Una explicación completa del proceso de fabricación de chips (2/2): desde la oblea hasta el embalaje y las pruebas

La fabricación de cada producto semiconductor requiere cientos de procesos y todo el proceso de fabricación se divide en ocho pasos:procesamiento de obleas - oxidación - fotolitografía - grabado - deposición de películas delgadas - interconexión - pruebas - embalaje.

Paso 5: Deposición de película delgada

Para crear los microdispositivos dentro del chip, necesitamos depositar continuamente capas de películas delgadas y eliminar el exceso de partes mediante grabado, y también agregar algunos materiales para separar diferentes dispositivos. Cada transistor o celda de memoria se construye paso a paso mediante el proceso anterior. La "película delgada" de la que estamos hablando aquí se refiere a una "película" con un espesor de menos de 1 micrón (μm, una millonésima parte de un metro) que no puede fabricarse mediante métodos de procesamiento mecánico ordinarios. El proceso de colocar una película que contiene las unidades moleculares o atómicas requeridas sobre una oblea se llama "deposición".

Para formar una estructura semiconductora de múltiples capas, primero debemos hacer una pila de dispositivos, es decir, apilar alternativamente varias capas de películas metálicas delgadas (conductoras) y películas dieléctricas (aislantes) en la superficie de la oblea, y luego eliminar el exceso. piezas a través de procesos repetidos de grabado para formar una estructura tridimensional. Las técnicas que se pueden utilizar para los procesos de deposición incluyen la deposición química de vapor (CVD), la deposición de capa atómica (ALD) y la deposición física de vapor (PVD), y los métodos que utilizan estas técnicas se pueden dividir en deposición seca y húmeda.

Deposición química de vapor (CVD)

En la deposición química de vapor, los gases precursores reaccionan en una cámara de reacción para formar una película delgada adherida a la superficie de la oblea y los subproductos que se bombean fuera de la cámara. La deposición química de vapor mejorada con plasma utiliza plasma para generar los gases reactivos. Este método reduce la temperatura de reacción, lo que lo hace ideal para estructuras sensibles a la temperatura. El uso de plasma también puede reducir la cantidad de deposiciones, lo que a menudo da como resultado películas de mayor calidad.

Deposición de capas atómicas (ALD)

La deposición de capas atómicas forma películas delgadas depositando sólo unas pocas capas atómicas a la vez. La clave de este método es realizar ciclos de pasos independientes que se realizan en un orden determinado y mantener un buen control. El primer paso es recubrir la superficie de la oblea con un precursor y luego se introducen diferentes gases para reaccionar con el precursor y formar la sustancia deseada en la superficie de la oblea.

Deposición física de vapor (PVD)

Como su nombre lo indica, la deposición física de vapor se refiere a la formación de películas delgadas por medios físicos. La pulverización catódica es un método físico de deposición de vapor que utiliza plasma de argón para pulverizar átomos de un objetivo y depositarlos en la superficie de una oblea para formar una película delgada. En algunos casos, la película depositada se puede tratar y mejorar mediante técnicas como el tratamiento térmico ultravioleta (UVTP).

Paso 6: Interconexión

La conductividad de los semiconductores se da entre conductores y no conductores (es decir, aislantes), lo que nos permite controlar completamente el flujo de electricidad. Los procesos de litografía, grabado y deposición basados ​​en obleas pueden construir componentes como transistores, pero deben estar conectados para permitir la transmisión y recepción de energía y señales.

Los metales se utilizan para la interconexión de circuitos debido a su conductividad. Los metales utilizados para semiconductores deben cumplir las siguientes condiciones:

· Baja resistividad: Dado que los circuitos metálicos necesitan pasar corriente, los metales que contienen deben tener baja resistencia.

· Estabilidad termoquímica: Las propiedades de los materiales metálicos deben permanecer sin cambios durante el proceso de interconexión del metal.

· Alta confiabilidad: A medida que se desarrolla la tecnología de circuitos integrados, incluso pequeñas cantidades de materiales metálicos de interconexión deben tener suficiente durabilidad.

· Costo de fabricación: Incluso si se cumplen las tres primeras condiciones, el costo del material es demasiado alto para satisfacer las necesidades de la producción en masa.

El proceso de interconexión utiliza principalmente dos materiales, aluminio y cobre.

Proceso de interconexión de aluminio

El proceso de interconexión del aluminio comienza con la deposición del aluminio, la aplicación del fotorresistente, la exposición y el revelado, seguido del grabado para eliminar selectivamente cualquier exceso de aluminio y fotorresistente antes de entrar en el proceso de oxidación. Una vez completados los pasos anteriores, se repiten los procesos de fotolitografía, grabado y deposición hasta que se completa la interconexión.

Además de su excelente conductividad, el aluminio también es fácil de fotolitografiar, grabar y depositar. Además, tiene un bajo coste y buena adherencia a la película de óxido. Sus desventajas son que es fácil de corroer y tiene un bajo punto de fusión. Además, para evitar que el aluminio reaccione con el silicio y cause problemas de conexión, es necesario agregar depósitos metálicos para separar el aluminio de la oblea. Este depósito se denomina "barrera metálica".

Los circuitos de aluminio se forman por deposición. Después de que la oblea ingresa a la cámara de vacío, una película delgada formada por partículas de aluminio se adherirá a la oblea. Este proceso se denomina "deposición de vapor (VD)", que incluye la deposición química de vapor y la deposición física de vapor.

Proceso de interconexión de cobre

A medida que los procesos de semiconductores se vuelven más sofisticados y los tamaños de los dispositivos se reducen, la velocidad de conexión y las propiedades eléctricas de los circuitos de aluminio ya no son adecuadas y se necesitan nuevos conductores que cumplan con los requisitos de tamaño y costo. La primera razón por la que el cobre puede reemplazar al aluminio es que tiene menor resistencia, lo que permite velocidades de conexión de dispositivos más rápidas. El cobre también es más confiable porque es más resistente a la electromigración, el movimiento de iones metálicos cuando la corriente fluye a través de un metal, que el aluminio.

Sin embargo, el cobre no forma compuestos fácilmente, lo que dificulta su vaporización y eliminación de la superficie de una oblea. Para abordar este problema, en lugar de grabar cobre, depositamos y grabamos materiales dieléctricos, que forman patrones de líneas metálicas que consisten en zanjas y vías donde sea necesario, y luego llenamos los "patrones" antes mencionados con cobre para lograr la interconexión, un proceso llamado "damasco". .

A medida que los átomos de cobre continúan difundiéndose en el dieléctrico, el aislamiento de este último disminuye y crea una capa de barrera que bloquea la difusión de los átomos de cobre. Luego se forma una fina capa de semilla de cobre sobre la capa de barrera. Este paso permite la galvanoplastia, que es el relleno de patrones de alta relación de aspecto con cobre. Después del llenado, el exceso de cobre se puede eliminar mediante pulido mecánico químico del metal (CMP). Una vez finalizado, se puede depositar una película de óxido y el exceso de película se puede eliminar mediante fotolitografía y procesos de grabado. El proceso anterior debe repetirse hasta que se complete la interconexión de cobre.

De la comparación anterior, se puede ver que la diferencia entre la interconexión de cobre y la interconexión de aluminio es que el exceso de cobre se elimina mediante CMP metálico en lugar de grabarlo.

Paso 7: Prueba

El objetivo principal de la prueba es verificar si la calidad del chip semiconductor cumple con un determinado estándar, para eliminar productos defectuosos y mejorar la confiabilidad del chip. Además, los productos defectuosos analizados no entrarán en la etapa de embalaje, lo que ayuda a ahorrar costes y tiempo. La clasificación electrónica de matrices (EDS) es un método de prueba para obleas.

EDS es un proceso que verifica las características eléctricas de cada chip en estado de oblea y así mejora el rendimiento del semiconductor. EDS se puede dividir en cinco pasos, de la siguiente manera:

01 Monitoreo de parámetros eléctricos (EPM)

EPM es el primer paso en las pruebas de chips semiconductores. Este paso probará cada dispositivo (incluidos transistores, condensadores y diodos) necesarios para los circuitos integrados de semiconductores para garantizar que sus parámetros eléctricos cumplan con los estándares. La función principal de EPM es proporcionar datos de características eléctricas medidas, que se utilizarán para mejorar la eficiencia de los procesos de fabricación de semiconductores y el rendimiento del producto (no para detectar productos defectuosos).

02 Prueba de envejecimiento de la oblea

La tasa de defectos de semiconductores proviene de dos aspectos: la tasa de defectos de fabricación (más alta en la etapa inicial) y la tasa de defectos en todo el ciclo de vida. La prueba de envejecimiento de la oblea se refiere a probar la oblea bajo una determinada temperatura y voltaje CA/CC para descubrir los productos que pueden tener defectos en la etapa inicial, es decir, mejorar la confiabilidad del producto final al descubrir defectos potenciales.

03 Detección

Una vez completada la prueba de envejecimiento, es necesario conectar el chip semiconductor al dispositivo de prueba con una tarjeta de sonda y luego se pueden realizar las pruebas de temperatura, velocidad y movimiento en la oblea para verificar las funciones relevantes del semiconductor. Consulte la tabla para obtener una descripción de los pasos de prueba específicos.

04 Reparación

La reparación es el paso de prueba más importante porque algunos chips defectuosos se pueden reparar reemplazando los componentes problemáticos.

05 Puntos

Los chips que no pasaron la prueba eléctrica se clasificaron en los pasos anteriores, pero aún es necesario marcarlos para distinguirlos. En el pasado, necesitábamos marcar los chips defectuosos con tinta especial para asegurarnos de que pudieran identificarse a simple vista, pero ahora el sistema los clasifica automáticamente según el valor de los datos de prueba.

Paso 8: embalaje

Después de los procesos anteriores, la oblea formará chips cuadrados de igual tamaño (también conocidos como "chips individuales"). Lo siguiente que debemos hacer es obtener virutas individuales mediante corte. Los chips recién cortados son muy frágiles y no pueden intercambiar señales eléctricas, por lo que deben procesarse por separado. Este proceso es el empaquetado, que incluye formar una capa protectora fuera del chip semiconductor y permitirles intercambiar señales eléctricas con el exterior. Todo el proceso de envasado se divide en cinco pasos: corte de obleas, fijación de un solo chip, interconexión, moldeo y prueba de envasado.

01 Corte de obleas

Para cortar innumerables chips densamente dispuestos de la oblea, primero debemos "moler" cuidadosamente la parte posterior de la oblea hasta que su grosor satisfaga las necesidades del proceso de envasado. Después de moler, podemos cortar a lo largo de la línea de trazado de la oblea hasta que se separe el chip semiconductor.

Hay tres tipos de tecnología de corte de obleas: corte con cuchilla, corte por láser y corte por plasma. El corte en cubitos con cuchilla es el uso de una cuchilla de diamante para cortar la oblea, que es propensa al calor por fricción y a los desechos y, por lo tanto, a dañar la oblea. El corte en cubitos por láser tiene mayor precisión y puede manejar fácilmente obleas con un espesor fino o un espacio entre líneas pequeño. El corte en cubitos con plasma utiliza el principio de grabado con plasma, por lo que esta tecnología también es aplicable incluso si el espacio entre líneas de trazado es muy pequeño.

02 Accesorio de oblea única

Después de separar todos los chips de la oblea, debemos unir los chips individuales (obleas individuales) al sustrato (marco principal). La función del sustrato es proteger los chips semiconductores y permitirles intercambiar señales eléctricas con circuitos externos. Se pueden utilizar cintas adhesivas líquidas o sólidas para unir los chips.

03 Interconexión

Después de fijar el chip al sustrato, también necesitamos conectar los puntos de contacto de los dos para lograr el intercambio de señales eléctricas. Hay dos métodos de conexión que se pueden usar en este paso: unión de cables usando alambres metálicos delgados y unión de chip invertido usando bloques esféricos de oro o bloques de estaño. La unión de cables es un método tradicional y la tecnología de unión de chip invertido puede acelerar la fabricación de semiconductores.

04 Moldura

Después de completar la conexión del chip semiconductor, se necesita un proceso de moldeo para agregar un paquete al exterior del chip para proteger el circuito integrado semiconductor de condiciones externas como la temperatura y la humedad. Después de fabricar el molde del paquete según sea necesario, debemos colocar el chip semiconductor y el compuesto de moldeo epoxi (EMC) en el molde y sellarlo. El chip sellado es la forma final.

05 Prueba de embalaje

Los chips que ya han tenido su forma final también deben pasar la prueba final de defectos. Todos los chips semiconductores terminados que entran en la prueba final son chips semiconductores terminados. Se colocarán en el equipo de prueba y establecerán diferentes condiciones como voltaje, temperatura y humedad para pruebas eléctricas, funcionales y de velocidad. Los resultados de estas pruebas se pueden utilizar para encontrar defectos y mejorar la calidad del producto y la eficiencia de la producción.

Evolución de la tecnología de envasado.

A medida que el tamaño del chip disminuye y los requisitos de rendimiento aumentan, el embalaje ha experimentado muchas innovaciones tecnológicas en los últimos años. Algunas tecnologías y soluciones de envasado orientadas al futuro incluyen el uso de deposición para procesos tradicionales de back-end, como el envasado a nivel de oblea (WLP), los procesos de amortiguación y la tecnología de capa de redistribución (RDL), así como tecnologías de grabado y limpieza para el front-end. fabricación de obleas.

¿Qué es el embalaje avanzado?

El embalaje tradicional requiere que cada chip se corte de la oblea y se coloque en un molde. El empaquetado a nivel de oblea (WLP) es un tipo de tecnología de empaquetado avanzada, que se refiere al empaquetado directo del chip que aún se encuentra en la oblea. El proceso de WLP consiste en empaquetar y probar primero, y luego separar todos los chips formados de la oblea a la vez. En comparación con los envases tradicionales, la ventaja de WLP es su menor coste de producción.

El embalaje avanzado se puede dividir en embalaje 2D, embalaje 2,5D y embalaje 3D.

Embalaje 2D más pequeño

Como se mencionó anteriormente, el objetivo principal del proceso de empaquetado incluye enviar la señal del chip semiconductor al exterior, y las protuberancias formadas en la oblea son los puntos de contacto para enviar señales de entrada/salida. Estos golpes se dividen en abanico de entrada y abanico de salida. El primero en forma de abanico está dentro del chip y el último en forma de abanico está más allá del rango del chip. A la señal de entrada/salida la llamamos E/S (entrada/salida), y el número de entradas/salidas se llama recuento de E/S. El recuento de E/S es una base importante para determinar el método de empaquetado. Si el recuento de E/S es bajo, se utiliza el empaquetado en abanico. Dado que el tamaño del chip no cambia mucho después del empaquetado, este proceso también se denomina empaquetado a escala de chip (CSP) o empaquetado a escala de chip a nivel de oblea (WLCSP). Si el recuento de E/S es alto, generalmente se utiliza el empaquetado en abanico y se requieren capas de redistribución (RDL) además de los golpes para permitir el enrutamiento de la señal. Este es el "envasado a nivel de oblea en abanico (FOWLP)".

embalaje 2.5D

La tecnología de empaquetado 2.5D puede colocar dos o más tipos de chips en un solo paquete y al mismo tiempo permitir que las señales se enruten lateralmente, lo que puede aumentar el tamaño y el rendimiento del paquete. El método de empaquetado 2.5D más utilizado es colocar chips de memoria y lógicos en un solo paquete a través de un intercalador de silicio. El empaquetado 2.5D requiere tecnologías centrales como vías a través de silicio (TSV), microprotuberancias y RDL de paso fino.

embalaje 3D

La tecnología de empaquetado 3D puede colocar dos o más tipos de chips en un solo paquete y al mismo tiempo permitir que las señales se enruten verticalmente. Esta tecnología es adecuada para chips semiconductores con un número de E/S más pequeño y mayor. TSV se puede utilizar para chips con recuentos de E/S elevados, y la unión de cables se puede utilizar para chips con recuentos de E/S bajos y, en última instancia, formar un sistema de señal en el que los chips se organizan verticalmente. Las tecnologías principales necesarias para el envasado 3D incluyen TSV y la tecnología de micro-bumps.

Hasta ahora, se han introducido por completo los ocho pasos de la fabricación de productos semiconductores: "procesamiento de obleas - oxidación - fotolitografía - grabado - deposición de películas finas - interconexión - pruebas - embalaje". Desde la "arena" hasta los "chips", la tecnología de semiconductores realiza una versión real de "convertir piedras en oro".

VeTek Semiconductor es un fabricante chino profesional deRecubrimiento de carburo de tantalio, Recubrimiento de carburo de silicio, Grafito especial, Cerámica de carburo de silicioyOtras cerámicas semiconductoras. VeTek Semiconductor se compromete a proporcionar soluciones avanzadas para diversos productos de obleas de SiC para la industria de semiconductores.

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