功率半导体 | 制造工艺的特点（上）

六、晶圆减薄工艺

虽然把晶圆减薄工艺的介绍放在杂质激活的后面来介绍，但是必须注意的是，实际上晶圆减薄工艺都是在杂质注入、杂质激活之前进行的。下面还是以FS型IGBT为例，介绍如何进行晶圆减薄。

把晶圆厚度变薄

FS 型 IGBT需要在晶圆减薄之后，再在背面进行掺杂，如下图所示。

FS型IGBT 的晶圆减浙工艺示意图

此时，晶圆的正面已经完成了发射区、基区和栅极的制作，需要对这些区域进行保护。如下图所示，首先对以上区域涂上保护树脂，然后将晶圆翻面，反面向上进行背面研磨(Backgrind)。

晶圆减莎工艺示意图

背面研磨

背面研磨是集成电路的后段工艺中的一道常规工序实际情况如下图所示，使用含有金刚石微粒的研磨轮(Grind Wheel)，以约5000r/min 的转速在晶圆的反面进行研磨。而晶圆正面朝下被真空吸附固定在工作台上。研磨轮上的金刚石微粒有不同的细密程度。一组研磨轮磨到一定程度后，就换更细密的研磨轮继续磨，让晶圆的表面越来越光滑平整。直到还有约1um 待磨余量的时候，改为化学抛光。化学抛光工艺，以前多利用化学药水进行湿法抛光，但现在也出现了干式抛光。

背面研磨的示意图

到此，背面研磨工艺全部结束，除去正面的保护树脂，进行后续的工艺。

倒角加工工艺

晶圆研磨之后要做什么?这里来进行说明，倒角(Bevel)就是晶圆边缘小斜面的意思。以前说过，功率半导体要利用整片的晶圆进行加工。下图是一整片晶圆，晶圆的边缘倒角部分要进行粗加工。为了防止在使用过程中晶圆边缘出现放电现象，就要对这个倒角进行绝缘层保护、磨光等工艺。

硅晶圆各部位的名称

另外，在外延工艺中，晶圆的倒角位置比平面位置更容易累积原子，如之前的放大区域，这些地方可能会外延出硅的晶体，突出在外，使整个晶体不平整影响光刻等工艺。所以工艺过程中对倒角部分要格外留意。

在集成电路的工艺中一般不对倒角进行加工，因为这里不需要生长器件或薄膜。感兴趣的读者可以参考笔者的另一本书《图解入门--半导体制造工艺基础精讲(原书第4版)》。

七、后段工艺与前段工艺的差异

简单介绍一下半导体工艺中的后段工艺。对此内容比较熟悉的读者可先跳过这一部分。在介绍功率半导体的后段工艺之前，先对后段工艺的一般过程做一个描述。根据半导体器件种类的不同，所需要进行的后段工艺的内容也不一样。

什么是后段工艺

前段工艺(Front Process)与后段工艺(Back Process)，或者其他地方会称为前工程和后工程，两者之间有着很大的区别。前段工艺，主要是一系列化学和物理的加工过程其中大多数的过程是无法用肉眼观察到的，只能通过加工之后的测试知道结果。与之相反，后段工艺主要包括晶圆减薄、芯片切割、键合等，都是能够用肉眼看到的机械加工过程。所以后加工与前加工的设备完全不一样。在半导体工厂(Fab)里，前段工艺、后段工艺的厂区多数是分开的。

后段工艺中随着各种机械加工的推进，加工对象的形态也在发生变化，依次是晶圆(Wafer)、芯片(Chip，或Die，更早时称为Pellet)、封装(Package)。所以，针对这些不同的形态，也要使用不同的装置在不同设备间运送它们。整个后段工艺的流程，包括各工艺所针对的加工对象，都画在了下图中。

后段工艺的流程和加工对象

前段工艺一定要在最高级的(Cass1)超净间中进行。而后段工艺参考上图，在注塑成形(Molding)工艺之前，都要在一定等级的超净间中完成(比前段工艺要求的超净等级低（后段工艺的超净等级，一般只需要Class1000或Class10000就可以了。Class1000 的车间每小时换气十几次。这些 Class 等级是日本企业的标准，数字越小等级越高)。注塑成形之后，芯片就再也不会受到外部环境的污染，后续操作只需要在普通环境中进行就可以了。

后段工艺筛除不良品

后段工艺不同于前段工艺的另一个区别是，后段工艺要首先筛除不良品，使它们不再进人后续流程。不良品如果进入后段工艺继续加工，也只会产生不良的产品，白白浪费了资源。所以在前段工艺完成之后，一定要检测出不良品，也就是要为良品打上准许通过的标签。这个环节被称为 KGD(Known Good Die)。结合下图，具体来说，就是先在晶圆测试(Probing)工艺中测出良品，并等待切割(Dicing)后进入后续工艺。测试是指在芯片还在晶圆中的状态下，利用芯片测试板(Pad：用来竖立探针的装置。面积很大，分布在晶的周围。)和探针(Probe)来测试芯片的电气性质。与之相比，前段工艺不测试，也不筛除不良品。因为如果此时要对芯片进行测量，就必然发生接触污染，不能再返回超净间的生产线上。所以前段工艺中，芯片并不做测试而是全部流进后段工艺。但这样就无法第一时间得知芯片的质量，非常不便。实际生产中，人们会在正品硅晶圆(正片)中夹杂大量控片(MonitorWafer，低成本的再生晶圆)一起进行前段工艺。控片上的芯片可以进行测试，测完也不用返回生产线，可以实时监控这一批产品的良品率(良率)，并分析不良品可能的成因。用控片进行这样的测试，叫作在线测试。如果良率过低，则这一批产品全部淘汰，不能进入后段工艺。这样的工作模式可以参考下图。

前段工艺与后段工艺的分界

功率半导体测试需要大电流，为此有专门的测试工艺，不光有晶圆级的测试，也有芯片级的测试。将功能相同的芯片集合在一起，并行化、模块化地进行测试，这种方法特别能够提高效率。

后段工艺中的差异

读者已经了解了功率半导体与集成电路的各种不同，那就是前者要处理大电流、大电压。所以，功率半导体的后段工艺也就具有自己的特点。后面的几节将举几个例子来说明功率半导体工艺的特点，就是按照下图的工艺顺序，从开始直到注塑成形这一步。其中的晶圆减薄就不再多说，因为它与之前工艺在原理上是一样的，但要注意这两者一个在后段工艺，一个在前段工艺，的确是两个不同的工艺阶段，不可混淆。顺带一提，对于半导体发光器件来说，发光面需要专门加工，为此就要在后段工艺阶段，为不同的产品开发出不同的封装工艺。可以说，后段工艺更加靠近产品，前段工艺更加靠近器件，这可能就是两者的差异。

八、切割工艺的小差异

本节将在芯片切割工艺上，对比功率半导体与集成电路的区别，并关注新型半导体器件的切割工艺。

什么是切割

切割，来自英文 Dicing。切割工艺，就是使用专用的金刚石刀片(Saw)将芯片从晶圆上切割下来，以便之后进行封装。

晶圆经过晶圆测试和反面减薄之后，用专用的胶把晶圆黏附在传送带上，这样可以防止在切割后，小的芯片一片片散开无法收集。

如下图所示，切割晶圆用的刀片厚约20~50um，上面附有坚硬的金刚石微粒，可以切割晶圆。这样的金刚刀(Diamond Blade)以每秒万转的速度切割晶圆，因此会摩擦产生大量的热，所以一定要用水枪对准切割部位，高压喷射去离子水从而降温。同时，水流也可以冲走切割出来的碎屑。

切割工艺的示意图

但是，使用去离子水喷射有可能会引起静电破坏（去离子水中杂质离子含量非常低，因此电阻率很高。这样与晶圆表面的绝缘保护层高速摩擦后，就会产生静电，这些静电会破坏晶圆内的电路。在去离子水中通人二氧化碳，会降低电阻，从而避免静电破坏现象）。的问题，所以一般会在纯水中添加二氧化碳气体。如下图所示。还要注意的是，晶圆的固定，是先在晶圆背后贴一层黏膜，然后通过一个金属框架固定在传送带上，这个步骤在切割之前，叫作绷片。固定好的晶圆在切割后，芯片就能固定在原位。

运送晶圆使用的传送带，以前是用聚氯乙烯做的，现在采用伸缩性更好的聚烃。顺带一提，Dicing这个说法是一开始就定下来沿用至今的。之所以这样用，可能是因为最早的芯片面积非常小，小的像赌博用的骰子一样。而英文单词 Dice，作为名词就是骰子的意思，作为动词就是切割成小方块的意思，另外，在切割时，根据切割深度的不同而有全切和半切之分，如下图所示。全切会切到背面的粘胶，把晶圆完全切断。而半切，只是在晶圆上留下凹槽。实际生产中，全切法比半切法使用得稍微多一些。

碳化硅芯片的切割

后面将介绍能够替代硅材料的第三代功率半导体。其中基于碳化硅材料的芯片工艺已经问世，这里介绍一下它的切割工艺。

超声切割

碳化硅和氮化镓材料的硬度都远大于硅材料，所以人们考虑在切割时引人超声波震动。如下图所示，在用刀片切割的同时，使刀片上的金刚石微粒进行超声振动，就可以有效地提升碳化硅晶圆的切割效率。

超声振动切割刀

另外，这些化合物半导体的切割设备是有专门的生产企业的，与硅材料的设备企业不完全一样。他们都在致力于新型半导体切割设备的研发。

激光切割

用激光取代刀片的想法也得到了很多关注。如下图所示，短波长激光可以将晶圆直接切断。虽然还没有在碳化硅材料上的实用化案例，但仍然是有意思的方向。非晶硅太阳能电池的切割工艺中，已经大量使用了激光切割的方式。与传统的刀片切割相比，激光切割的优点在于降低了设备的损耗，但缺点在于激光设备的维护和保养，这些还是需要克服的难题。

激光切割法的示意图

激光切割的正式说法是激光烧蚀(Laser Ablation)。其物理原理是，用短波长(高能量)的激光照射固体表面，高能光子可以使固体分子之间坚固的化学键断裂，被照射的部分分子迅速气化离开固体，于是固体被迅速割开，属于一种光分解反应，如下图所示。

激光烧蚀法的示意图

九、芯片键合工艺的特点

芯片键合就是将芯片黏合到封装用的基板上。功率半导体与集成电路在这道工艺上也是有所不同的。这一节来介绍相关的内容。

什么是芯片键合

芯片键合(Die Bonding)是指将切割出来的芯片贴到基板上，并且进行电气连接，便于之后的封装。在英文中，键合完成后的芯片，区别于之前的Chip，也被称为 Die（英语单数 Die，复数 Dice，意思是很小的方块。和 Chip、Pellet 一样都是指晶圆上的芯片。不同国家不同企业有自己习惯的叫法）。晶圆完成切割后，其中的良品芯片被选择出来，摆放在之后做封装的平台上，并用黏合剂固定位置。这一步就叫作芯片键合。具体流程如下图所示。首先，所说切割后的芯片被黏在有弹性的传送带上，不至于散落。在传送带的下方有顶出装置，将良品芯片顶起，同时芯片正上方有真空吸附装置，将顶起的芯片吸住，这称为拾起，然后运送到封装台。

键合的工艺过程

功率半导体的键合

集成电路工艺中的键合，是使用环氧树脂或共晶合金，把芯片黏合在封装台上。而功率半导体工艺中，主要使用铅锡合金焊料。但这种铅锡合金法由于会在黏合剂中产生孔洞，还会引起界面空隙，产品的可靠性大大降低，所以必须设法改善焊料的浸润性，让焊料更平整，如下图所示。为了改善浸润性，就要对材料进行预处理，并且考虑到环保因素，也要降低对铅的使用。在欧洲，根据RoHS（Resliclion of Hazardous Subslances的简称，关于限制在电气设备中使用某些有害成分的法规。在欧洲范围内对电子产品中的有害物质进行限制。）法令，从2006年7月开始，已经禁止电子产品中使用铅原料了。

在功率半导体的封装工艺中，也有小型化、高密度化的需求，所以在键合的控制精度方面提出了新的课题，同时也是对制造设备的新要求。

键合这个说法也是以前沿用下来的，另外也有DieAttach(贴片)或Mount 的说法半导体的工艺名称在不同的场合的确有许许多多不同的说法。又比如，前一节的切割(Dicing)工艺，在新设备研发出来之前，叫作 Pelletize，是用金刚石笔一样的工具在晶圆上进行线切割，晶圆就像带凹槽的巧克力板一样。现在大家都知道PC这个词代表个人计算机(Personal Computer)，但在笔者入行的那个年代，是表示Pellet Check。

十、引线键合使用更宽的引线

本节将介绍功率半导体的引线键合工艺。由于功率半导体相比于集成电路，需要流过极大的电流，所以也就需要用更粗的引线。

什么是引线键合

首先简单介绍一下什么是引线键合(Wire Bonding)。许多人见过集成电路的芯片，就像蜈蚣一样，有一个黑色长条状的外壳，并且有许多对引脚排列在外壳两侧。这种将内部芯片的引脚，与外壳引脚对接的工艺，叫作引线键合。

这种引线的材质通常是金(Au)，有良好的导电性。大规模集成电路工艺中，引线宽度最小在 15mm 左右，比人的体毛(50~100m)更细。金的纯度大约达到99.99%。使用金的原因是金的化学性质比较稳定，作为导线可靠性很高。

与引线框的连接

芯片上的引脚，此时被称为 Bonding Pad，键合盘。引线框在芯片的外围，引线框与芯片键合盘的引线称为内侧引线。自动焊接机以每秒10根线的速度连接这些引线。以前有些广告片中会播放电视机等电子产品的生产过程，里面就会有这种自动连线的画面，可能有人是见到过的。

说点题外话。在自动焊接机发明以前，引线都是通过人工方法，一根一根连接出来的，笔者就曾经亲手操作过。那时候的电子厂里，采用人海战术，大量地雇佣心灵手巧的女工来做这个工作。

引线键合过的芯片和引线框的示意图，如下图所示。

另外之前所说的，引线键合工艺和后续的注塑成形工艺，都是在超净间中进行的。

关于铜引线

功率半导体由于需要流过大电流，所以不能像前面那样用细的金线来键合。金线不能做得很粗，因为材料成本会很高。实际上都是用铝线来代替。但是，为了流过更大的电流，也有人开始尝试用铜导线。

最近集成电路工艺中已经开始引人铜线键合。铜的成本只有金的1/5~1/3。功率半导体中所使用的铜引线从外观上看，比金线粗十倍以上，如下图所示。这就不能使用集成电路工艺中的球形键合(Ball Bonding)，一般是使用楔形键合(Wedge Bonding)。

引线直径比较图

球形键合，就是把金线的头部加工成球形再进行键合的工艺，因而称为球形键合。

什么是楔形键合

楔形就是斜坡的意思。楔形键合就像下图那样，把形头压在引线上，对楔形头施加超声振动，在常温下就可以使金属固定在基板上。这样即使是很粗的铜引线，也可以进行键合了。铝引线也是使用这种工艺，

楔形键合的示意图

十一、封装材料的不同

对于新型功率半导体来说，封装材料应该从自身独特的需求(主要是耐热性的角度)去考虑。下面通过与集成电路封装材料的对比来进行介绍。

什么是封装材料

首先简单介绍一下关于封装的知识。芯片在完成芯片键合和引线键合之后，需要进行注塑成形(Molding)，把整个芯片密封保护起来，就像用饺子皮包住饺子馅儿。先是用模具把芯片上下包住，然后注人环氧树脂把模具内部填满。这种用来起到保护作用的材料称为封装材料。

注塑成形的工艺流程

首先说一下带有引线框的注塑成形工艺，这种一般是最常用的。如下图所示。把引线键合后的芯片，连同引线框一起，放到注塑机的“下模”上。然后把“上模”对准并盖在上方，芯片就位于上下两片模具之间形成的空腔(Cavity)里，同时对上模和下模施加压力保证密封性。在下模的一角有一个投料罐(Pod)，已事先注人液态的环氧树脂塑封料(Epoxy Molding Compound，简称EMC)。在模具上下密封之后，用注塑杆(Plunger)将投料罐中的 EMC 压到模具的空腔里，把空腔完全填满并把芯片全部包裹住。这样就完成了注塑。

注塑成形工艺流程

这样注塑工艺与前面 所说的晶圆的工艺完全不一样了，这样是不是更能理解何为后段工艺了呢?前面也曾经说过，从最初直到注塑成形这一步，芯片都是暴露在空气中的，为了不受污染，所有的工艺只能在超净间里进行。但在注塑成形之后，就不再需要超净间了，可以进人普通环境进行操作。

另外，上图为了方便，只是画了一片芯片的工艺过程。实际生产中，为了提高效率，当然都是对大量芯片统一进行处理的。

树脂注入及硬化

如下图所示，热固型的 EMC 被事先注人模具的投料罐中，投料罐位于芯片与芯片之间的位置。模具封好之后，EMC就被注人模具空腔中。这种注塑方式称为递模法(Transfermolding)。模具保持160~180℃的高温，EMC 在其中渐渐固化最终成形。之后除去模具，完成了整个芯片封装。当然，之后芯片还要经过长时间的高温处理，使EMC硬化得更完全，并且消除其中的应力。

对树脂材料的改进

前面说过，功率半导体的引线键合中，必须使用铜线。铜相比于金，耐腐蚀性很差所以必须专门为它开发出新的，不含有卤族元素(氯，Cl)的树脂材料。

硅材料芯片的温度上限在 150℃左右。作为第三代半导体材料的碳化硅，以及比它稍早的氮化镓材料，工作温度上限在 200℃以上。所以在众多宽禁带半导体材料中，碳化硅和氮化镓有着独特的优势。这也就对传统封装树脂的耐热性提出了要求。于是有人开始研发新型的耐热树脂来满足新型功率半导体的要求。下图所示是一种纳米复合材料(Nanocomposite)树脂，是把一些无机材料分子，分布在一种聚硅氧烷(Polysiloxane)有机树脂材料中而形成的。这就是为了满足器件的温度上限，而研究耐热材料的例子。除此以外，还有许多新的技术正在致力于第三代半导体的后段工艺的开发。