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电子封装专用设备 第一部分 1. 半导体制造主要工艺流程与设备概述。

图1 半导体制造、封装、测试工艺流程

图2 芯片制造基本工艺流程图 半导体制造工艺是由多种单项工艺组合而成的，主要包括以下四类：薄膜形成工艺；图形转移工艺；掺杂工艺；热处理工艺。 ⑴ 薄膜形成工艺与设备 薄膜工艺包括氧化工艺和薄膜淀积工艺。通过生长或淀积的方法，生成集成电路制造过程中所需的各种材料的薄膜，如金属层、绝缘层等。

氧化(Oxidation)工艺的主要目的是在硅衬底表面形成氧化膜

SiO2。 在硅衬底表面形成SiO2氧化膜的方法：化学气相淀积(CVD)和氧化。其中氧化又分为自然氧化（在常温下，硅表面可生长出SiO2氧化层，厚约2nm）和热氧化(Thermal Oxidation)（在高温炉中反应，形成较厚的SiO2氧化层，也称为热生长法） 热氧化法的3种环境：①干氧氧化(O2) ②水蒸气氧化(H2O) ③湿氧氧化(H2O+O2)

图3 热氧化生成二氧化硅设备原理示意图 氧化炉主要有高温干式氧化炉和高温湿式氧化炉两种，基本原理如上图所示。 化学气相淀积(CVD, Chemical Vapor Deposition)是利用气态的先驱

反应物，以某种方式激活后，通过原子或分子间化学反应的途径在衬底上淀积生成固态薄膜的技术。利用CVD可获得高纯的晶态或非晶态的金属、半导体、化合物薄膜，能有效控制薄膜化学成分，且设备运转成本低，与其他相关工艺有较好的相容性。CVD技术已有100多年历史，应用领域很广，如轴承的耐磨涂层、核反应堆里的耐高温涂层。 CVD工艺采用的设备为CVD反应炉，有卧式反应炉立式反应炉。

（PECVD）其中PECVD是通过高能射频源获得的等离子体提供能量，不容易对硅衬底造成损伤。每种工艺方法都有装用设备。 ⑵ 图形转移工艺 图形转移工艺包括光刻工艺和刻蚀工艺。从物理上说，集成电路是由许许多多的半导体元器件组合而成的，对应在硅晶圆片上就是半导体、导体以及各种不同层上的隔离材料的集合。集成电路制造工艺首先将这些结构以图形的形式制作在光刻掩模板上，然后通过图形转移技术将图形转移到硅晶圆片上。 光刻工艺是一种图像复印技术，是集成电路制造工艺中的一项关

键工艺。光刻利用光刻胶感光后特性发生改变的原理，将光刻掩模板的图形精确地复印到涂在硅晶圆片上的光刻胶上，然后利用光刻胶作为掩模保护，在晶圆片表面的掩模层上进行选择性加工（刻蚀或注入），从而在晶圆片上获得相应的电路图形结构。 光刻工艺三要素是光刻机，掩膜板和光刻胶。光刻机会在后面星系介绍。光刻掩膜版是集成电路设计与实际晶圆的中间环节，作用相当于将图形印到半导体材料上的膜版。光刻掩膜版的生产与晶圆的生产原理基本相同。在半导体生产早期，光刻掩膜版的生产非常简单。掩膜版上的图形与晶圆上的相同，1：1地从光刻掩膜版传输到晶圆上，并且芯片上芯片模的数量与光刻掩膜版上的相同。光刻胶(Photoresist, Resist)又叫光致抗蚀剂，是一种由碳、氢、氧等元素组成的有机化合物。正胶(Positive Resist)是指曝光前对某些溶剂不可溶，而曝光后变为可溶的一类光刻胶。负胶(Negative Resist)是指曝光前对某些溶剂是可溶的，曝光后硬化成不可溶解的一类光刻胶。光刻工艺步骤为（1）表面准备（2）涂胶（3）软烘焙（4）对准和曝光（5）显影（6）硬烘焙（7）显影检查（8）刻蚀（9）去除光刻胶（10）最终检查。 刻蚀就是将涂胶前所淀积的薄膜中没有被光刻胶（经过曝光和显

影后）覆盖和保护的部分去除掉，达到将光刻胶上的图形转移到其下层材料上的目的。刻蚀工艺主要有湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀(Wet Etch)是利用溶液与被刻蚀材料之间的化学反应，来去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分，从而达到刻蚀目的。化学溶液称为刻蚀剂(Etchant)。设备为湿法刻蚀机。干法刻蚀(Dry Etch)是利用低压放电产生的等离子体(Plasma)中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)，与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用或两者相结合，从而达到刻蚀的目的。干法刻蚀采用的是气体刻蚀剂。设备有等离子体刻蚀机和反应离子刻蚀机等。 （3）掺杂工艺 掺杂工艺包括扩散工艺和离子注入工艺，通过这些工艺将各种杂质按照设计要求掺入晶圆片的特定位置上，形成晶体管的各“极”以及欧姆接触（金属与半导体的接触）等。 扩散(Diffusion)是一种常用的衬底掺杂(Doping)工艺，使可控量的

掺杂物(Dopant)进入衬底的选定区域。扩散与离子注入（另一种掺杂工艺）不同，是一个缓慢注入的过程，且发生在高温下。热扩散是最主要、最普遍的掺杂方法。扩散炉是集成电路生产线前工序的重要工艺设备之一，主要用途是对半导体进行掺杂，即在高温条件下将掺杂材料扩散入硅片，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。 离子注入(Ion Implantation)是一种物理掺杂工艺，用于向衬底中

掺杂。将具有很高能量的杂质离子(B, P, As)射入衬底晶片（俗称靶）之中，并通过逐点扫描完成对整块晶片的注入。离子注入现已成为优选的IC掺杂工艺，其工艺设备为离子注入机。离子注入机配有精密的电子仪器和机械装置，晶片掺杂完全处于受控状态，可以精确控制杂质分布。 （4） 热处理工艺 退火工艺 （5） 其他辅助工艺与技术 化学机械平坦化工艺，化学机械平坦化(CMP, Chemical Mechanical Planarization)是一种表面全局平坦化技术。CMP设备称为抛光机。清洗工艺，在每一工艺流程环节里都要清除掉附着在硅圆片上的污染物，防止把污染带到下一道工序。目前有全自动硅片清洗机。 2. 芯片封装工艺流程与设备概述。 集成电路封封装设备是指基片上完成制芯工艺之后的所有加工工艺设备。封装对集成电路起支撑和机械保护、传输信号和分配电源、集成电路热耗散和环境保护等作用。芯片封装设备：背面研磨、划片设备、键合设备、塑封设备、老化设备。 （1）研磨、划片工艺与设备 最常用的背面减薄技术有：磨削、CMP（化学机械抛光）、湿法腐蚀、ADPE（常压等离子腐蚀）和干式拋光五种。 芯片封装测试主要工艺流程 背面研磨的两种方式，即缓进式和切人式。 缓进式 使晶圆通过一个杯形砂轮的底部进行研磨；晶圆本身不旋转；研磨机有三个轴，分别作粗磨、中度磨、精细磨。 切入式 通过将晶圆放置在载台上旋转，同时杯形砂轮逐渐下切来实现研磨；晶圆厚度通过一个接触式在线测量探针来监控；研磨机有两个轴，分别作粗磨和精细磨。 研磨机基本结构示意图 研磨过程：①研磨轴Z1粗磨一结束，晶圆就转到第二根研磨轴Z2进行精细研磨。②研磨轴的关键点在结束前的驻留（消痕）阶段。③杯形砂轮在研磨过程中会产生弹性形变。④消痕指的是杯形砂轮在下切压力解除后在晶圆上短暂驻留。也就是说，一旦测得研磨即将结束（通过在线测量仪的反馈），轴杆停止下切，晶圆载台在此状态下继续旋转数圈。 主要组成：（1）承片台 多套承片台分布在360度圆周上。（2）折臂式机械手装置 三个伺服电机系统，一个旋转汽缸，三个编码器和一个光电传感器。机械手具有4个自由度。驱动部分采用伺服电机驱动精密滚珠丝杠来实现，定位精度为0.01mm。（3）在线测量系统 测量范围：应当包含0-1000微米。测量精度应当不低于1微米，分辨率在0.1微米左右。能在加工过程中进行在线测量件。

在线测量系统原理 划片是将经过背面研磨工艺磨薄的晶圆切割成单个芯片的工艺制程。 常用划片方法：砂轮划片机，干式激光划片机，微水导激光划片机。 划片机构成特点:划片机包括：切刃具支撑（金刚刀支架、主轴或激光器等）、Z向划切深度控制、Y向分度定位、X向划切进给以及晶向平行调整结构；都具备X、Y、Z、晶向四维基本运动；根据类型及自动化程度不同，分别配有空气静压主轴、激光器以及位置对准显微镜、自动上下片和自动清洗甩干等辅助功能单元。 划片机功能构成：1) 对准 在晶圆被划片之前，切割部位必须对准。 2) 刀片破损探测器3）非接触设置 这项功能非常重要。知道刀片和晶圆载台的相对位置对于划片机的控制是非常重要的。划片机必须将切割精度控制在几个微米之内。4）划痕检查 划痕是指在划片过程中，街区上实际被切除的材料尺寸，通常为刀片的厚度。在划片进行中通过划痕检查来检查划片的质量。5）二氧化碳混入器 硅晶圆划片时使用去离子水用做冷却液。将二氧化碳溶入去离子水中，形成微弱的碳酸，从而将去离子水中的电阻率降到1MΩ.cm。这样起到降低刀片冷却液表面张力、清除颗粒沾污物以及延长刀片使用寿命的作用。6）转台清洗 这个设备在划片后清洗和干燥晶圆。7）紫外光照射设备 划片工艺使用UV胶带时，这个设备在划片后的晶圆放入框架匣内之前用紫外光照射来降低胶带黏性，以便在划片工艺结束后直接进行贴片工艺。 （2）键合工艺与设备 芯片封装形式主要有三种：引线键合、TAB（载带自动安装）、倒装芯片 引线键合 引线键合是通过金属细线将芯片上的每个IC焊盘与封装体

上相对应的焊盘连接起来的芯片封装互连技术，每次连接一根。

引线键合设备的精度在微米级水平，而芯片键合设备的定位精度在