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在探索現(xiàn)代科技的微觀奇跡中，半導(dǎo)體芯片制造無疑扮演著核心角色，它不僅是信息技術(shù)飛速發(fā)展的基石，也是連接數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)生活的橋梁。我們已經(jīng)知道芯片產(chǎn)業(yè)鏈分為設(shè)計(jì)、制造、封測和下游應(yīng)用，并將芯片的制造比喻為在指尖大小的區(qū)域建造摩天大廈。芯片制造又分為晶圓生產(chǎn)和晶圓工藝，其中晶圓工藝又被成稱為前道工藝，相應(yīng)地封測被稱為后道工藝，本篇內(nèi)容主要講前道工藝的相關(guān)知識(shí)。

一、前道工藝技術(shù)概述

在硅晶圓表面制作LSI的工藝稱為前段制程，也稱作：前道工藝，英文全稱：Front-End Of Line，簡稱：FEOL，它是芯片生產(chǎn)的核心階段，主要負(fù)責(zé)在硅晶圓上構(gòu)建晶體管、二極管等基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件，并形成初步電路結(jié)構(gòu)。通常因?yàn)榍暗拦に囍苯記Q定芯片的集成度、性能和可靠性，所以它是半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的核心驅(qū)動(dòng)力。掌握先進(jìn)的前道工藝技術(shù)，有助于企業(yè)在市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

而將晶圓上制作的LSI芯片切割出來，裝入專用封裝后出貨的工藝稱為后段制程，也叫：后道工藝，英文全稱：Back-End Of Line，簡稱：BEOL。在我以下的往期分享中也有詳細(xì)介紹過，這里就不過多贅述了。

半導(dǎo)體制程中芯片"后道工藝（BEOL）”的詳解；mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0MzYyODY5Mg==&mid=2247497631&idx=1&sn=a742481a4b1620e1bc60647fae2ad07b&scene=21#wechat_redirect

其實(shí)，作為前道工藝，還可以進(jìn)一步細(xì)分為小的前道工藝（FEOL）和后道工藝（BEOL）的。簡而言之，前道工藝主要負(fù)責(zé)制造如晶體管這樣的有源器件，而后道工藝則側(cè)重于實(shí)現(xiàn)這些器件之間通過多層布線進(jìn)行的互連。為了更好地理解這一過程，可以參考下面的圖示進(jìn)行對(duì)照：

從上圖示中可以理解到，前道工藝中細(xì)分出來的小的前道工藝扮演著基石的角色，通常處于構(gòu)造的最底部；而小的后道工藝則是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的構(gòu)建和擴(kuò)展。小的前道工藝（FEOL）與后道工藝（BEOL）之間通過中道工藝層（MOL）實(shí)現(xiàn)連接。MOL主要由精細(xì)的金屬構(gòu)造組成，它們充當(dāng)晶體管源極、漏極以及柵極的接觸點(diǎn)，并將這些接觸點(diǎn)與小的后道工藝（BEOL）中的局部互聯(lián)層連接起來。

順便分享一下小的前后道工藝制造的基本步驟：

二、前道與后道工藝的區(qū)別

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

下圖形象地描繪了前道工藝和后道工藝的區(qū)別。由于前道工藝的作業(yè)對(duì)象只有硅晶圓，所以如開頭所述，前道工藝也被稱為“晶圓工藝”。

1、“循環(huán)型”的前道工藝

“循環(huán)型”是仁者見仁，智者見智的一種說法，它對(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。

前道工藝大體分類包括以下工藝:(1)清洗、(2)離子注入和熱處理、(3)光刻、(4)刻蝕、(5)成膜、(6)平坦化(CMP)，并由這六種組合而成。下圖對(duì)這些工藝做了圖示說明。各種各樣的箭頭用來表示通過這些工藝時(shí)有各式各樣的路線選擇。

2、其他幾種工序的基本組合

如上所述，前道工藝基本上由六種工藝組合而成:清洗、離子注入和熱處理、光刻、刻蝕、成膜和平坦化。但是，有各種各樣的組合形式，其含義是對(duì)這些組合多次循環(huán)并把前道工藝集成化。例如在鋁的布線工藝中，如下圖所示，包括(前)清洗鋁膜形成→光刻→刻蝕→(后)清洗，在這種情況下，不使用離子注入、熱處理和平坦化(顏色已更改)。這樣，在某個(gè)工程(單工程)中有一些工藝用到了，還有一些沒有用到，有多個(gè)這樣的單工程，把它們集成起來就構(gòu)成了前道工藝。從這個(gè)意義上說，它會(huì)經(jīng)歷多次相同的工藝，因此本內(nèi)容稱其為循環(huán)型工藝。在這樣的循環(huán)型前道工藝生產(chǎn)線中，無塵室內(nèi)制造設(shè)備的布局通常采用海灣(Bay)方式，這將在后面介紹。

三、追求微細(xì)化的前道工藝

大家都知道：硅半導(dǎo)體是根據(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，從而降低成本的。

1、摩爾定律介紹

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?？赡苡悬c(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。

2、微細(xì)化的發(fā)展歷程

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，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。

四、前道工序基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)內(nèi)容分享

半導(dǎo)體薄膜技術(shù)、光刻技術(shù)、互連技術(shù)及氧化與摻雜技術(shù)，均屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)或微電子技術(shù)領(lǐng)域的核心工藝范疇，共同支撐集成電路、傳感器等半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造，這四項(xiàng)技術(shù)均為半導(dǎo)體/微電子產(chǎn)業(yè)的底層支撐技術(shù)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)從材料制備、圖形轉(zhuǎn)移、器件連接到功能實(shí)現(xiàn)的全流程。以下就是本章節(jié)要跟大家分享的相關(guān)內(nèi)容：

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五、芯片批量制造的前道工藝

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。

1、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?？梢娒娣e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。

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。

2、與LCD 面板的比較

芯片的微細(xì)化趨勢，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。

六、不間斷前道工藝中進(jìn)行的必要檢查和監(jiān)控

前道工藝是一個(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。

1、半導(dǎo)體工藝獨(dú)有的思路

可以說，前道工藝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。在前道工藝中，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。

2、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。

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)需要傳送測試用晶圓，設(shè)備顆粒檢查時(shí)需要顆粒檢查用晶圓。

七、前道工藝Fab的整體介紹

通常情況下，我們習(xí)慣性稱Fab為工廠。由于前道工藝是以晶圓為作業(yè)對(duì)象進(jìn)行的，所以在晶圓的傳輸和潔凈度等方面，與后道工藝的Fab所要求的規(guī)格有很大不同。

1、潔凈室

首先，前道工藝的一大特點(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。

2、Fab工廠需要的設(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，在前道工藝中使用大量純水、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。目前在前道工藝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，前道工藝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道工藝Fab的全景圖。

八、前道工藝Fab產(chǎn)線的Bay布局

前面講過了，因?yàn)榍暗拦に囉址Q為循環(huán)型工藝。因此，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。

1、選擇 Bay (海灣)方式的原因

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。

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。

2、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。

九、總結(jié)一下

芯片制造的前道工藝（FEOL）是半導(dǎo)體制造的核心基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，從空白硅片（晶圓）開始，通過一系列精密工藝加工形成晶體管等基本電路元件及多層互連結(jié)構(gòu)的過程，最終產(chǎn)出帶有完整功能單元的圓形硅片（晶圓）。其本質(zhì)是“從無到有”構(gòu)建芯片的微觀電路骨架，是為后續(xù)后道工藝（封裝測試）提供具備功能的基底。

所以，前道工藝（FEOL）算是芯片制造的“地基”，其技術(shù)水平直接決定了芯片的性能（速度、功耗）、成本（良率）與微縮能力（如3nm工藝的實(shí)現(xiàn)）。從氧化、光刻到CMP，每一步都需要納米級(jí)的精確控制，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最核心的技術(shù)壁壘之一。

參考文獻(xiàn)：

1.【美】Peter Van Zant ，韓鄭生譯，芯片制造-半導(dǎo)體工藝制程實(shí)用教程（第六版），電子工業(yè)出版社；

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3.余盛，芯片戰(zhàn)爭，華中科技大學(xué)出版社。

4.《 芯片制造流程詳解》，半導(dǎo)體行業(yè)觀察；

5.《 芯片制造的10個(gè)關(guān)鍵步驟》，中制智庫；

6.《半導(dǎo)體制造技術(shù)》， 夸克、瑟達(dá)、韓鄭生，電子工業(yè)出版社；

7.《圖解入門：半導(dǎo)體制造》， 佐藤淳一、王憶文、王姝婭，機(jī)械工業(yè)出版社；

8.維基百科、youtube、各廠商官網(wǎng)。

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