Bay(海湾)方式。

为什么选择 Bay 方式?

Bay的意思是海湾。叫这个名字可能是因为同一工艺的设备看起来像一艘漂浮在海湾中的船。不管怎样，如何在晶圆厂的洁净室内布置半导体制造设备是一个挑战，正如前面多次叙述那样，由于前段制程要多次通过同一种工艺，如果按照经过的顺序布局设备，有多少台设备都是不够用的，而且洁净室的面积也会变得庞大。因此，一般采用把相同种类的工艺设备布局在同一海湾的方式，这就是Bay方式，在下图中展示出了示例图。放入硅晶圆的载具和搭载FOUP的OHV被传送到各个设备(未示出)。据说大规模晶圆厂的传送线总长度达几十千米。

Bay方式举例示例图

顺便说一下，洁净室的建设和维护都需要成本，仅洁净室空调的运营成本就非常昂贵。因此，洁净室不能浪费空间，要放置最需要的设备。

实际生产线的运行

但是，对于一条实际的生产线，中途也会发生工艺制造设备的更换和生产的增减等为此，半导体生产线的运行需要随机应变，需要在布局上下功夫。

在之前提到的监测和检查需要怎样布置呢?当然，不同设备也被安置在洁净室内，对各种各样的工艺设备进行监控和结果检查。如图所示，根据检查、解析设备的不同，有时会安置在洁净室外面，以上这些都由量产生产线进行统一管理。

检查和测量系统的示例

七、晶圆厂需要尽早提升良品率

半导体产品归根到底是需要顾客来购买的，所以和其他制造业一样，成品率(良品率)非常重要。在半导体领域，早期启动尤为必要。

为什么要尽早启动?

LSI的良品率，特别是在技术节点(可以用年代来考虑)发生变化，工艺、设备发生巨大变化的时候，很难从一开始就维持在高水平。LSI的工艺是多个工艺的重复叠加，只要其中一个出现问题，成品率就无法维持。可以想象，如果这个工艺中的很多环节都进行了更新换代，那么维持成品率就非常困难。

另一方面，在推出LSI新商品时，虽然可以卖出高价,但随着时间的推移，就会面临成本竞争。也就是说，如果不在产品更新换代初期大量投放市场，就无法盈利。这就需要在开发和试制阶段找出很多问题，在进入批量生产时迅速提高成品率。这被称为“垂直提升”。如图所示。这意味着在开发有了目标，进入试制之后，要尽量快速提高成品率。

良品率垂直提升的模型示例

如何提高初期成品率?

从开发阶段到试制，再到量产的成品率尽快提升，笔者也有一些这方面的经验。最根本的是从开发阶段开始，就应该将检查结果积极地反馈给工艺，如图显示了基本的做法。根本的东西是工艺的监控和结果的检查、测量以及不良分析技术。但是，常规的检查和测量效果也不大，更需要经验积累，以便从结果中尽早发现不良预兆。此外，失效分析也需要能够从测量结果中马上发现不良，并进行快速分析的技术。同时，至关重要的是尽快将其反馈到工艺中。但是，在初期阶段也会出现很多意想不到的不良现象，因此需要分析技术并能看清结果。

从系统化角度所看到的生产线中可能的良品率管理

在某种程度上，经验是必需的，并不只是配备很多检查设备和分析设备就可以的。如图左侧所示，生产线整体的缺陷控制技术和工程管理技术需要系统化。

参考文献：

       

         

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