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Chapter 2
IC 生产流程与测试系统
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2 IC 生产流程与测试系统
2.1 IC 生产流程简介
你想知道精密的IC 芯片是如何从粗糙的硅矿石中诞生的吗?本节将为您揭开IC 制造的神秘面纱。
你知道吗?制造一块IC 芯片通常需要400 到500 道工序。但是概括起来说,它一般分为两大部分:前道
工序(front-end production)和后道工序(back-end production)。
[1] 前道工序
该过程包括:
(1) 将粗糙的硅矿石转变成高纯度的单晶硅。
(2) 在wafer 上制造各种IC 元件。
(3) 测试wafer 上的IC 芯片
[2] 后道工序
该过程包括:
(1) 对wafer 划片(进行切割)
(2) 对IC 芯片进行封装和测试
在制造过程中有数道测试步骤。其中,在前道工序中对IC 进行的测试,我们把它叫做wafer 测试。在后
道工序过程中对封装后的IC 芯片进行的测试,我们称之为封装测试。在有些情况下,wafer 测试也被放
在后道工序中,但在本文里,我们把wafer 测试归为前道测试。
半导体基础知识
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前道生产流程:
<1> 硅棒的拉伸
将多晶硅熔解在石英炉中,然后依靠
一根石英棒慢慢的拉出纯净的单晶硅棒。
晶种
单晶硅
加热器
石英炉
熔融的硅
金刚石刀
单晶硅
抛光剂
Wafer
气体
加热器
Wafer
石英炉
<2> 切割单晶硅棒
用金刚石刀把单晶硅棒切成一定的厚度
形成WAFER。
<3> 抛光WAFER
WAFER 的表面被抛光成镜面。
<4> 氧化WAFER 表面
WAFER 放在900 度——1100 度的氧化
炉中,并通入纯净的氧气,在WAFER 表面
形成氧化硅。
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滴上光刻胶
电极
电极
真空泵
反应气体
Wafer
Wafer
抛光板
研磨剂
光学掩模板
镜片
Wafer
移位
重复<5> 到<9>,在
WAFER 上形成所需的
各类器件
<5> 覆上光刻胶
通过旋转离心力,均匀地在WAFER
表面覆上一层光刻胶。
<6> 在WAFER 表面形成图案
通过光学掩模板和曝光技术在
WAFER 表面形成图案。
<7> 蚀刻
使用蚀刻来移除相应的氧化层。
<8> 氧化、扩散、CVD 和注入离子
对WAFER 注入离子(磷、硼),然
后进行高温扩散,形成各种集成器件。
<9> 磨平(CMP)
将WAFER 表面磨平。
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正极
负极
Wafer
进气
出气
芯片
Wafer
探针卡
信号
使用ADVANTEST 的
T6573 测试系统
<10> 形成电极
把铝注入WAFER 表面的相应位置,
形成电极。
<11>WAFER 测试
对WAFER 进行测
试,把不合格的芯片
标记出来。
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后道生产流程:(对WAFER 测试合格的芯片进行下面的处理)
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U00100000Ε U00100000ΕU00100000ΕU00100000Ε
U00100000Ε U00100000Ε
金刚石刀
Wafer
芯片
Frame
芯片
连线
芯片Frame
树脂
<12> 切割WAFER
把芯片从WAFER 上切割下来。
<13> 固定芯片
把芯片安置在特定的FRAME 上
切割机切割
Lead Frame
<14> 连接管脚
用25 微米的纯金线将芯片和FRAME
上的引脚连接起来。
<15> 封装
用陶瓷或树脂对芯片进行封装。
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2.2 前道工序中的测试及设备
在前道工序完成前要对wafer 进行前道测试,这样做可以避免对不合格的IC 芯片进行封装,从而减少不
必要的浪费,减少生产成本。
T665510
镜片
激光
芯片
测试socket
信号
Performance board
芯片
老化板
芯片
引脚
<16> 修正和定型(分离和铸型)
把芯片和FRAME 导线分离,使芯
片外部的导线形成一定的形状。
<17> 老化(温度电压)测试
在提高环境温度和芯片工作电压的情
况下模拟芯片的老化过程,以去除发
生早期故障的产品
老化机老化板
<18> 成品检测及可靠性测试
进行电气特性检测以去除不合格的芯片
成品检测:
电气特性检测及外观检查
可靠性检测:
实际工作环境中的测试、长期工作的寿
命测试
<19> 标记
在芯片上用激光打上产品名。
完整的封装
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下面,将向大家介绍一下前道测试中需要使用的设备:
(1) 测试系统(test system):测试系统生成测试IC 时所需的各种信号,并且检测IC 的输出信号。根
据检测的结果,测试系统判断所测的IC 是否合格,并将测试的结果传输给wafer prober。
(2) Wafer prober:wafer prober 将wafer 从工作台上移送到测试头下面,并将探针卡上的针脚压在IC
芯片上,形成良好的电气接触。Wafer prober 还要根据测试系统的测试结果,给不合格的IC 打上墨
印。
(3) 探针卡(probe card):探针卡负责测试系统与IC 芯片之间的电气连接。在探针卡上有很多的探针
(needle)。测试时,这些探针被压到IC 芯片的电极板上,从而完成与IC 芯片的电气连接。
早期的探针是几厘米长的钨质探针。但是这种钨质探针因为自身的电气特性,无法应用在信号频率
高于60MHz 的场合,也无法应付narrow pitched pad。
之后推出的新型探针卡上的探针已经解决了上述的限制,完全可以满足当今设备的测试需求。
再接下来,将向大家介绍一下memory 器件在wafer 测试中的修复:
在高密度内存单元的制造过程中,通常会额外地再造一些备用的内存单元。这样,在测试中如果发现某
些内存单元不合格,就可以用备用的内存单元进行替换,从而提高良品率。
在wafer 测试中,需要对不合格的IC 芯片进行分析,以判别如何使用备用的内存单元来修复这些芯片。
这种分析称为修复分析,分析的算法称为修复算法。
经过修复算法分析后,如果IC 芯片不能修复,就归为废品,如果可以修复,就使用激光修复器对电路重
新连接,用备用内存单元条替换已损坏的内存单元。修复后的IC 芯片需要重新进行测试。只有通过测试
后,wafer 测试才算结束。
最后,让我们再看一下wafer 测试分析:
将wafer 测试的结果根据芯片的位置坐标显示出来,就可以形成一张wafer 的映射图。通过该图,可以
看到次品芯片的分布趋势。良品/ 次品的分类也可以依靠映射图中的数据进行,而无须使用墨印器。对
于内存设备来说,还能够显示每一个不合格的比特的空间分布。次品的错误模式以及其他的分析数据对
于减少次品率大有益处。
剔除废品IC 的方法:
1 .使用墨印器(Inker)给不合格的IC 芯片上打上墨印。在后道工序中,
在划片的时候丢弃被打上墨印的IC
2 .也可以不用墨印器,而直接记录下出问题的IC 芯片在wafer 上的坐
标。在后道工序中(切割wafer 时)根据该坐标丢弃IC。
小知识
内存单元:
内存单元是用来保存数据(0 或1)的电路单元。
一个最简单的内存单元是由一对晶体管和一个电容组成的。例如,拥有
64Mbit 容量的内存设备中有64,000,000 个内存单元。
MRA:
在ADVANTEST,我们使用MRA (memory repair analyzer,即内存修复分析
器)来进行高速的分析并获得修复方案。即,如何用备用单元条来替换有问
题的单元。
小知识
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Fig.2-1 由WFBMAP3 显示的wafer fail bit map
2.3 封装测试/ 最终测试
在完成封装测试的过程中,我们要用到的测试系统和HANDLER。
刚刚我们提到了存放IC 芯片的托盘,下面我们来介绍一下。
WFBMAP3
WFBMAP3 (wafer fail bit map)是一个ADVANTEST 为内存测试提供的软
件。Wafer map 与wafer fail bit map 这两个软件都能显示wafer 上芯片
的测试结果,但是只有wafer fail bit map 能够显示内存芯片中每一个内
存单元的测试结果。
小知识
测试系统到底做些什么?
答:测试系统会向所测试的IC 加上信号,然后从IC 的输出端接受IC 的输
出信号,以判断该IC 芯片是否合格。
HANDLER 到底是什么?
答:HANDLER 即是机械手,它把所要测试的IC 芯片从托盘里移至测试平台
上。在测试结束后,它通过接受信号,把合格与不合格的IC 芯片移至相应
的平台 。HANDLER 还能根据测试要求对IC 芯片进行加热和冷却。
小知识
TRAY (托盘)是什么?
答:通常在使用HANDLER 把芯片放在一个TRAY 中,对于各种不同形状的
IC,我们相对有不同的TRAY。在测试台,HANGLER 根据P/F 把IC 放在两个
不同的TRAY 中。
小知识