电子制造技术基础总结课

电子制造技术基础总结课主要内容电子制造概述芯片设计与制造技术元器件的互连封装技术无源元件制造技术微机电系统工艺技术封装基板技术电子组装技术封装材料微电子制造设备第一章电子制造概述广义的电子制造包括电子产品从市场分析、经营决策、工程设计、加工装配、质量控制、销售运输直至售后服务的全过程。狭义的电子制造，是指电子产品从硅片开始到产品系统的物理实现过程。本课程讲述的主要内容属于狭义的电子制造。单晶硅片晶片元器件板卡产品系统半导体工艺引线键合TAB倒装芯片通孔安装表面安装接插、导线连接等前道工序后道工序电子封装电子封装是指从电路设计的完成开始，根据电路图，将裸芯片、陶瓷、金属、有机物等物质制造成芯片、元件、板卡、电路板，最终组装成电子产品的整个过程。主要是在后道工序中完成。半导体制造封装所实现的功能封装的目的：保护芯片不受或少受外界环境的影响，并为之提供一个良好的工作条件，以使集成电路具有稳定、正常的功能。水汽、杂质、化学物质等对封装功能大体要求？良好的电气性能封装实现的功能：1、提供给晶片电流通路，传递电能2、引入或引出晶片上的信号3、提供散热途径；4、保护和支撑晶片。散热性能化学的稳定性一定的机械强度第一章电子制造概述技术的层次（共4层）：Level0(晶片级的连接)芯片上元器件间的连线工艺Level1：单晶片或多个晶片组件或元件；Level2：印制电路板级别的封装；Level3：整机的组装。封装技术第一章电子制造概述硅片Level0晶片级互连Level1Level2Level1多晶片互连Level3Level3第一章电子制造概述90年代:PGA（PinGridArray）针栅阵列封装、BGA（BallGridArray）球栅阵列封装、µBGA=CSP（ChipSizePackage）芯片尺寸封装60年代：TO（TransistorOutline）70年代：DIP80年代：LCCC（LeadlessCeramicChipCarrier）无引线陶瓷芯片载体PLCC（PlasticLeadedChipCarrier）塑料短引线芯片载体SOP、QFP、PQFP（PlasticQuadFlatPackages）SMT（SurfaceMountPackage）表面贴装技术芯片封装的演变芯片封装的演变图第一章电子制造概述集成电路发展的主要表现1、芯片尺寸越来越大。2、工作频率越来越高。3、发热量日趋最大。4、引脚越来越多。对封装技术的要求：1、小型化。2、能适应高发热。3、集成度提高，并适应大芯片要求。4、高密度化。5、能适应多引脚。6、能适应高温环境。7、具高可靠性。8、考虑环保要求。集成电路工艺的发展第一章电子制造概述集成电路飞速发展的一个很重要的原因就是制造工艺一直以惊人的速度在发展。特征尺寸和晶圆片的尺寸是衡量集成电路工艺水平的关键指标。特征尺寸通常指集成电路中半导体器件的最小尺度，如MOS晶体管的栅极长度。它是衡量集成电路制造和设计水平的重要尺度。特征尺寸越小，芯片的集成度越高、速度越快、性能越好。IC界的黄金定律：摩尔定律第一章电子制造概述1965年4月，仙童半导体公司的戈登·摩尔（GordenMoore）在《电子学》杂志上发表文章预言：集成电路芯片上集成的晶体管数量将每年翻一番。1975年，摩尔又在国际电信联盟的学术年会上提交了一篇论文，根据当时的实际情况把增长率修正为每两年翻一番。第二章集成电路物理基础什么是半导体？按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体.表2.1导体、半导体和绝缘体的电阻率范围材料导体半导体绝缘体电阻率ρ(Ωcm)＜10-310-3～109＞109半导体的重要特性：温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降.微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力.适当波长的光照可以改变半导体的导电能力.半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变.半导体的晶体结构一、晶体的基本知识长期以来将固体分为：晶体和非晶体。晶体的基本特点：具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式有规则的排列而成——长程有序。（如Si，Ge，GaAs）晶体又可分为：单晶和多晶。单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶。多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。非晶（体）的基本特点：无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列——短程有序。（如非晶硅：a-Si）图2.1非晶、多晶和单晶示意图半导体材料1、*本征半导体：处于纯净的状态而不是掺杂了其他物质的半导体。有两类本征半导体：半导体元素硅和锗化合物材料砷化镓和磷化镓2、**掺杂半导体：（1）施主杂质n（2）受主杂质p（3）载流子的迁移率3、***半导体材料：（1）硅和锗（两种重要的半导体）（2）砷化镓（3）硅作为电子材料的优势总结3、由于载流子的运动方向是无规则的，因此宏观上半导体是不带电的。但掺杂后的半导体的自由电子或空穴剧增，所以导电性也大大提高。1、多数载流子N型半导体：自由电子P型半导体：空穴2、少数载流子N型半导体：空穴P型半导体：自由电子P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++内电场E方向空间电荷区空间电荷区的性质：1.多数载流子因扩散复合而消耗了，所以又称为耗尽层。2.空间电荷区中的正负离子不能移动，但在交界面处形成了一个电场，这个电场将阻挡多数载流子的进一步复合，所以又称为势垒区。内电场方向－－－+++PN12123.扩散与漂移达到动态平衡。4.空间电荷区称为PN结。PN结的单向导电性（重点）当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。系统设计系统仿真RTL设计RTL仿真综合门级仿真布局布线版图验证参数提取布局布线后仿真生产数字集成电路的设计流程版图设计概述版图(Layout)是集成电路设计者将设计并模拟优化后的电路转化成的一系列几何图形，它包含了集成电路尺寸大小、各层拓扑定义等有关器件的所有物理信息。集成电路制造厂家根据这些信息来制造掩膜。版图在设计的过程中要进行定期的检查，避免错误的积累而导致难以修改。很多集成电路的设计软件都有设计版图的功能，CadenceDesignSystem就是其中最突出的一种。Cadence提供称之为Virtuoso的版图设计软件帮助设计者在图形方式下绘制版图。微电子制造工艺硅晶圆制造光刻+刻蚀氧化工艺掺杂工艺（扩散+离子注入）石英沙：二氧化硅；a)石英沙冶金硅（粗硅），metallicgradesilicon(MGS)；b)冶金硅粉末+HCl三氯硅烷（TCS）；通过气化和浓缩提纯三氯硅烷；c)三氯硅烷+H2多晶电子纯硅（ElectronicGradeSilicon，EGS）d)熔融的多晶电子纯硅（EGS）单晶硅锭e)整型处理：去掉两端、径向研磨、定位边；单晶硅锭切片、磨片倒角、刻蚀、抛光；激光刻号，封装。从石英沙到硅片的过程半导体硅材料制备电子纯硅单晶硅锭1、CZ(Czochralski)直拉法拉单晶2、拉晶过程3、掺杂4、杂质控制5、区熔法a）原理b）分类c）单晶生长过程生长硅单晶1、CZ(Czochralski)直拉法拉单晶直径位1～2mm长约15～20mm•剩余熔硅20％左右时•换料中，不断通入保护气体将晶体直径长大到所要求的尺寸待润和良好后，再开始提拉（1）装料——将半导体级别的多晶硅和掺杂剂置入单晶炉内的石英坩埚中，掺杂剂可以选择掺杂Si、P、B、Sb、As等（选择掺杂材料用以产生P型或N型材料）生长直径300mm的硅单晶生长系统一次最大装料量一般可达300kg。•（2）熔化——当装料结束关闭单晶炉门后，抽真空使单晶炉内保持在一定的压力范围内，驱动石墨加热系统的电源，加热至大于硅的熔化温度（1420℃），使单晶硅和掺杂物熔化。（3）引晶——拉晶开始，先引出直径为3～5mm的细颈，以消除结晶位错。当多晶硅熔融体温度稳定后，将籽晶慢慢下降进入硅熔融体中（籽晶在硅熔融体中也会被熔化），然后具有一定转速的籽晶按一定速度向上提升，由于轴向及径向温度梯度产生的热应力和熔融体的表面张力作用，使籽晶与硅熔融体的固液交接面之间的硅熔融体冷却形成固态的硅单晶。2、拉晶过程•（4）缩径（颈）——当籽晶与硅熔融体接触时，由于温度梯度产生的热应力和熔体表面张力作用会使籽晶晶格产生大量位错，这些位错可利用“缩颈”工艺使之消失。（5）放肩——在缩颈工艺中，当细颈生长到足够长度时，通过逐渐降低晶体的提升速度及温度调整，使晶体直径逐渐变大而达到工艺要求直径的目标值，为了降低晶棒头部的原料损失，目前几乎都采用平放肩工艺，即使肩部夹角呈180°。（6）等径生长——在放肩后当晶体直径达到工艺要求直径的目标值时，再通过逐渐提高晶体的提升速度及温度的调整，使晶体生长进入等直径生长阶段，并使进固体直径控制在大于或接近工艺要求的目标公差值。（7）收尾——晶体生长的收尾主要要防止位错的反延，一般讲，晶体位错反延的距离大于或等于晶体生长界面的直径，因此当晶体生长的长度达到预定要求时，应逐渐缩小晶体的直径，直至最后缩小成为一个点而离开硅熔融体液面，这就是晶体生长的收尾阶段2、区熔法区熔法（FloatZone，FZ）是在20世纪50年代被提出来并很快被应用到晶体生长技术中的。用这种方法制备的单晶硅的电阻率非常高，特别适合制作电子器件。虽然目前悬浮区熔法制备的单晶硅所占有的市场份额较小，但其仍然在特殊需要中被使用。例如，对于有些器件（高功率的晶闸管和整流器），高的氧含量是不能被接受的，而直拉法的一个缺点即是坩埚中的氧进入到晶体中造成硅锭的不纯。对于制造高纯度硅或无氧硅等特殊要求，晶体必须用区熔法来生长。将材料局部熔化，形成一个狭窄的熔区，然后令熔区沿着材料缓慢移动，利用分凝现象来分离杂质，生长单晶体。熔炉通入惰性气体，防止硅氧化单晶硅锭硅片1、基本流程微电子制造工艺光刻工艺光刻技术刻蚀技术光刻概述光刻(photolithography)是在光的作用下，使图像从母版向另一种介质转移的过程。母版就是光刻版，是一种由透光区和不透光区组成的玻璃版。即将掩模版（光刻版）上的几何图形转移到覆盖在半导体衬底表面的对光辐照敏感薄膜材料（光刻胶）上去的工艺过程。分辨率、焦深、对比度、特征线宽控制、对准和套刻精度、产率以及价格。光刻系统的主要指标包括:光刻分辨率分辨率–R=1/2L(mm-1)；–直接用线宽L表示存在物理极限，由衍射决定：L≥λ/2,Rmax≤1/λLL即每mm中包含的间距与宽度相等的线条数目。因光的波动性而产生的衍射效应限定了线宽KrF激光光源，可产生0.25um常用光源波长436nm，最佳线宽47um粒子质量m，动能E有关光刻工艺的8个基本步骤底膜处理旋转涂胶前烘对准和曝光显影坚膜烘焙腐蚀（刻蚀）去胶光刻机里进行涂胶显影机光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机一、光刻胶–光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体–光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定显影溶液中的溶解特性改变光刻胶与掩膜版39按曝光区在显影中被去除或保留来划分：–正（性）胶–负（性）胶按其用途划分：–光学光刻胶–电子抗蚀剂–X-射线抗蚀剂分类曝光前不可溶,曝光后可溶曝光前可溶,曝光后不可溶40理想的刻蚀工艺①各向异性刻蚀，即只有垂直刻蚀，没有横向钻蚀。②良好的刻蚀选择性，即对作为掩模的抗蚀剂和处于其下的另一层薄膜或材料的刻蚀速率都比被刻蚀薄膜的刻蚀速率小得多，以保证刻蚀过程中抗蚀剂掩蔽的有效性，不致发生因为过刻蚀而损坏薄膜下面的其他材料；③加工批量大，控制容