半导体溅射 &真空应用及其设备技术

陈建江

宁波杭州湾新区杭培安全有限公司 315399

摘要：封装测试是半导体产业的重要环节。与全球市场稳步增长相比，中国半导体封测市场以20%的年复合增长率遥遥领先，其中专业代工占国内一半以上市场份额。2017-2020年中国大陆新建晶圆厂将超过20个，连同邻近的封测厂，成为全球半导体产业新增产能的核心区域。中国半导体封测产业将走向美好的春天。溅射工艺是半导体封装的重要环节之一，如房屋的地基，及其工艺性能测试安要求，进行需求测试，从而做半导体芯片功能性工艺测试设备应用技术的研究。

关键词：半导体；真空溅射；设备技术

引言

晶圆片级芯片规模封装（Wafer Level Chip Scale Packaging，简称WLCSP)，即晶圆级芯片封装方式，不同于传统的芯片封装方式（先切割再封测，而封装后至少增加原芯片20%的体积），此种最新技术是先在整片晶圆上进行薄膜沉积，黄光和电化学沉积等制程封装和测试，再切割成尺寸与裸片完全一致的芯片成品，不需经过打线和填胶程序，封装后的芯片尺寸和裸芯片几乎一致。达到了小型化的极限（封装效率接近100%），符合消费类电子产品轻、小、短、薄化的市场趋势，并具有密度大、低感应、低成本、散热能力佳等优点。其封装成本的优势随着晶圆尺寸的增大和芯片尺寸的减小而更加明显。本文将从溅射工艺原理、品质论点出发，、还有溅射膜层的质量好坏程度影响芯片封装的品质和信赖性，并且通过一系列检测手段，监控工艺稳定性的论述。对在封装过程中的工艺严格管控，对设备性能预知性的维修。预先制定一些维护保养计划，保证机器能够在生产的过程当中处于最佳的工作状态。因此可以看出半导体设备的预测性维修对于设备维修来说具有非常重要的意义。

1半导体溅射设备工艺

半导体溅射设备主要用于在高真空10^-8torr下，通过氩气为媒介，

1.1两种薄膜形成方法

薄膜沉积 ( Thin Film Deposition )

薄膜成长 ( Thin Film Growth )

PVD即物理气相沉积,是主要借助物理现象的方式来进行薄膜沉积的一种方式。

在我们的制程中,所用到的PVD方式是Sputtering (溅镀)用于沉积金属层。

1.2溅射原理

利用电浆所产生的离子，借着离子对被溅镀物体电极的轰击，使电浆的气相(Vapor Phase) 内具有被镀物的原子或离子，到达晶片表面并进行沉积。

1.3溅镀沉积机构 (Mechanisms)

电浆内部分离子，脱离电浆，往阴极移动

离子轰击阴电极板，击出电极板原子

电极板原子进入电浆内，到达放有晶片的电极板

吸附在晶片表面的电极板原子，依薄膜沉积原理，进行薄膜的沉积

1.4影响溅击率的因素：

靶的材料

轰击离子的质量

轰击离子的能量

离子的入射方向

S(溅击率)很大程度上决定了沉积的速率

1.5我们制程使用Ar的原因是:

Ar的原子质量比较大，这样可以获得较大的溅击率

Ar比较便宜

1.6金属Ti的应用

优点：

Ti极易与Si交互扩散而形成TiSi2,,形成很好的欧姆(Ohmic)接触

沉积方式--磁控DC直流溅镀作用--作为Al与Si界面的接触金属。

2.真空技术

2.1定义：

真空不是指完全的真空状态，通常压力小于一大气压的状态即是真空。

高真空对应低压力；低真空则为高压力。

计示压力和绝对压力间的关系为：

绝对压力=计示压力+14.7psi(1atm)

2.2真空度分类：

真空度	压力
低真空（Low Vacuum)	760-1torr
中真空（Medium Vacuum)	1- 10-3
高真空（High Vacuum)	10-3-10-7
极高真空（Ultra High Vacuum)	10-7-10-10

2.3真空的应用

2.31低真空

低真空是利用低（粗）真空所获得的压力差来夹持、提升和运输物料，以及洗尘和过滤，如吸尘器、真空吸盘等。

2.32中真空

一般用于排除物料中溪流或溶解的气体或水分、制造灯泡、真空冶金和用作热绝缘。如真空浓缩生产炼乳，不需要加热就能蒸发乳品中的水分。

2.33高真空

高真空可用于热绝缘、电绝缘和避免分子电子、离子碰撞的场合。高真空中分子自由程大于容器的线性尺寸，因此高真空可用于电子管、光电管、阴极射线管、X射线管、加速器、质谱仪和电子显微镜等器件中，以避免分子、电子和离子之间的碰撞。这个特性还可应用于真空镀膜，以供光学、电学或镀制装饰品等方面使用。

2.4真空泵比较

Classifies	Pump Name	Principle	Range
机械 Pump	Root’S Pump	压缩、扩散	可达10-3 torr
	Oil Pump	压缩、扩散	可达10-3 torr
	Turbo Pump	压缩、扩散	可达10-4 torr
非机械Pump	Diffusion Pump	用油做介质 冷却、扩散	可达10-5 torr
	CRYO Pump	用冷媒做介质 冷却、吸附	可达10-8 torr

3半导体设备的预测性维护

预测性维护主要所依据就是设备运行的状态，强调对设备进行诊断和故障监测，所指的就是能够定期的对设备进行检测和检查，根据设备当中排查出来的结果然后判断设备在运行的过程当中是否会出现异常的状态，在定期的对设备进行维修和维护。这样就需要对每一台机器设备进行记录，并且记录每一台机器出现故障的原因，以及在出现故障之后才去的措施，生产的时间，生产的设备记录在案，将这些记录的数据作为历史记录，方便在下次进行维修的过程当中能够着重的对这些进行检测。举个例子就是对设备进行这样的检查：

其次就是能够对设备的实时动态参数进行控制，这些动态的参数需要每天都有专业相关的人员定期的进行检查和记录。根据每天巡查的结果，来判断设备故障是否是突然出现。如果在检测当中的参数并没有指示设备出现各种不正常的状态，那么就说明设备正处于正常的运行状态。结合设备故障出现的参数，以及相同环境之下其他设备运行的状态记录下来这样就能够更好的检测出设备内部出现的情况，将维修方案制定出来，并且还能够在进行维修的过程当中采取各种防范措施防止下一次设备安全事故的发生。

4半导体工艺的需要

半导体元件制造的过程分为两个过程，第一个过程称之为前道过程，也就是对半导体的晶圆制造过程进行监控，一直到晶圆制造过程完成，第二个过程称之为后道工程，他包括对半导体的封装以及半导体的成品测试，对半导体的成品测试主要是对半导体的各个性能参数进行测试，其中包括对电流的测试，对电压的测试，对光学性能参数的测试，从测试的过程中选择最合格的半导体器件，对于半导体来说，它的制造工艺属于精细加工，每一项的加工工艺都有与其对应的技术要求参数，对实际的半导体工艺使用不同的设备进行测试，之后进行数据相似值的参数进行调整，使其可以在合格的基础上对制造的芯片提供进一步的工艺，对于前道工艺来说，应该按照基本的四大类工艺的需要进行设备的配置。

结语

总而言之，上面所提到的溅射和真空的应用技术，半导体技术的节点扩展仍将继续，但每个新技术节点的诞生，已不能再带来像过去那样的成本/性能优势。先进半导体封装被视为提高半导体产品价值、增加功能、保持/提高性能同时降低成本的一种方式。无论如何，更多异质芯片整合，包括系统级封装和未来更先进的封装技术都将遵循此趋势。想要对设备实现更好的预测性维修，是设备稳定性提升的前提，这就需要在维修的过程当中采用更多的先进技术，以及连续的监测才能够让预测性维修在半导体设备维修过程当中得到更好的应用。并且对半导体进行预测性设备维修能够有效地降低生产过程当中出现的各种事故，还能够有效的避免企业的经济损失。因此可以看出预测性维修对于半导体设备来说具有非常重要的意义。也是当今维修过程中的重要维修方式之一。

参考文献

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[2]李晓干，刘勐，王奇.半导体薄膜技术基础，溅射技术，2015，（12）：64-80，

[3]蔡颖岚，胡伟，张经洪等.半导体工艺测试设备应用技术研究[J].设备管理与维修，2018，（12）：147-149.