桫欏

技術(shù)流網(wǎng)友經(jīng)常討論國(guó)產(chǎn)芯片的制造為何如此之難，實(shí)際上半導(dǎo)體的前段工序、后段工序以及封裝是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，今天我們來(lái)了解一下。

雖然半導(dǎo)體的前段工序中有500～1000（甚至更多）道工藝，但是工藝卻很簡(jiǎn)單

首先以直徑為200～300毫米的硅晶圓（Silicon Wafer）為基板，進(jìn)行以下規(guī)定的工序（反復(fù)30～50次，甚至更多）：清洗→成膜→光刻形成線路（Lithography Patterning）→蝕刻（Etching）→拋光（Ashing）或者清洗→檢測(cè)。除以上工藝之外，還有離子注入、熱處理、CMP等工藝。

通過(guò)前段工序，在硅晶圓上形成晶體管、電容、排線等的3D 結(jié)構(gòu)。此外，在硅晶圓上同時(shí)形成約1000個(gè)芯片（Chip）。前段工序中使用的主要設(shè)備，占比較高的有涂布顯影設(shè)備（Coater & Developer，92%）、熱處理設(shè)備（也被稱為“縱型擴(kuò)散爐”，93%）、單片式清洗設(shè)備（63%）和批量式（Batch）清洗設(shè)備（86%）、測(cè)長(zhǎng)SEM（80%）等。

前段工序中使用的主要材料的企業(yè)占比

亞洲企業(yè)在硅晶圓、各類光刻膠、各類CMP粉漿、各類高純度溶液等產(chǎn)品中的占比極高。歐美方面，AMAT（美國(guó)應(yīng)用材料）、Lam Research（Lam，泛林集團(tuán)）、KLA（科磊）、ASML（阿斯麥）四家歐美企業(yè)是如何研發(fā)設(shè)備的呢？首先，他們根據(jù)市場(chǎng)（Marketing），把握需求（Needs），各類設(shè)備在最初研發(fā)階段都有科技（Science）成分存在。在需求和科技的引領(lǐng)下，根據(jù)強(qiáng)有力的自上而下的領(lǐng)導(dǎo)方式，構(gòu)架整個(gè)設(shè)備，且多以模組化的形式呈現(xiàn)。

在研發(fā)設(shè)備的各個(gè)階段，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，將技術(shù)和技巧“軟件化”，融入設(shè)備。最后，將以上元素匯聚于一體，生產(chǎn)出擁有全球標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。

因此，可以看出，歐美社會(huì)的“堅(jiān)硬強(qiáng)勢(shì)”的“契約精神”被反映得淋漓盡致?？傮w而言，大部分亞洲設(shè)備廠家是為各個(gè)半導(dǎo)體廠家“量身定制”設(shè)備，而歐美的設(shè)備廠家基本上是僅生產(chǎn)一種具有全球標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。

亞洲企業(yè)在液體、流體等形狀不固定的材料方面占有較高比例，而歐美廠家在使用光、電子束（Beam）、等離子的真空設(shè)備方面占有較高比例的原因正在于此。

歐美人是理論先行。在研發(fā)初期，進(jìn)行充分的討論，然后才固定一條方針。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)造規(guī)則（Rule）、情節(jié)（Story）、邏輯（Logic）。反過(guò)來(lái)說(shuō)，歐美技術(shù)人員的下屬們比較笨拙，做實(shí)驗(yàn)的水平也不高。

接下來(lái)我們討論后段工序。隨著3D封裝（3D Packing，以下簡(jiǎn)稱為“3D IC”）時(shí)代的到來(lái)，在前段工序、后段工序（封裝）中間，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變。

在2010年前后，半導(dǎo)體前段工序處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。其中，光刻技術(shù)人員是所謂的“香餑餑”，甚至出現(xiàn)了以下言論：“沒(méi)有光刻，就不會(huì)有蝕刻”;“只要做好光刻，就會(huì)通過(guò)后面的工藝自動(dòng)做成晶體管”。

前段工序和后段工序的轉(zhuǎn)移

然而在現(xiàn)代社會(huì)的尖端半導(dǎo)體中，各家Foundry代工廠（如TSMC等）、英特爾和三星電子等IDM（Integrated Device Manufacturer，垂直整合型）廠家、OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Test，外包半導(dǎo)體產(chǎn)品封裝和測(cè)試）廠家都競(jìng)相開始研發(fā)3D IC。

面對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，終端消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)“輕、薄、短、小”的外形尺寸以及多元功能的追求不曾停歇，目前封裝業(yè)研發(fā)重點(diǎn)在于把厚度做最大利用，3D IC技術(shù)是目前唯一能滿足上述需求的關(guān)鍵技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是利用 3D IC堆疊、矽穿孔、TSV等技術(shù)將芯片整合到效能最佳、體積最小的狀態(tài)。

就3D IC研發(fā)而言，最先進(jìn)行研發(fā)的是封裝設(shè)計(jì)。融入3D IC的SoC（System on Chip，系統(tǒng)級(jí)芯片）、GPU、DRAM等芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。要生產(chǎn)出以上“商品”，需要前段工序的技術(shù)要素。

在前段工序中，在單顆晶圓上形成1000個(gè)左右的芯片（Chip），而在后段工序中，通過(guò)裁斷（Dicing）工藝，將一顆顆芯片（Chip）切割出來(lái)，封裝到IC載板上，再進(jìn)行各類測(cè)試，最終完成產(chǎn)品。

與前段工序不同，后段工序中相對(duì)復(fù)雜的是有機(jī)基板（一般為有機(jī)基板，用于搭載芯片，據(jù)說(shuō)因用途、企業(yè)不同而不同）。即，后段工序中沒(méi)有像前段工序中的硅晶圓（Silicon Wafer）那樣的全球標(biāo)準(zhǔn)，因此，要理解后段工序是有難度的。

此外，與前段工序的技術(shù)節(jié)點(diǎn)（Technology Node）相比，后段工序的設(shè)計(jì)規(guī)則（Design Rule）有三位數(shù)的差異（前段工序?yàn)榧{米級(jí)、后段工序?yàn)槲⒚准?jí)）。

就目前而言，臺(tái)積電（TSMC）在前段工序中已經(jīng)開始量產(chǎn)N5（5納米級(jí)）節(jié)點(diǎn)，而后段工序中使用的有機(jī)基板的設(shè)計(jì)規(guī)則還停留在5微米。此外，臺(tái)積電已開始使用其 N3（3 納米級(jí)）制造工藝生產(chǎn)芯片。像往常一樣，這家芯片合約制造商及其合作伙伴需要幾個(gè)季度的時(shí)間來(lái)完善技術(shù)和設(shè)計(jì)，然后才能進(jìn)入大批量制造 （HVM）。

臺(tái)積電在其位于臺(tái)南附近科學(xué)園的Fab 18 中啟動(dòng)了 N3 芯片的試生產(chǎn)，由于新工藝的周期時(shí)間超過(guò)100天，臺(tái)積電制造的第一批N3芯片將于2023年初出貨。臺(tái)積電的N3 制造技術(shù)是代工廠的下一代節(jié)點(diǎn)，專為智能手機(jī)和高性能計(jì)算 （HPC） 應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)，與臺(tái)積電通常首先解決移動(dòng)設(shè)計(jì)的策略背道而馳。新工藝將積極使用“超過(guò)20層”的極紫外光刻 （EUVL），并對(duì)現(xiàn)有N5節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性改進(jìn)。臺(tái)積電承諾性能提升10%到 15%（在相同的功率和晶體管數(shù)量下）、高達(dá)30%的功耗降低（在相同的時(shí)鐘和復(fù)雜度下）、高達(dá) 70% 的邏輯密度增益和高達(dá)20%的SRAM密度增益。

那些完全沉浸于“唯微縮化是最重要的工藝”想法的前段工序的技術(shù)人員看到這種情況后，或許會(huì)認(rèn)為“半導(dǎo)體后段工序也就是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的水平”。其實(shí)，這種想法不嚴(yán)謹(jǐn)，如果后段工序中的有機(jī)基板的設(shè)計(jì)規(guī)則可以緊跟前段工序的微縮化發(fā)展，那么，封裝的最終產(chǎn)品顯然能賣到高價(jià)，對(duì)銷售大有益處。

就后段工序的工藝而言，既有OSAT（Outsourced Semiconductor Assembly and Testing，外包半導(dǎo)體產(chǎn)品封裝和測(cè)試）封裝的情況，也有芯片廠（如英特爾）自行封裝的情況，為了易于讀者理解，我們假設(shè)全部由OSAT進(jìn)行封裝。

（1） 首先，由英特爾決定把芯片（Chip）封裝在哪家公司的基板上、英特爾決定基板的原材料。

（2） 被英特爾選定的味之素Fine-Techno、三菱氣體化學(xué)等基板材料廠家把基板材料供給由英特爾選定的基板廠家（揖斐電電子、新光電氣）。

（3） 揖斐電電子、新光電氣根據(jù)英特爾的規(guī)格要求，生產(chǎn)有機(jī)基板，然后將基板出貨給日月光（ASE）、安靠（Amkor）等OSAT廠家。

（4） OSAT再采購(gòu)各類用于后段工序的設(shè)備、材料，如DISCO（迪思科）的切割設(shè)備（Dicer）等。

（5） 英特爾再把在前段工序中完成的晶圓（Wafer）交給OSAT。

（6） OSAT利用后段工序的各類設(shè)備、材料，為英特爾封裝、測(cè)試各類最終產(chǎn)品。

如上所述，經(jīng)過(guò)前后段工序各個(gè)設(shè)備的協(xié)調(diào)配合，走完流程，一塊處理器（Processor）誕生了。