前段制程，即所謂的“晶圓工藝”，是在硅晶圓上制造LSI芯片的工程。主要是微細(xì)化加工和晶格恢復(fù)處理等物理及化學(xué)方面的工藝。與此相對(duì)，后段制程則是將晶圓上做好的LSI芯片單獨(dú)切割、封裝的組裝加工技術(shù)。換一種說法，前者執(zhí)行不可見的管理，但后者在某種程度上是可見的。

另一個(gè)主要區(qū)別是，前段制程的作業(yè)對(duì)象(Work)僅僅是硅晶圓的狀態(tài)，后段制程的作業(yè)對(duì)象則是多種多樣，可以是硅晶圓，也可以是裸芯片(在后段制程中有時(shí)稱其為Die)，或者是封裝好的芯片。正因?yàn)槿绱?，?duì)于后段制程，生產(chǎn)設(shè)備制造商專攻某一個(gè)領(lǐng)域的情況很多。

前段制程和后段制程的區(qū)別

循環(huán)型的前段制程（前道）工藝

“循環(huán)型”是筆者對(duì)應(yīng)于“流程型”(Flow)而命名的。它不像組裝工程那樣，一邊將零件添加到皮帶輸送機(jī)上面，一邊流動(dòng)著組裝產(chǎn)品。與之相反，它是多次重復(fù)相同的工序進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)的方式。

“循環(huán)型”的前段制程流程

其他幾種基本的組合

鋁的布線工藝的示例

二、追求微細(xì)化的前段制程工藝

硅半導(dǎo)體根據(jù)所謂的摩爾定律，不斷推進(jìn)加工尺寸的微細(xì)化。通過LSI的微細(xì)化實(shí)現(xiàn)高密度、縮小芯片尺寸，從而降低成本。 

摩爾定律

芯片尺寸的縮小意味著每片晶圓可以生產(chǎn)出更多數(shù)量的芯片。一張晶圓生產(chǎn)出更多的芯片，就會(huì)降低芯片的成本。首先提出這一定律的是英特爾公司的戈登·摩爾，因此被稱為摩爾定律。具體來說，就是以3年為周期實(shí)現(xiàn)4倍的高密度化。所謂4倍的高密度化，也就是說算上芯片面積的增加，3年后邊長變?yōu)椤?/2(1/2的平方根)。也就是說，每隔3年晶體管尺寸應(yīng)該縮小(微細(xì)化)到原來的0.7倍。微細(xì)化以后，晶體管性能不會(huì)因?yàn)槌叽缱冃《淖儐?比例縮小定律。從技術(shù)角度對(duì)此進(jìn)行了解決。可能有點(diǎn)難以理解，在一定規(guī)格的基礎(chǔ)上縮小尺寸，晶體管的性能反而會(huì)有提升。下圖總結(jié)了比例縮小定律。

比例縮小定律的總結(jié)

微細(xì)化是如何發(fā)展起來的?

到現(xiàn)在為止微細(xì)化是如何發(fā)展的呢?為了從宏觀上看這個(gè)趨勢(shì)，在下圖中與大型LCD用的TFT陣列。進(jìn)行了動(dòng)態(tài)的對(duì)比，時(shí)間跨度從1985年到現(xiàn)在為止。從圖中可以看出，與TFT陣列相比，硅半導(dǎo)體的微細(xì)程度越來越高。大型LCD的TFT加工尺寸只達(dá)到了原來的幾分之一，而硅半導(dǎo)體的加工尺寸已經(jīng)達(dá)到了幾十分之一。一方面，TFT陣列隨著平板電視的普及，面板的大型化也在不斷發(fā)展，玻璃基板的大小被放大了100倍以上，以確保一塊玻璃基板所能容納的面板數(shù)量。另一方面，硅晶圓的尺寸增大還不到原來的10倍，但是隨著微細(xì)化的發(fā)展，每片晶圓的確能夠生產(chǎn)出更多的芯片了。

先進(jìn)半導(dǎo)體和 LCD 的數(shù)據(jù)比較

三、批量制造芯片的前段制程

LSI芯片并不是單獨(dú)一個(gè)一個(gè)在晶圓上制造出來的，而是通過光刻等工藝在晶圓上批量生產(chǎn)出所有芯片。

批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)

不難想象，LSI芯片一個(gè)一個(gè)在晶片上制造，是不符合商業(yè)利益的。舉個(gè)不太恰當(dāng)?shù)睦?，紙幣是在一大張紙上印刷很多張，然后裁剪出來的。另外，郵票也是在一張紙上印刷幾十張，使用時(shí)可以剪下一張或幾張想要使用的郵票。芯片制造和這些比喻是差不多的道理。從單張晶圓中獲得的芯片越多，成本就越低。也就是說，微細(xì)化帶來的芯片尺寸縮小意味著單張晶圓上的芯片數(shù)量增加。下圖舉了一個(gè)名為“微細(xì)化之旅”的例子。顯示了一個(gè)從晶圓(300mm晶圓，面積約為700cm²)開始一直到存儲(chǔ)單元的1Bit(比特)(先進(jìn)工藝下小于0.1μm²)的旅程。可見面積差異至少為10位數(shù)的量級(jí)。這樣就很容易理解 Bit 單元不能一個(gè)一個(gè)去做了。

從晶圓到1Bit(比特)的“微細(xì)化之旅”

但這樣也會(huì)有令人擔(dān)心的地方。只要光刻機(jī)用來刻印圖形的掩膜版有一處缺陷，缺陷就會(huì)被轉(zhuǎn)印出來，所有的芯片都會(huì)出現(xiàn)問題。

與LCD 面板的比較

芯片的微細(xì)化趨勢(shì)，與LCD面板(TFT陣列板)進(jìn)行了比較，下面讓我們仔細(xì)看一下兩者的區(qū)別。

談到液晶面板，它也是在一塊大玻璃(相當(dāng)于半導(dǎo)體硅片)上制作出很多液晶面板這也是由商業(yè)模式所決定的。對(duì)于LCD來說，與LSI芯片相對(duì)應(yīng)的是面板，想象一下LCD電視的大畫面化就會(huì)明白，面板越來越大。以前是32英寸的尺寸，但現(xiàn)在50英寸以上已是司空見慣了。

這樣一來，即使液晶面板是“做大再分塊”，可分塊的尺寸也會(huì)越來越大，因此玻璃基板的尺寸就注定要加大。由于基板變大，工廠內(nèi)的運(yùn)輸工具也大型化了。

可是另一方面，LSI的芯片不會(huì)越來越大。雖然在先進(jìn)邏輯LSI中有時(shí)需要很大的芯片，但并不是傾向于變大。

如下圖所示，對(duì)于LCD來說，玻璃基板的尺寸正加速擴(kuò)大以容納更多面板。而對(duì)于ISI來說，晶圓并沒有變得越來越大，通過微細(xì)化也可以從一張晶圓中制造出很多LSI芯片。這全部得益于“微細(xì)化”的指導(dǎo)原則。

LCD產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)間的差異

四、在沒有“等待”的工藝中進(jìn)行必要的檢查和監(jiān)控

前段制程是一個(gè)無法重做的過程，因?yàn)樗枰恢边B續(xù)進(jìn)行。在這種情況下，在線檢查和監(jiān)控對(duì)于保持良品率是必不可少的。

半導(dǎo)體工藝獨(dú)有的思路

可以說，前段制程是無法一邊工作一邊看到結(jié)果的工序。舉個(gè)例子，陶器也是一樣涂上顏料之后，放人窯中燒制，直到拿出來為止，都不知道會(huì)變成什么顏色。這與組裝作業(yè)那種可以事后拆開重新組裝的生產(chǎn)形式有很大的不同。用將棋。比賽來比喻的話，就是“沒法等”的那一步。

與此同時(shí)，對(duì)于如何把握結(jié)果，半導(dǎo)體也有其獨(dú)有的思路。在前段制程中，有時(shí)需要一次性處理幾十片甚至上百片晶圓，每個(gè)晶圓中又有成千上萬個(gè)芯片，而其中晶體管的數(shù)量更是天文數(shù)字。

為了制造出每一顆芯片，采取的是將所有晶圓作為整體“放入特定的分布中”的想法，而不是考慮晶圓之間的偏差、晶圓內(nèi)部的偏差、芯片之間的偏差，以及晶體管之間的偏差，進(jìn)而產(chǎn)生特定值。如下圖所示，批量生產(chǎn)的產(chǎn)品的確存在很多偏差，但半導(dǎo)體工藝的基本原則是如何減小偏差，提高各批次產(chǎn)品的可重復(fù)性。

針對(duì)工藝結(jié)果的思路

監(jiān)控的必要性

如上所述，由于結(jié)果在工藝完成之前未知，因此應(yīng)始終監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)和工藝的結(jié)果。監(jiān)控主要有兩種類型:工藝中的原位監(jiān)控(In-Situ)和工藝后的異位監(jiān)控(Ex-Situ)。在線監(jiān)控工藝線進(jìn)行的狀態(tài)，稱為在線監(jiān)控(in-Line)。在某些情況下，我們無須實(shí)時(shí)監(jiān)控工藝線，稱為離線監(jiān)控(也稱Off-Line)。下圖給出了在線監(jiān)控系統(tǒng)化的例子。

在線監(jiān)視系統(tǒng)的示例

這就是之前提到的硅晶片有多種使用方法的其中之一，會(huì)大量使用監(jiān)控用晶圓。例如設(shè)備傳送檢查時(shí)需要傳送測(cè)試用晶圓，設(shè)備顆粒檢查時(shí)需要顆粒檢查用晶圓。

五、前段制程fab的全貌

我們也經(jīng)常稱fab為工廠。由于前段制程是以晶圓為作業(yè)對(duì)象進(jìn)行的，所以在晶圓的傳輸和潔凈度等方面，與后段制程的fab所要求的規(guī)格有很大不同。

什么是潔凈室?

首先，前段制程的一大特點(diǎn)是生產(chǎn)線的清潔度要求非常嚴(yán)格。通常需要至少1級(jí)以上的清潔度。這意味著空調(diào)通風(fēng)量很大，很耗電。另外，大家在電視新聞中看到播放半導(dǎo)體工廠的情況時(shí)，工人是穿著白色的無塵服在工作的。的確如此，人體是灰塵的來源，因此，為了防止這種情況，是穿著無塵服工作的。但是，只有這些還不能稱其為潔凈室(CleaningRoom)。除了電力之外，半導(dǎo)體工藝設(shè)備還需要各種設(shè)施(氣體、化學(xué)溶液、純水及廢氣/廢液處理裝置等)。下圖顯示了將氣體分配到潔凈室工藝設(shè)備的示例。潔凈室是一個(gè)干凈的空間，除此以外，還需要各種設(shè)施像人體的血管和神經(jīng)一樣運(yùn)行著。

半導(dǎo)體前段制程潔凈室的示例

工廠需要哪些設(shè)備?

在潔凈室中，除了空調(diào)運(yùn)行以外，制造和傳送設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)也需要電力，光這個(gè)費(fèi)用就頗為龐大。而且，在前段制程中使用大量純水、氣體、化學(xué)溶液等，這些也需要相應(yīng)設(shè)備。例如有時(shí)候我們會(huì)用到氣站(Gas Plant)這個(gè)詞，其實(shí)就是在現(xiàn)場(chǎng)建了一個(gè)制造氣體的工廠。此外，大量使用純水、特殊氣體和化學(xué)品意味著會(huì)產(chǎn)生大量廢水、廢氣和廢液這些需要減排和處理設(shè)備。目前在前段制程fab中，這些設(shè)施的廠房占據(jù)了相當(dāng)大的用地面積。所以，前段制程fab往往會(huì)給人一種以潔凈室為主的印象。其實(shí)如上所述，這些設(shè)施設(shè)備也非常重要，而且還需要保證純水生產(chǎn)的水源，選址也是一個(gè)挑戰(zhàn)。在下圖中嘗試描繪了一幅前段制程fab的全景圖。

半導(dǎo)體前段制程 fab 的全景圖

六、fab的生產(chǎn)線構(gòu)成--什么是Bay方式?

前段制程工藝應(yīng)該稱為循環(huán)型工藝。為此，在潔凈室內(nèi)的生產(chǎn)線(也簡稱為Line)上生產(chǎn)設(shè)備的布局稱為Bay(海灣)方式。

為什么選擇 Bay 方式?

Bay的意思是海灣。叫這個(gè)名字可能是因?yàn)橥还に嚨脑O(shè)備看起來像一艘漂浮在海灣中的船。不管怎樣，如何在晶圓廠的潔凈室內(nèi)布置半導(dǎo)體制造設(shè)備是一個(gè)挑戰(zhàn)，正如前面多次敘述那樣，由于前段制程要多次通過同一種工藝，如果按照經(jīng)過的順序布局設(shè)備，有多少臺(tái)設(shè)備都是不夠用的，而且潔凈室的面積也會(huì)變得龐大。因此，一般采用把相同種類的工藝設(shè)備布局在同一海灣的方式，這就是Bay方式，在下圖中展示出了示例圖。放入硅晶圓的載具和搭載FOUP的OHV被傳送到各個(gè)設(shè)備(未示出)。據(jù)說大規(guī)模晶圓廠的傳送線總長度達(dá)幾十千米。

Bay方式舉例示例圖

順便說一下，潔凈室的建設(shè)和維護(hù)都需要成本，僅潔凈室空調(diào)的運(yùn)營成本就非常昂貴。因此，潔凈室不能浪費(fèi)空間，要放置最需要的設(shè)備。

實(shí)際生產(chǎn)線的運(yùn)行

但是，對(duì)于一條實(shí)際的生產(chǎn)線，中途也會(huì)發(fā)生工藝制造設(shè)備的更換和生產(chǎn)的增減等為此，半導(dǎo)體生產(chǎn)線的運(yùn)行需要隨機(jī)應(yīng)變，需要在布局上下功夫。

在之前提到的監(jiān)測(cè)和檢查需要怎樣布置呢?當(dāng)然，不同設(shè)備也被安置在潔凈室內(nèi)，對(duì)各種各樣的工藝設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和結(jié)果檢查。如圖所示，根據(jù)檢查、解析設(shè)備的不同，有時(shí)會(huì)安置在潔凈室外面，以上這些都由量產(chǎn)生產(chǎn)線進(jìn)行統(tǒng)一管理。

檢查和測(cè)量系統(tǒng)的示例

七、晶圓廠需要盡早提升良品率

半導(dǎo)體產(chǎn)品歸根到底是需要顧客來購買的，所以和其他制造業(yè)一樣，成品率(良品率)非常重要。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，早期啟動(dòng)尤為必要。

為什么要盡早啟動(dòng)?

LSI的良品率，特別是在技術(shù)節(jié)點(diǎn)(可以用年代來考慮)發(fā)生變化，工藝、設(shè)備發(fā)生巨大變化的時(shí)候，很難從一開始就維持在高水平。LSI的工藝是多個(gè)工藝的重復(fù)疊加，只要其中一個(gè)出現(xiàn)問題，成品率就無法維持?？梢韵胂?，如果這個(gè)工藝中的很多環(huán)節(jié)都進(jìn)行了更新?lián)Q代，那么維持成品率就非常困難。

另一方面，在推出LSI新商品時(shí)，雖然可以賣出高價(jià),但隨著時(shí)間的推移，就會(huì)面臨成本競(jìng)爭。也就是說，如果不在產(chǎn)品更新?lián)Q代初期大量投放市場(chǎng)，就無法盈利。這就需要在開發(fā)和試制階段找出很多問題，在進(jìn)入批量生產(chǎn)時(shí)迅速提高成品率。這被稱為“垂直提升”。如圖所示。這意味著在開發(fā)有了目標(biāo)，進(jìn)入試制之后，要盡量快速提高成品率。

良品率垂直提升的模型示例

如何提高初期成品率?

從開發(fā)階段到試制，再到量產(chǎn)的成品率盡快提升，筆者也有一些這方面的經(jīng)驗(yàn)。最根本的是從開發(fā)階段開始，就應(yīng)該將檢查結(jié)果積極地反饋給工藝，如圖顯示了基本的做法。根本的東西是工藝的監(jiān)控和結(jié)果的檢查、測(cè)量以及不良分析技術(shù)。但是，常規(guī)的檢查和測(cè)量效果也不大，更需要經(jīng)驗(yàn)積累，以便從結(jié)果中盡早發(fā)現(xiàn)不良預(yù)兆。此外，失效分析也需要能夠從測(cè)量結(jié)果中馬上發(fā)現(xiàn)不良，并進(jìn)行快速分析的技術(shù)。同時(shí)，至關(guān)重要的是盡快將其反饋到工藝中。但是，在初期階段也會(huì)出現(xiàn)很多意想不到的不良現(xiàn)象，因此需要分析技術(shù)并能看清結(jié)果。

從系統(tǒng)化角度所看到的生產(chǎn)線中可能的良品率管理

在某種程度上，經(jīng)驗(yàn)是必需的，并不只是配備很多檢查設(shè)備和分析設(shè)備就可以的。如圖左側(cè)所示，生產(chǎn)線整體的缺陷控制技術(shù)和工程管理技術(shù)需要系統(tǒng)化。

參考文獻(xiàn)：

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