半導(dǎo)體制造工藝流程有哪些

聽(tīng)過(guò)“Faless、流片、MPW、CP……”嗎？如果你的反應(yīng)是“哇，這是什么高深莫測(cè)的學(xué)問(wèn)？”那打開(kāi)這篇文章，你就撿到寶了！半導(dǎo)體行業(yè)，一個(gè)充滿魔法和奧秘的世界，每天都在創(chuàng)造讓你手機(jī)更炫、電腦更快、車(chē)子更智能的神奇小芯片。而行業(yè)內(nèi)的“黑話”就像是行業(yè)巫師們之間的秘密信號(hào)，對(duì)外界來(lái)說(shuō)像是咒語(yǔ)，但在“巫師”之間卻是日常的打招呼。

好啦，沒(méi)錯(cuò)，這里就是一本半導(dǎo)體的“魔法書(shū)”，里面藏著這個(gè)行業(yè)的各種“魔法咒語(yǔ)”。不論你是想成為一名半導(dǎo)體“巫師”，還是僅僅想與朋友炫一炫新知，這篇文章你都不容錯(cuò)過(guò)！

Foundry：即"Foundry"（或稱為“代工廠”）指的是為客戶提供半導(dǎo)體制造服務(wù)的公司。與擁有并運(yùn)營(yíng)自己的制造能力的集成設(shè)備制造商 (IDM) 不同，F(xiàn)oundry不涉及芯片的設(shè)計(jì)，而只負(fù)責(zé)根據(jù)客戶提供的設(shè)計(jì)進(jìn)行生產(chǎn)。??

典型的Foundry模型是這樣的：芯片設(shè)計(jì)公司（可能是一個(gè)沒(méi)有自己的制造設(shè)施的小公司，或者是一個(gè)大型的公司選擇外包部分或所有制造工作）會(huì)創(chuàng)建一個(gè)芯片的設(shè)計(jì)，然后將這個(gè)設(shè)計(jì)交給代工廠進(jìn)行制造。

臺(tái)積電 (TSMC)：全球最大的純粹代工廠。

流片：也可以被稱為“Tape out”，指的是“試生產(chǎn)”，就是說(shuō)設(shè)計(jì)完電路以后，先生產(chǎn)幾片幾十片，供測(cè)試用。

當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)芯片設(shè)計(jì)已經(jīng)"流片"時(shí)，意味著該設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，并且已經(jīng)被發(fā)送到代工廠進(jìn)行制造。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，流片是從數(shù)字設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為實(shí)際硅片的過(guò)程。

流片過(guò)程涉及以下幾個(gè)主要步驟：

①設(shè)計(jì)驗(yàn)證：確保設(shè)計(jì)與其規(guī)格相符，并且沒(méi)有任何明顯的錯(cuò)誤。

②物理驗(yàn)證：檢查設(shè)計(jì)是否可以被成功地制造，包括DRC (Design Rule Check) 和LVS (Layout vs. Schematic) 檢查。

③生成掩膜數(shù)據(jù)：從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成用于光刻過(guò)程的掩膜。

④發(fā)送到代工廠：將最終的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)送到半導(dǎo)體制造商或代工廠，開(kāi)始生產(chǎn)過(guò)程。

完成流片后，代工廠會(huì)開(kāi)始生產(chǎn)過(guò)程，并最終交付物理的芯片。

ASIC：(Application-Specific Integrated Circuit)是“應(yīng)用特定集成電路”的縮寫(xiě)。顧名思義，它是為某一特定應(yīng)用或用途而設(shè)計(jì)的集成電路，而不是為了多種應(yīng)用或廣泛的目的。

與其他類(lèi)型的集成電路相比，ASIC 通常在性能、功耗和/或尺寸方面具有優(yōu)勢(shì)，但設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本可能較高。是一種為專門(mén)目的而設(shè)計(jì)的集成電路，是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路，需要從頭開(kāi)始定制。

FULL MASK：是“全掩膜”的意思，即制造流程中的全部掩膜都為某個(gè)設(shè)計(jì)服務(wù)。

掩膜：在半導(dǎo)體制造中，掩膜是一個(gè)透明的片材（通常是玻璃或石英片），上面覆蓋有一層可以選擇性阻擋光線的圖案材料（如光阻）。它在光刻過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，允許芯片制造商在硅片上選擇性地暴露特定區(qū)域，從而在該區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的加工。掩膜用于光刻過(guò)程中，它允許制造商在硅片上選擇性地暴露特定區(qū)域以進(jìn)行進(jìn)一步的加工，如摻雜或沉積材料。

多層過(guò)程："全掩膜" (Full Mask 或 Full Mask Set) 在半導(dǎo)體制造中指的是為了生產(chǎn)一個(gè)特定的集成電路而需要的完整掩膜集合。現(xiàn)代集成電路由多個(gè)層次組成，每一個(gè)層都需要一個(gè)或多個(gè)專用的掩膜來(lái)定義其模式。因此，為了制造一個(gè)完整的芯片，通常需要一系列掩膜。

成本：制作 Full Mask Set 是一個(gè)昂貴的過(guò)程，尤其是在先進(jìn)的制程節(jié)點(diǎn)上。這是初創(chuàng)公司和小型設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在選擇先進(jìn)制程時(shí)需要考慮的一個(gè)主要成本。

設(shè)計(jì)到掩膜的轉(zhuǎn)換：設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成的電路設(shè)計(jì)最終會(huì)通過(guò)一系列的工具和步驟轉(zhuǎn)換成掩膜數(shù)據(jù)。這些步驟包括布局、物理驗(yàn)證、掩膜制備等。

多版本問(wèn)題：由于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，可能需要多次迭代和修改設(shè)計(jì)，每次修改可能都需要新的掩膜集。因此，盡量減少錯(cuò)誤和避免額外的掩膜制造是至關(guān)重要的。

MPW：也稱為多項(xiàng)目晶圓或共享晶圓服務(wù)，是一種用于減少半導(dǎo)體制造成本的策略，特別是對(duì)于小批量或試驗(yàn)性的芯片設(shè)計(jì)。

將多個(gè)使用相同工藝的集成電路設(shè)計(jì)放在同一晶圓片上流片，制造完成后，每個(gè)設(shè)計(jì)可以得到數(shù)十片芯片樣品。由于半導(dǎo)體制造的高成本，許多公司和研究機(jī)構(gòu)可能無(wú)法承擔(dān)為其新的或試驗(yàn)性芯片設(shè)計(jì)制造專用晶圓的費(fèi)用。MPW服務(wù)允許多個(gè)客戶或項(xiàng)目共享同一塊晶圓，每個(gè)客戶只需要支付其設(shè)計(jì)占據(jù)的那部分的費(fèi)用。

Shuttle：Shuttle服務(wù)在半導(dǎo)體界通常與MPW (Multi-Project Wafer) 服務(wù)相關(guān)，是指多個(gè)客戶或設(shè)計(jì)項(xiàng)目分享同一塊晶圓的服務(wù)。晶圓廠每年的固定時(shí)間會(huì)放出次年的MPW計(jì)劃表，各家公司根據(jù)直接的需求，報(bào)名上車(chē)即可。通常越先進(jìn)的工藝，安排的MPW頻率越高，較成熟的大尺寸工藝，可能一年也安排不了一次。

MPW就是和別的廠家共享一張掩模版，而FULL MASK則是獨(dú)享一張掩膜版。主要的原因就是MASK（掩膜），比較貴，例如40nm的MASK大約在500萬(wàn)左右，而28nm的MASK大約在1000萬(wàn)左右，14nm的MASK大約在2500萬(wàn)左右。MPW的問(wèn)題就是，這個(gè)是按照面積來(lái)收錢(qián)的，例如在40nm的3mm*4mm 大約50萬(wàn)人民幣等等。

如果芯片失敗，則MASK的錢(qián)就打水漂了，所以先做一次MPW也是分散風(fēng)險(xiǎn)的方法。

Wafer：

在半導(dǎo)體行業(yè)中，晶圓（Wafer）是整個(gè)芯片制造過(guò)程的基礎(chǔ)。它是一塊超薄的硅片，用于制造集成電路（IC）或芯片。以下是關(guān)于晶圓的一些核心信息：

材料：盡管"硅晶圓"是最常見(jiàn)的，但晶圓可以由其他材料制成，例如硅碳化物、硅鍺、鎵砷化合物等，具體取決于應(yīng)用。

尺寸：晶圓的直徑隨時(shí)間逐漸增大，從最初的幾厘米到現(xiàn)在的300mm或更大。增大晶圓尺寸可以提高生產(chǎn)效率，但也會(huì)增加制造的挑戰(zhàn)。

制造：晶圓是從硅晶體中切下來(lái)的。這個(gè)硅晶體（稱為錠）是在特殊的設(shè)備中通過(guò)拉晶等過(guò)程生長(zhǎng)出來(lái)的。然后，這些錠被切成薄片，這些薄片就是我們稱之為的晶圓。

處理：一旦晶圓被切割并經(jīng)過(guò)必要的初步處理，如拋光，它們就會(huì)進(jìn)入半導(dǎo)體制造設(shè)備進(jìn)行多個(gè)制程步驟，包括沉積、蝕刻、離子植入和光刻。

集成電路：每個(gè)晶圓上都會(huì)生產(chǎn)成千上萬(wàn)個(gè)芯片，具體數(shù)量取決于芯片的大小和晶圓的直徑。完成所有的制程步驟后，晶圓會(huì)被切割成單獨(dú)的芯片，然后進(jìn)行封裝和測(cè)試。

缺陷：由于制造過(guò)程的復(fù)雜性，晶圓上的某些區(qū)域可能會(huì)有缺陷。這些缺陷的芯片在后續(xù)的測(cè)試中會(huì)被標(biāo)記出來(lái)并被丟棄。

總的來(lái)說(shuō)，晶圓是半導(dǎo)體制造過(guò)程中最基礎(chǔ)的部分，它為芯片的生產(chǎn)提供了物理平臺(tái)。在這塊硅片上進(jìn)行數(shù)百次的處理步驟后，會(huì)產(chǎn)生高度復(fù)雜的集成電路。

Die：Wafer上的單個(gè)晶片晶圓體，俗稱裸片。在半導(dǎo)體行業(yè)中，Die（通常稱為“芯片”）是晶圓上切割下來(lái)的單獨(dú)的片段，其中包含一個(gè)完整的功能電路或系統(tǒng)。

定義：Die是從晶圓上切割出來(lái)的單獨(dú)的方形或矩形片段。每個(gè)Die都包含一個(gè)集成電路，這個(gè)電路設(shè)計(jì)完成特定的功能，例如微處理器、內(nèi)存、傳感器等。晶圓上的多個(gè)Die：一個(gè)晶圓通常包含數(shù)百或數(shù)千個(gè)Die，具體數(shù)量取決于Die的大小和晶圓的直徑。

?良品率：由于制造過(guò)程的缺陷或其他問(wèn)題，不是每個(gè)Die都是完好的。良品率（或稱為收獲率）是指從一個(gè)晶圓中獲取的良好Die的百分比。

尺寸和形狀：Die的尺寸和形狀取決于其功能和設(shè)計(jì)。例如，一個(gè)高性能的微處理器Die可能比一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器Die要大得多。

成本：Die的成本取決于其復(fù)雜性、所使用的技術(shù)節(jié)點(diǎn)、晶圓成本、良品率等多種因素。

簡(jiǎn)而言之，Die是集成電路制造過(guò)程的最終產(chǎn)物，它包含了所有的晶體管、電路和連接，使其能夠完成預(yù)定的功能。這些Dies在進(jìn)一步的封裝和測(cè)試后會(huì)被集成到各種電子產(chǎn)品中。

Chip：在電子和半導(dǎo)體行業(yè)中，"Chip" 是一個(gè)非常常見(jiàn)的術(shù)語(yǔ)，指的是集成電路（Integrated Circuit, IC）的另一種叫法。Chip 是包含成千上萬(wàn)、甚至是數(shù)十億晶體管的小型半導(dǎo)體設(shè)備，能夠執(zhí)行各種電子任務(wù)和功能，即封裝后的芯片。

Yield：即良率，就是完成所有工藝步驟后測(cè)試合格的芯片的數(shù)量與整片晶圓上的有效芯片的比值。芯片有一定幾率失效，芯片越大，失效的幾率也越大。

CP:英文全稱Circuit Probing、Chip Probing，也稱為晶圓測(cè)試，測(cè)試對(duì)象是針對(duì)整片wafer中的每一個(gè)Die，目的是確保整片wafer中的每一個(gè)Die都能基本滿足器件的特征或者設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)，通常包括電壓、電流、時(shí)序和功能的驗(yàn)證。可以用來(lái)檢測(cè)fab廠制造的工藝水平。

FT：英文全稱Final Test，是芯片出廠前的最后一道攔截。測(cè)試對(duì)象是針對(duì)封裝好的chip，CP測(cè)試之后會(huì)進(jìn)行封裝，封裝之后進(jìn)行FT測(cè)試。可以用來(lái)檢測(cè)封裝廠的工藝水平。

Wafer out：指wafer在fab（晶圓廠）完成了生產(chǎn)，設(shè)計(jì)的集成電路已制造在硅基上，即將開(kāi)始封裝測(cè)試的階段。

Wire Bonding：即打線(壓焊，也稱為綁定，鍵合，絲焊)是指使用金屬絲(金線、鋁線等)，利用熱壓或超聲能源，完成固態(tài)電路內(nèi)部接線的連接，即芯片與電路或引線框架之間的連接。

Flipchip：Flip chip又稱倒裝片，是在I/Opad上沉積錫鉛球，然后將芯片翻轉(zhuǎn)加熱利用熔融的錫鉛球與陶瓷基板相結(jié)合。

如果用流片（Tape Out）作為芯片驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)，則可分為流片前驗(yàn)證和流片后驗(yàn)證。

流片前驗(yàn)證：叫做 Pre-Silicon驗(yàn)證，是指基于各種仿真平臺(tái) （FPGA，PXP，HAPS，ZeBU 等）和 Bit File 驗(yàn)證芯片的功能、性能、功耗是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，為流片做準(zhǔn)備。

流片后驗(yàn)證：叫做 Post-Silicon 驗(yàn)證，是指 Foundry 已經(jīng)完成工程樣片的制作，工程團(tuán)隊(duì)拿到了工程樣片，并對(duì)工程樣片進(jìn)行驗(yàn)證，以確定樣片是否符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，為芯片量產(chǎn)做準(zhǔn)備。

審核編輯：彭菁