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一文了解芯片生產(chǎn)制造流程
來源:公眾號【IC男奮斗史】
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作者:IC男奮斗史
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發(fā)布時(shí)間: 2022-03-01
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晶圓制造
高大上的芯片最初的原材料其實(shí)是沙子，這也是科學(xué)技術(shù)神奇的地方。沙子的主要成分是二氧化硅(SiO2)，而脫氧后的沙子最多包含25%的硅元素，硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。
沙子經(jīng)過熔煉和多步凈化與提純就可以得到用于半導(dǎo)體制造的高純度多晶硅，學(xué)名電子級硅，平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質(zhì)原子。24K金大家都知道吧，黃金純度高達(dá)99.998%，但是還是沒有這個電子級硅的純度高。
把高純度多晶硅放在單晶爐內(nèi)拉制，就可以得到接近圓柱形的單晶硅錠，重量大約100千克，硅純度高達(dá)99.9999%以上。再將單晶硅錠橫向切割成圓形的單個硅片，就得到了單晶硅片，這也就是我們常說的用來制造芯片的晶圓(Wafer)。
單晶硅在電學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)等方面的表現(xiàn)都要比多晶硅更好一些，所以半導(dǎo)體制造都是以單晶硅為基本材料。
舉個生活中的例子，可以幫大家理解多晶硅與單晶硅。冰糖大家應(yīng)該都見過，小時(shí)候經(jīng)常吃的像方形小冰塊一樣的冰糖，其實(shí)就是單晶冰糖。相應(yīng)的也有多晶冰糖，形狀通常不規(guī)則，用來做中藥或者熬湯用，有潤肺止咳的功效。
同一種物質(zhì)晶體排列結(jié)構(gòu)不同，其性能和用處也會不盡相同，甚至差異明顯。
半導(dǎo)體制造企業(yè)，例如英特爾、臺積電和中芯國際等工廠通常不生產(chǎn)晶圓，只是晶圓的搬運(yùn)工，都是從Wafer供應(yīng)商那里直接購買。
晶圓制造就是要把設(shè)計(jì)好的電路(專業(yè)術(shù)語叫掩膜，英文名為Mask)在晶圓上實(shí)現(xiàn)出來。
首先我們需要把光刻膠(Photo Resist)均勻鋪在晶圓表面，在這個過程中需要保持晶圓旋轉(zhuǎn)，這樣可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。然后光刻膠層透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶。
掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成電路的每一層圖案。一般來說，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。
接下來是溶解光刻膠，曝光在紫外線下的光刻膠被化學(xué)試劑溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。然后是蝕刻，使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來的晶圓部分，剩下的光刻膠保護(hù)著不應(yīng)該蝕刻的部分。蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計(jì)好的電路圖案。這一系列過程我們稱之為光刻。
光刻的過程其實(shí)類似于我們生活中用傻瓜照相機(jī)拍照的過程。鋪上光刻膠的晶圓就是相機(jī)的膠片，我們要拍攝的實(shí)物就是掩膜，拍照的過程就是半導(dǎo)體曝光的過程，沖洗膠片的過程就類似于后面的蝕刻以及溶解光刻膠。
最后的結(jié)果也有些類似，光刻將設(shè)計(jì)好的電路在晶圓上實(shí)現(xiàn)了出來，得到了芯片，如同拍照將實(shí)物的樣子在膠片上實(shí)現(xiàn)了出來，得到了照片。
光刻是芯片制造過程中最主要的工藝之一。通過光刻，我們就實(shí)現(xiàn)了把設(shè)計(jì)好的電路鋪在晶圓上，重復(fù)進(jìn)行就可以在晶圓上實(shí)現(xiàn)多個相同的電路，每一個電路都是一個單獨(dú)的芯片，英文稱為die。實(shí)際的芯片制造流程比這個復(fù)雜得多，通常需要經(jīng)過成百上千道工序。所以說半導(dǎo)體是制造業(yè)的皇冠。
了解芯片制造流程對于從事半導(dǎo)體生產(chǎn)制造相關(guān)的崗位比較重要，尤其是FAB廠如臺積電、中芯國際等工廠的技術(shù)人員，或者芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)的量產(chǎn)相關(guān)崗位如產(chǎn)品工程師、測試工程師等，都屬于必備的基礎(chǔ)知識。
CP測試
CP是Chip Probing的縮寫，CP測試屬于晶圓級測試，是通過探針卡(Probe Card)和探針臺(Prober)使自動化測試設(shè)備(ATE，Automatic Test Equipment)到晶圓上的單顆芯片(die)之間建立電氣連接。CP測試的目的是確保每顆die都能滿足芯片的設(shè)計(jì)規(guī)格（Specification），篩除其中有問題的die，然后再去做芯片封裝。這樣就可以減少芯片封裝的成本，同時(shí)保證芯片的質(zhì)量。
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CP測試需要的硬件設(shè)備包括探針卡、探針臺、ATE測試機(jī)臺以及測試機(jī)與探針卡之間的接口(Mechanical Interface)。
測試工程師需要基于ATE測試平臺開發(fā)CP測試程序，內(nèi)容通常包括電氣連接性測試、功能測試和參數(shù)測試等。CP測試程序會根據(jù)測試結(jié)果Pass或者Fail進(jìn)行分Bin并生成Inkless Map，標(biāo)記出測試Fail die的wafer map圖。
CP測試結(jié)果通常以良率的形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，良率就是指pass die占測試die總數(shù)的百分比。相應(yīng)的，良率損失是指fail die占測試die總數(shù)的百分比。CP測試也稱為中測，是半導(dǎo)體后道封裝測試的第一站，也是芯片制造完成后第一道驗(yàn)證芯片設(shè)計(jì)規(guī)格的測試。
從節(jié)省芯片生產(chǎn)成本的角度考慮，我們應(yīng)該把盡可能多的測試項(xiàng)目都放到CP測試中，提高CP測試覆蓋率，盡可能早地把有問題的芯片篩出去。但是相應(yīng)地，CP測試硬件的成本(主要是探針卡和測試機(jī)臺)也會上升，歸根到底其實(shí)就是一個需要折中考慮的問題。
如果芯片市場需求量相對較大，測試硬件成本與銷售利潤來比微不足道，那就應(yīng)該盡量提高CP測試覆蓋率。反之，就需要考慮節(jié)省硬件成本。
了解CP測試對于從事半導(dǎo)體封裝測試相關(guān)的崗位比較重要，尤其是封測廠如日月光、安靠、長電等CP測試相關(guān)的技術(shù)人員，或者芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)的量產(chǎn)相關(guān)崗位如產(chǎn)品工程師、測試工程師等，都屬于必備的基礎(chǔ)知識。
未完待續(xù)…...
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