先进制程、先进封装、半导体设备常识
先进制程、先进封装、半导体设备常识
随着科技的不断发展，半导体产业已成为现代工业的重要支柱。作为信创产业从业者，CPU作为核心部件，虽然我们基于成品进行改造升级，与集成电路没多大关系，个人以为信创是一个庞大的产业链，很难完全分割每个环节，比如评价国产CPU的制造工艺、封装测试等这就需要对集成电路产业知识有一定了解，如果大家有关注半导体行业，听到最多的就是先进制程和先进封装，其实就是对应晶圆代工（晶圆制造、晶圆加工）和封装测试环节，其中封测环节与国际先进水平差距最小，**本文参阅了一些文章从科普角度供大家阅读。
一、先进制程
在说先进制程之前我们先普及一下，晶圆，那么，晶圆是个啥？晶圆是IC（集成电路）的原材料，在晶圆上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能的IC产品（半导体产品），制造环节又分为晶圆制造和晶圆加工两部分。
相信大家多少会听过，所有半导体工艺都始于一粒沙子！这是因为沙子所含的硅（SiO2）是生产晶圆所需要的原材料。
1、晶圆制造
晶圆制造将SiO2（二氧化硅）原料逐步制得单晶硅晶圆然后切片成芯片的基板，包含硅的纯化－＞多晶硅制造－＞拉晶－＞切割、研磨等步骤。过程对应的设备分别是熔炼炉、CVD设备、单晶炉和切片机等。
翻译一下晶圆制造的过程就是：
首先，晶圆制造厂会将硅纯化、溶解成液态，在圆形上做成一个个小格子（硅晶格），然后就像是旋转楼梯一样，一边旋转一边成型，也就是在给晶圆拉晶，这个时候就变成了一根单晶硅棒。接着，晶圆厂会用钻石刀像切火腿一般，将一整条的晶柱切成一片片的薄片，再经过抛光后，就变成了芯片的基板----晶圆。
常听到的8 英寸、12 英寸晶圆厂，代表的就是硅晶柱切成薄片后的晶圆直径。可别小看这个尺寸，晶圆的尺寸，可以决定后续裁切制作出来的芯片有多少数量，就像是上面那个圆形可以分割成多少个小的正方形一样。
数学好的朋友可以这样理解一下：一片12寸晶圆的表面积是一片8寸晶圆的2.25倍，也就是说在相同良率下，12寸晶圆厂的生产效率会是8寸晶圆厂的2.25倍，因此只要两种晶圆尺寸的生产成本差距在2.25倍以下的话，生产12寸晶圆便会比生产8寸晶圆来的有优势，故生产12寸晶圆其实是较为先进的技术。
顺便给个数据大概感受一下，直径8英寸的晶圆片使用2.0微米的制程，可以切出588颗64M的DRAM (存储器)；至于12英寸的晶圆，可以切出的成品又更多。
一般来说，较小尺寸的晶圆（如 6 英寸或 8 英寸）可能更适用于一些特定的应用或传统的制造工艺，而较大尺寸的晶圆（如 12 英寸）则在大规模生产和高性能芯片制造中更常见。例如，一些简单的集成电路、模拟芯片或分立器件可能可以在较小尺寸的晶圆上制造。而对于复杂的微处理器、图形处理器、存储芯片等高性能芯片，通常会采用较大尺寸的晶圆以提高生产效率和降低成本。现在主流的CPU和GPU一般使用12英寸的晶圆进行制造。
值得一提的是，杂质对这些完美无缺的硅晶格构成很大的威胁（想想看：晶体管比人体细胞还小，稍有一丝杂质变足以毁坏整个硅晶格了），因此制造人员进入无尘室前，都必须事先清洗身体、穿戴防尘衣、全副武装采取预防措施。晶圆制造环境更比手术室干净十万倍。
2、晶圆加工
晶圆加工则是指在制造晶圆材料上构建完整的集成电路芯片的过程。也就是说把设计好的在电脑上的电路设计图要搬到直径12nm或者8nm甚至更小的晶圆基板上。
相信大家都看电影，那有没有了解过投影仪的原理呢？如果不熟悉的话想想拍立得，相机一照，照片就能洗出来。晶圆加工用到的光学摄影技术也是类似的道理。
首先光罩厂会将IC设计图形第一次缩小，以电子束刻在石英片上，成为光罩。由于电子束的宽度是1微米，所以光罩上依据设计图所刻出的半导体回路也是1微米宽。接下来光罩厂会将完成的光罩送进晶圆厂。
然后晶圆厂会将光罩上刻的设计图，通过光蚀刻与微影成像，第二度缩小至微小的晶圆基板上。通过在晶圆上面会事先涂上一层光阻 （相片感光材料），透过紫外光的照射与凸透镜聚光效果、将光罩上的电路结构缩小并烙印在晶圆上，最后印在晶圆上的半导体回路会从光罩的 1 微米、变为 0.1 微米。阴影以外的部分会被紫外光破坏，随后能被冲洗液洗掉。
上面步骤结束后，工程师会在晶圆上继续加入离子制造出晶体管。这个的目的就是透过注入杂质到硅的结构中控制导电性，当然还有与一连串的物理过程，其过程相当复杂，甚至需要像两个足球场大的无尘室。详细就不展开了。
待晶圆上的晶体管、二极管等电子元件制作完成后，工程师会将铜倒入沟槽中形成精细的接线，将许多晶体管连结起来。在指甲大的空间里，数公里长的导线连接了数亿个晶体管，制作成大型集成电路。至此，伟大的建筑就完成了！
3、先进制程相关设备
芯片最基本单元MOS结构的（一种半导体器件结构）模型制作过程以及涉及到的相关设备。
步骤 | 涉及到的设备 | 国产化率 |
|---|---|---|
晶圆厂从硅片供应商拿晶圆，作为衬底 | 单晶炉 | 低于20% |
制作Well和反型层（可以理解为这一步是制作半导体器件的底座结构） | 离子注入设备 | 低于10% |
制作二氧化硅SiO2（相当于螺纹，为了之后将半导体材料在二氧化硅衬底上生长。二氧化硅可以起到很好的支撑作用,同时还可以防止杂质的引入,提高生长过程的精度和稳定性。） | 氧化扩散设备 | 低于10% |
栅端Poly的形成（也就是再铺一层多晶硅，只不过不能像生长SiO2那样通过直接和Si衬底直接反应生成，需要通过CVD） | CVD/PVD设备 | 10-15% |
Poly和SiO2的曝光（这个时候晶圆的结构已经完成了，现在需要保留Poly和SiO2的地方留下光阻，在不需要保留的地方除去光阻） | 光刻机 | 低于10% |
Poly和SiO2的刻蚀（去掉/刻蚀掉多余的Poly和SiO2，保留特定位置Poly和SiO2） | 刻蚀机 | 10%左右 |
源端和漏端的形成 | 离子注入设备 | 同上 |
薄膜沉积（CVD/PVD）、刻蚀和光刻设备是最重要的三大前道设备，目前半导体设备国产替代第一阶段已初步完成，但部分环节仍处于“卡脖子”阶段。在光刻机、量/检测设备、涂胶显影设备、离子注入设备领域，整体国产化率仍然较低，但在清洗设备、部分刻蚀设备、CMP设备及热处理设备领域已完成基本国产化替代。
4、晶圆代工参与者
台积电的市场占有率处于绝对领先的地位，三星、格罗方德分列第二、第三。国内厂商中芯国际暂列第五。
国内在光刻领域是落后的，主要公司目前能生产90nm的光刻机，正在研发28nm光刻机。光刻机被制裁对国内半导体产业形成比较大的制约，没有光刻机所有半导体制造环节的扩产都要停止，之前美国主要制裁14nm以下的光刻机，对28nm以上的光刻机是允许阿斯麦出口的，不过目前这个监管政策会收紧，28nm的光刻机出口也会被限制。光刻环节是国内半导体产业发展绝对瓶颈，如果美国制裁有所放松或者国内研发在45nm和28nm光刻机的研发有所突破，国内在半导体产业会迎来加速发展。
制程逐渐突破，带动设备投入增加。随着先进制程的开发，芯片制程不断缩小，摩尔定律逐步失效，对晶圆代工厂带来的建设成本急速上升。
二、先进封装
1、集成电路封装
晶圆完成后被送到封装厂，封装是半导体设备制造过程中的最后一个环节，主要包含减薄／切割、贴装／互联、封装、测试等过程，分别对应切割减薄设备、引线机、键合机、分选测试机等。主要目的就是将半导体材料模块集中于一个保护壳内，防止物理损坏或化学腐蚀，最后进行测试，进行芯片结构及功能的确认、将不良品挑出，将最终成品投入到下游的应用中去。
2、先进封装设备
封测设备包括封装设备与测试设备。这里的封测环节主要进行电性能检测。大家都知道，半导体测试环节是避免“十倍成本”的关键，因此也是很重要的。这里的检测主要可以分为：晶圆测试和成品测试。晶圆测试主要是针对加工完的晶圆，进行电性测试，识别出能够正常工作的芯片，需要使用的设备主要为测试机和探针台。成品测试主要是指晶圆切割变成芯片后，针对芯片的性能进行最终测试，需要使用的设备主要为测试机和分选机。
步骤 | 涉及到的设备 | 国产化率 | 国内厂商 |
|---|---|---|---|
晶圆 | 机台探针 | 探针台 | 10%左右 |
测试 | 检测设备 | 15%左右 | 精测电子、长川科技、华兴源创、赛腾股份、华峰测控、中科飞测 |
减薄（提高芯片散热性能；CMP工艺的核心之一是抛光垫，其表面结构及材料特性直接影响抛光效果，进而影响芯片的良率和性能。） | 减薄机 | 低于20% | 华海清科 |
划片 | 划片机 | 3%左右 | 奥特维、大族激光 |
分选 | 分选机 | 20%左右 | 长川科技、奥特维 |
CSP | 键合机 | 3%左右 | 上海微电子、奥特维 |
三、总结
到这里为止，我们就讲完了芯片的制造过程中的先进制程、先进封装和半导体设备。而我们把半导体制造出来达到可以销售的程度主要包括三步：芯片设计----晶圆代工----封装测试。目前国内芯片设计发展速度超过了芯片制造能力，设计好的芯片也很难造出来，所以半导体制造和芯片制造成为国内科技产业发展的最大瓶颈。
参考资料：
1，https://zhuanlan.zhihu.com/p/584986992
2，聊聊晶圆代工 咱们聊聊
转自：信创产业科普：先进制程、先进封装、半导体设备常识