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在探索現代科技的微觀奇跡中，半導體芯片制造無疑扮演著核心角色，它不僅是信息技術飛速發展的基石，也是連接數字世界與現實生活的橋梁。我們已經知道芯片產業鏈分為設計、制造、封測和下游應用，并將芯片的制造比喻為在指尖大小的區域建造摩天大廈。芯片制造又分為晶圓生產和晶圓工藝，其中晶圓工藝又被成稱為前道工藝，相應地封測被稱為后道工藝，本篇內容主要講前道工藝的相關知識。

一、前道工藝技術概述

在硅晶圓表面制作LSI的工藝稱為前段制程，也稱作：前道工藝，英文全稱：Front-End Of Line，簡稱：FEOL，它是芯片生產的核心階段，主要負責在硅晶圓上構建晶體管、二極管等基礎半導體器件，并形成初步電路結構。通常因為前道工藝直接決定芯片的集成度、性能和可靠性，所以它是半導體技術進步的核心驅動力。掌握先進的前道工藝技術，有助于企業在市場競爭中占據優勢。

而將晶圓上制作的LSI芯片切割出來，裝入專用封裝后出貨的工藝稱為后段制程，也叫：后道工藝，英文全稱：Back-End Of Line，簡稱：BEOL。在我以下的往期分享中也有詳細介紹過，這里就不過多贅述了。

半導體制程中芯片"后道工藝（BEOL）”的詳解；mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0MzYyODY5Mg==&mid=2247497631&idx=1&sn=a742481a4b1620e1bc60647fae2ad07b&scene=21#wechat_redirect

其實，作為前道工藝，還可以進一步細分為小的前道工藝（FEOL）和后道工藝（BEOL）的。簡而言之，前道工藝主要負責制造如晶體管這樣的有源器件，而后道工藝則側重于實現這些器件之間通過多層布線進行的互連。為了更好地理解這一過程，可以參考下面的圖示進行對照：

從上圖示中可以理解到，前道工藝中細分出來的小的前道工藝扮演著基石的角色，通常處于構造的最底部；而小的后道工藝則是在此基礎上進行進一步的構建和擴展。小的前道工藝（FEOL）與后道工藝（BEOL）之間通過中道工藝層（MOL）實現連接。MOL主要由精細的金屬構造組成，它們充當晶體管源極、漏極以及柵極的接觸點，并將這些接觸點與小的后道工藝（BEOL）中的局部互聯層連接起來。

順便分享一下小的前后道工藝制造的基本步驟：

二、前道與后道工藝的區別

前道工藝，即所謂的“晶圓工藝”，是在硅晶圓上制造LSI芯片的工程。主要是微細化加工和晶格恢復處理等物理及化學方面的工藝。與此相對，后道工藝則是將晶圓上做好的LSI芯片單獨切割、封裝的組裝加工技術。換一種說法，前者執行不可見的管理，但后者在某種程度上是可見的。

另一個主要區別是，前道工藝的作業對象(Work)僅僅是硅晶圓的狀態，后道工藝的作業對象則是多種多樣，可以是硅晶圓，也可以是裸芯片(在后道工藝中有時稱其為Die)，或者是封裝好的芯片。正因為如此，對于后道工藝，生產設備制造商專攻某一個領域的情況很多。

下圖形象地描繪了前道工藝和后道工藝的區別。由于前道工藝的作業對象只有硅晶圓，所以如開頭所述，前道工藝也被稱為“晶圓工藝”。

1、“循環型”的前道工藝

“循環型”是仁者見仁，智者見智的一種說法，它對應于“流程型”(Flow)而命名的。它不像組裝工程那樣，一邊將零件添加到皮帶輸送機上面，一邊流動著組裝產品。與之相反，它是多次重復相同的工序進行產品生產的方式。

前道工藝大體分類包括以下工藝:(1)清洗、(2)離子注入和熱處理、(3)光刻、(4)刻蝕、(5)成膜、(6)平坦化(CMP)，并由這六種組合而成。下圖對這些工藝做了圖示說明。各種各樣的箭頭用來表示通過這些工藝時有各式各樣的路線選擇。

2、其他幾種工序的基本組合

如上所述，前道工藝基本上由六種工藝組合而成:清洗、離子注入和熱處理、光刻、刻蝕、成膜和平坦化。但是，有各種各樣的組合形式，其含義是對這些組合多次循環并把前道工藝集成化。例如在鋁的布線工藝中，如下圖所示，包括(前)清洗鋁膜形成→光刻→刻蝕→(后)清洗，在這種情況下，不使用離子注入、熱處理和平坦化(顏色已更改)。這樣，在某個工程(單工程)中有一些工藝用到了，還有一些沒有用到，有多個這樣的單工程，把它們集成起來就構成了前道工藝。從這個意義上說，它會經歷多次相同的工藝，因此本內容稱其為循環型工藝。在這樣的循環型前道工藝生產線中，無塵室內制造設備的布局通常采用海灣(Bay)方式，這將在后面介紹。

三、追求微細化的前道工藝

大家都知道：硅半導體是根據所謂的“摩爾定律”，不斷推進加工尺寸的微細化。通過LSI的微細化實現高密度、縮小芯片尺寸，從而降低成本的。

1、摩爾定律介紹

芯片尺寸的縮小意味著每片晶圓可以生產出更多數量的芯片。一張晶圓生產出更多的芯片，就會降低芯片的成本。首先提出這一定律的是英特爾公司的戈登·摩爾，因此被稱為摩爾定律。

具體來說，就是以3年為周期實現4倍的高密度化。所謂4倍的高密度化，也就是說算上芯片面積的增加，3年后邊長變為√1/2(1/2的平方根)。也就是說，每隔3年晶體管尺寸應該縮小(微細化)到原來的0.7倍。微細化以后，晶體管性能不會因為尺寸變小而改變嗎?比例縮小定律。從技術角度對此進行了解決。可能有點難以理解，在一定規格的基礎上縮小尺寸，晶體管的性能反而會有提升。下圖總結了比例縮小定律。

2、微細化的發展歷程

到現在為止微細化是如何發展的呢?為了從宏觀上看這個趨勢，在下圖中與大型LCD用的TFT陣列。進行了動態的對比，時間跨度從1985年到現在為止。從圖中可以看出，與TFT陣列相比，硅半導體的微細程度越來越高。大型LCD的TFT加工尺寸只達到了原來的幾分之一，而硅半導體的加工尺寸已經達到了幾十分之一。

一方面，TFT陣列隨著平板電視的普及，面板的大型化也在不斷發展，玻璃基板的大小被放大了100倍以上，以確保一塊玻璃基板所能容納的面板數量。

另一方面，硅晶圓的尺寸增大還不到原來的10倍，但是隨著微細化的發展，每片晶圓的確能夠生產出更多的芯片了。

四、前道工序基礎知識培訓內容分享

半導體薄膜技術、光刻技術、互連技術及氧化與摻雜技術，均屬于半導體制造技術或微電子技術領域的核心工藝范疇，共同支撐集成電路、傳感器等半導體器件的設計與制造，這四項技術均為半導體/微電子產業的底層支撐技術，協同實現從材料制備、圖形轉移、器件連接到功能實現的全流程。以下就是本章節要跟大家分享的相關內容：

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五、芯片批量制造的前道工藝

LSI芯片并不是單獨一個一個在晶圓上制造出來的，而是通過光刻等工藝在晶圓上批量生產出所有芯片。

1、批量生產的優點

不難想象，LSI芯片一個一個在晶片上制造，是不符合商業利益的。舉個不太恰當的例子，紙幣是在一大張紙上印刷很多張，然后裁剪出來的。另外，郵票也是在一張紙上印刷幾十張，使用時可以剪下一張或幾張想要使用的郵票。芯片制造和這些比喻是差不多的道理。從單張晶圓中獲得的芯片越多，成本就越低。也就是說，微細化帶來的芯片尺寸縮小意味著單張晶圓上的芯片數量增加。下圖舉了一個名為“微細化之旅”的例子。顯示了一個從晶圓(300mm晶圓，面積約為700cm2)開始一直到存儲單元的1Bit(比特)(先進工藝下小于0.1μm2)的旅程。可見面積差異至少為10位數的量級。這樣就很容易理解 Bit 單元不能一個一個去做了。

但這樣也會有令人擔心的地方。只要光刻機用來刻印圖形的掩膜版有一處缺陷，缺陷就會被轉印出來，所有的芯片都會出現問題。

2、與LCD 面板的比較

芯片的微細化趨勢，與LCD面板(TFT陣列板)進行了比較，下面讓我們仔細看一下兩者的區別。

談到液晶面板，它也是在一塊大玻璃(相當于半導體硅片)上制作出很多液晶面板這也是由商業模式所決定的。對于LCD來說，與LSI芯片相對應的是面板，想象一下LCD電視的大畫面化就會明白，面板越來越大。以前是32英寸的尺寸，但現在50英寸以上已是司空見慣了。這樣一來，即使液晶面板是“做大再分塊”，可分塊的尺寸也會越來越大，因此玻璃基板的尺寸就注定要加大。由于基板變大，工廠內的運輸工具也大型化了。

可是另一方面，LSI的芯片不會越來越大。雖然在先進邏輯LSI中有時需要很大的芯片，但并不是傾向于變大。如下圖所示，對于LCD來說，玻璃基板的尺寸正加速擴大以容納更多面板。而對于ISI來說，晶圓并沒有變得越來越大，通過微細化也可以從一張晶圓中制造出很多LSI芯片。這全部得益于“微細化”的指導原則。

六、不間斷前道工藝中進行的必要檢查和監控

前道工藝是一個無法重做的過程，因為它需要一直連續進行。在這種情況下，在線檢查和監控對于保持良品率是必不可少的。

1、半導體工藝獨有的思路

可以說，前道工藝是無法一邊工作一邊看到結果的工序。舉個例子，陶器也是一樣涂上顏料之后，放人窯中燒制，直到拿出來為止，都不知道會變成什么顏色。這與組裝作業那種可以事后拆開重新組裝的生產形式有很大的不同。用將棋。比賽來比喻的話，就是“沒法等”的那一步。

與此同時，對于如何把握結果，半導體也有其獨有的思路。在前道工藝中，有時需要一次性處理幾十片甚至上百片晶圓，每個晶圓中又有成千上萬個芯片，而其中晶體管的數量更是天文數字。

為了制造出每一顆芯片，采取的是將所有晶圓作為整體“放入特定的分布中”的想法，而不是考慮晶圓之間的偏差、晶圓內部的偏差、芯片之間的偏差，以及晶體管之間的偏差，進而產生特定值。如下圖所示，批量生產的產品的確存在很多偏差，但半導體工藝的基本原則是如何減小偏差，提高各批次產品的可重復性。

2、監控的必要性

如上所述，由于結果在工藝完成之前未知，因此應始終監控設備的狀態和工藝的結果。監控主要有兩種類型:工藝中的原位監控(In-Situ)和工藝后的異位監控(Ex-Situ)。在線監控工藝線進行的狀態，稱為在線監控(in-Line)。在某些情況下，我們無須實時監控工藝線，稱為離線監控(也稱Off-Line)。下圖給出了在線監控系統化的例子。

這就是之前提到的硅晶片有多種使用方法的其中之一，會大量使用監控用晶圓。例如設備傳送檢查時需要傳送測試用晶圓，設備顆粒檢查時需要顆粒檢查用晶圓。

七、前道工藝Fab的整體介紹

通常情況下，我們習慣性稱Fab為工廠。由于前道工藝是以晶圓為作業對象進行的，所以在晶圓的傳輸和潔凈度等方面，與后道工藝的Fab所要求的規格有很大不同。

1、潔凈室

首先，前道工藝的一大特點是生產線的清潔度要求非常嚴格。通常需要至少1級以上的清潔度。這意味著空調通風量很大，很耗電。另外，大家在電視新聞中看到播放半導體工廠的情況時，工人是穿著白色的無塵服在工作的。的確如此，人體是灰塵的來源，因此，為了防止這種情況，是穿著無塵服工作的。但是，只有這些還不能稱其為潔凈室(CleaningRoom)。除了電力之外，半導體工藝設備還需要各種設施(氣體、化學溶液、純水及廢氣/廢液處理裝置等)。下圖顯示了將氣體分配到潔凈室工藝設備的示例。潔凈室是一個干凈的空間，除此以外，還需要各種設施像人體的血管和神經一樣運行著。

2、Fab工廠需要的設備

在潔凈室中，除了空調運行以外，制造和傳送設備的運轉也需要電力，光這個費用就頗為龐大。而且，在前道工藝中使用大量純水、氣體、化學溶液等，這些也需要相應設備。例如有時候我們會用到氣站(Gas Plant)這個詞，其實就是在現場建了一個制造氣體的工廠。此外，大量使用純水、特殊氣體和化學品意味著會產生大量廢水、廢氣和廢液這些需要減排和處理設備。目前在前道工藝Fab中，這些設施的廠房占據了相當大的用地面積。所以，前道工藝Fab往往會給人一種以潔凈室為主的印象。其實如上所述，這些設施設備也非常重要，而且還需要保證純水生產的水源，選址也是一個挑戰。在下圖中嘗試描繪了一幅前道工藝Fab的全景圖。

八、前道工藝Fab產線的Bay布局

前面講過了，因為前道工藝又稱為循環型工藝。因此，在潔凈室內的生產線(也簡稱為Line)上生產設備的布局稱為Bay(海灣)方式。

1、選擇 Bay (海灣)方式的原因

Bay的意思是海灣。叫這個名字可能是因為同一工藝的設備看起來像一艘漂浮在海灣中的船。不管怎樣，如何在晶圓廠的潔凈室內布置半導體制造設備是一個挑戰，正如前面多次敘述那樣，由于前段制程要多次通過同一種工藝，如果按照經過的順序布局設備，有多少臺設備都是不夠用的，而且潔凈室的面積也會變得龐大。因此，一般采用把相同種類的工藝設備布局在同一海灣的方式，這就是Bay方式，在下圖中展示出了示例圖。放入硅晶圓的載具和搭載FOUP的OHV被傳送到各個設備(未示出)。據說大規模晶圓廠的傳送線總長度達幾十千米。

順便說一下，潔凈室的建設和維護都需要成本，僅潔凈室空調的運營成本就非常昂貴。因此，潔凈室不能浪費空間，要放置最需要的設備。

2、實際生產線的運行

但是，對于一條實際的生產線，中途也會發生工藝制造設備的更換和生產的增減等為此，半導體生產線的運行需要隨機應變，需要在布局上下功夫。

在之前提到的監測和檢查需要怎樣布置呢?當然，不同設備也被安置在潔凈室內，對各種各樣的工藝設備進行監控和結果檢查。如圖所示，根據檢查、解析設備的不同，有時會安置在潔凈室外面，以上這些都由量產生產線進行統一管理。

九、總結一下

芯片制造的前道工藝（FEOL）是半導體制造的核心基礎環節，從空白硅片（晶圓）開始，通過一系列精密工藝加工形成晶體管等基本電路元件及多層互連結構的過程，最終產出帶有完整功能單元的圓形硅片（晶圓）。其本質是“從無到有”構建芯片的微觀電路骨架，是為后續后道工藝（封裝測試）提供具備功能的基底。

所以，前道工藝（FEOL）算是芯片制造的“地基”，其技術水平直接決定了芯片的性能（速度、功耗）、成本（良率）與微縮能力（如3nm工藝的實現）。從氧化、光刻到CMP，每一步都需要納米級的精確控制，是半導體產業最核心的技術壁壘之一。

參考文獻：

1.【美】Peter Van Zant ，韓鄭生譯，芯片制造-半導體工藝制程實用教程（第六版），電子工業出版社；

2.【日】佐藤淳一，王藝文，王姝婭譯，圖解入門半導體制造工藝基礎精講（第四版），機械工業出版社；；

3.余盛，芯片戰爭，華中科技大學出版社。

4.《 芯片制造流程詳解》，半導體行業觀察；

5.《 芯片制造的10個關鍵步驟》，中制智庫；

6.《半導體制造技術》， 夸克、瑟達、韓鄭生，電子工業出版社；

7.《圖解入門：半導體制造》， 佐藤淳一、王憶文、王姝婭，機械工業出版社；

8.維基百科、youtube、各廠商官網。

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審核編輯 黃宇