《半导体芯片制造八大步骤（上篇）》介绍了晶圆制造、晶圆氧化、光刻和刻蚀四大步骤，本篇我们将继续探索半导体芯片制造过程中后续的四个步骤：薄膜沉积与离子注入，金属布线(互连)，筛选测试(EDS)和封装。

五、薄膜沉积与离子注入

1. 薄膜沉积

像高楼大厦有复杂的层叠结构一样，半导体芯片也是由很多层构成的。这些层的厚度小于1um，不能通过机械加工制造，而是通过沉积得到的，我们称之为薄膜(Thin film)。沉积(Deposition)就是将原子、分子或离子以固态形式聚积在基底表面，形成纳米到微米级厚度的薄膜，就像穿上了一层薄衣。

▲ 半导体沉积结构

沉积大致分为物理气相沉积(Physical Vapor Deposition, PVD)和化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)两种。顾名思义，物理气相沉积是指通过物理手段形成薄膜。溅射就是一种物理气相沉积方法，其原理是通过氩等离子体的轰击让靶材的原子溅射出来并沉积在晶圆表面形成薄膜。化学气相沉积则是通过一种或几种气相物质在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。

2. 离子注入

通过沉积形成的薄膜按材质也分为金属（导电）膜、介电（绝缘）膜和半导体膜。那么怎样才能使半导体也具有良好的电特性呢？答案就是离子注入。

离子注入(Ion Implantation)就是使用高能离子束轰击并植入固体表层的过程。具体来说就是在真空和低温下，把气体形态的杂质离子加速，获得很大动能的杂质离子即可直接注入半导体中。在半导体材料注入杂质离子可以使其具有良好的导电性，如果注入15族元素如磷(P)、砷(As)，会得到n型半导体；如果注入13族元素如硼(B)，就会得到P型半导体。

▲ 晶圆的离子注入

为了创建芯片内部的微型器件，我们需要不断地沉积一层层的薄膜，然后进行离子注入形成半导体器件，通过光刻、刻蚀去除掉其中多余的部分并形成三维结构，另外还要添加一些材料将不同的器件分离开来。每个晶体管都是通过上述过程一步步构建起来的。

六、金属布线(互连)

通过反复进行光刻、蚀刻、沉积工艺和离子注入，晶圆表面会形成各种半导体元件，但还需要将它们连接起来才能实现电路功能。根据半导体电路图连接金属线的过程，称为金属布线(Metallization), 或金属互联(Metal Interconnection)。

用于布线的金属需要满足以下条件：低电阻率，易于形成电路图形，高可靠性，制造价格较低。常用的金属有铝(Al)、锑(Ti)、钨(W)等。

▲ 铝金属布线工艺示意图

铝互连工艺包括铝沉积、涂敷光刻胶以及曝光与显影，随后通过刻蚀有选择地去除多余的铝和光刻胶，然后再进入氧化、去除多余氧化膜的过程。最后再不断重复上述过程直至完成互连。

除了具有出色的导电性，铝还具有容易光刻、刻蚀和沉积的优点。此外铝的成本较低，与氧化膜粘附的效果也比较好。其缺点是容易腐蚀且熔点较低。另外，为防止铝与硅反应导致连接问题，还需要添加金属沉积物将铝与晶圆隔开，这种沉积物被称为“阻挡金属(Barrier Metal)”。

▲ 阻挡金属示意图

七、筛选测试(EDS)

EDS (Electrical Die Sorting) 是对晶粒(Die)进行的质量测试和筛选。经测试有缺陷的晶粒不会进入后续封装步骤，有助于节省成本和时间。EDS工艺大致可以分为四个阶段：

▲ EDS工艺四大阶段

1.电气试验(Electrical Test, ET)和晶圆老化测试(Wafer Burn In, WBI)：

电气试验是对半导体集成电路(IC)操作所需的各个元件(晶体管、电阻、二极管等)进行直流电压和电流特性参数测试，这是对半导体晶粒进行的首次测试。

晶圆老化测试是通过将晶圆加热到一定温度，施加交流(AC)/直流(DC) 电压后，找出产品潜在的不合格因素，以提高产品可靠性的过程。

2. 热/冷测试(Hot/Cold Test)

热/冷测试是指在不同温度条件下检查芯片性能，以确定芯片在特定温度下也可以正常工作。测试时会记录可修复芯片的信息以便后续处理。

3. 维修(Repair) / 最终测试(Final Test)

维修过程是EDS中最重要的一步，之前被判定为可修补的芯片只需替换掉其中存在问题的元件即可。在维修完成后，还要进行最终测试，以验证是否已经维修完成。

4. 打墨(Inking)

打墨就是在不合格的芯片上印上特殊墨水，以便可以用肉眼识别出来。现在仅通过数据标记也可分辨出芯片是否合格。不合格的芯片不会进行封装，可以减少后续的工作量。打墨完成后，将晶圆进行干燥(Bake)，通过质量控制(Quality Control, QC)检测后的合格品会被转入封装工艺。

八、封装

筛选测试(EDS)之后晶圆加工的部分(称为Fab, Fabrication)就完成了，下面就是进行封装与测试，简称封测，英文称为Assembly and Test。半导体行业通常分为设计(Fabless)，制造(Fabrication, 简称Fab)和封测(Assembly and Test)三大部分。

▲ 晶圆与晶粒

1. 晶圆切割(Wafer cutting)

一个晶圆通常由数百个晶粒组成，每个晶粒都由划线标记，沿着这些划线就可以切割出单独的晶粒了。晶圆切割技术有三种：刀片切割、激光切割和等离子切割。刀片切割是指用金刚石锯切割晶圆，这种方法容易产生摩擦热和碎屑，可能损坏晶圆。激光切割的精度更高，能轻松处理厚度较薄或划片线间距很小的晶圆。等离子切割采用等离子刻蚀的原理，用于划片线间距非常小的晶圆。

▲ 刀片切割法示意图

2.晶粒贴装(Die attach)

接下来我们需要将单独的晶粒用粘合剂附着到基底上，基底有引线框架(lead frame)和PCB两种，其作用是保护和支撑芯片并让它们能与外部电路进行电信号交换。

3. 引线键合(Wire bonding)

在将晶粒附着到基底上之后，我们还需要将两者连通才能实现电信号交换。这一步称为引线键合(Wire bonding)，也叫打线邦定。具体来说就是使用细金属线来连接晶粒的焊盘和基底的焊盘，具体的连接方法有热压，超声波和热超声波。引线键合属于传统的键合方法。

还有一种键合方法是倒装芯片(Flip Chip)，就是晶粒正面朝下放置，将晶粒上的接触点与基底通过锡球等材料直接相连。这种方式使芯片具有更低的电阻和更小的外形尺寸，还可以加快制造的速度。

▲ 引线键合与倒装芯片

4. 模塑(Molding)

完成晶粒与基底的连接后，需要利用模塑工艺给芯片外部加一个包装，以保护半导体集成电路不受外部环境影响。注意有些芯片也可以使用其他封装材料，不一定需要塑料封装。这步完成后就得到完整的芯片了。

▲ 芯片的塑封结构

5. 测试(Testing)

成品芯片还要通过最后的测试。它们将被放入测试设备，设定不同的条件例如电压、温度和湿度等进行电气、功能和性能测试。在很多封测厂，这个步骤被称为ATE (Automatic Test Equipment)测试。

结语

通过上下篇的介绍，我们了解了半导体芯片制造的八大步骤。每个步骤用一句话概括：

晶圆制造：准备基材，就像做披萨前先准备饼底一样；

晶圆氧化：在晶圆表面形成保护层；

光刻：涂光刻胶，在晶圆表面绘制电路图形；

刻蚀：去除多余的材料，得到只由氧化膜构成的电路图形；

薄膜沉积与离子注入：一层层搭建芯片结构并使半导体具有电特性；

金属布线(互连)：将半导体元件连接起来；

筛选测试(EDS)：为了成就“完美”的半导体而进行的首次测试，筛出不良品；

封装：最终的芯片封装与测试。

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