汽車硅片生產(chǎn)工藝中封裝環(huán)節(jié)顆粒污染的分析

鄭曉東，董 敏

汽車硅片生產(chǎn)工藝中封裝環(huán)節(jié)顆粒污染的分析

鄭曉東1,3，董 敏*2

（1.武城縣水利局，山東 德州 253000；2.武城縣第二實(shí)驗(yàn)小學(xué)，山東 德州 253000；3.山東有研艾斯半導(dǎo)體材料有限公司，山東 德州 253000）

半導(dǎo)體制造過程中，封裝工藝需要對汽車硅片進(jìn)行充氮和真空處理。這一過程，對于汽車硅片的運(yùn)輸和保存相當(dāng)重要。文章主要研究封裝工藝對汽車硅片顆粒污染的程度，對工藝制程的影響以及降低這種影響的方法。封裝工藝由于穩(wěn)定性、無污染性和防氧化性等要求，需要對裝有汽車硅片的汽車硅片盒進(jìn)行充氮和吸真空的工藝步驟，以此來將汽車硅片盒內(nèi)的水汽和氧氣排除。同時使汽車硅片盒內(nèi)充滿干燥的氮?dú)猓苊馄嚬杵砻嫔裳趸铮岣咂嚬杵牧计仿省τ诜庋b環(huán)節(jié)對汽車硅片造成顆粒污染超標(biāo)的原因進(jìn)行了分析，并通過優(yōu)化汽車硅片封裝裝置和工藝流程，有效地降低了封裝環(huán)節(jié)對汽車硅片顆粒污染的影響。

汽車硅片；封裝環(huán)節(jié)；顆粒污染；封裝裝置

污染控制是在現(xiàn)代集成電路開發(fā)和生產(chǎn)中要慎重對待的課題[1]。隨著汽車硅片尺寸由26.6 cm向40 cm發(fā)展，在生產(chǎn)過程中減少污染尤為重要，控制污染是提高汽車硅片品質(zhì)的重要因素之一。現(xiàn)在汽車硅片制造產(chǎn)生的污染主要有顆粒污染、金屬污染、有機(jī)物污染、自然氧化層和靜電釋放[2-3]。主要影響汽車硅片產(chǎn)品質(zhì)量的污染是顆粒。汽車硅片的生產(chǎn)涉及多種生產(chǎn)工藝，會在各個車間和生產(chǎn)設(shè)備之間流動，導(dǎo)致汽車硅片受到污染的概率急劇增加。雖然在清洗檢測車間，清洗設(shè)備會清理汽車硅片和汽車硅片盒，但在清洗后的檢測和封裝環(huán)節(jié)，還可能導(dǎo)致汽車硅片出庫前污染。

1 汽車硅片封裝過程中的顆粒污染

在汽車硅片生產(chǎn)過程中，為了減少顆粒對汽車硅片的污染，會采用高級別的潔凈車間和生產(chǎn)設(shè)備，并規(guī)定生產(chǎn)人員穿特定潔凈服。這樣雖然能夠極大減少污染，但還是無法杜絕。而附著在汽車硅片表面的顆粒，可能會造成芯片等器件的短路或斷路，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

在汽車硅片的生產(chǎn)制造過程中，常以每步每片上的顆粒數(shù)來表示每一道工序中一片硅片中增加的某一特征尺寸的顆粒數(shù)[4]。在早期的硅片生產(chǎn)過程中，往往利用光學(xué)顯微鏡檢測硅片上顆粒污染的情況，但這種方法工作量大且便利性差，影響生產(chǎn)效率。為了解決上述問題，利用激光在汽車硅片表面照射呈現(xiàn)不同電阻值的特性，設(shè)計了一系列檢測設(shè)備。現(xiàn)在汽車硅片生產(chǎn)大廠普遍使用缺陷數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Defect Data Management System,DDMS），該系統(tǒng)由檢測設(shè)備和計算機(jī)構(gòu)成[5]，圖1為系統(tǒng)構(gòu)造圖。

汽車硅片封裝環(huán)節(jié)中顆粒的污染是工藝工程師需要解決的重點(diǎn)問題。工藝中大多數(shù)顆粒污染原因都與設(shè)備、操作人員有關(guān)。封裝環(huán)節(jié)是汽車硅片生產(chǎn)工藝的最后一道工序，也是重要工序之一，關(guān)乎汽車硅片的存儲與保存。一旦該工序出現(xiàn)問題，就會影響汽車硅片的良品率。

圖1 DDMS系統(tǒng)構(gòu)造圖

2 汽車硅片封裝中顆粒污染原因研究

我們研究了汽車硅片封裝工序中可能造成顆粒污染的一些因素，其主要污染源是操作人員跟設(shè)備。其中人員因素只能控制，無法徹底解決。本文主要研究封裝設(shè)備因素對汽車硅片的污染。為了確定污染源改進(jìn)封裝設(shè)備，對封裝設(shè)備進(jìn)行研究分析和試驗(yàn)，為減少汽車硅片封裝環(huán)節(jié)對汽車硅片的污染提供助力。

2.1 硅片顆粒污染異常增加原因的研究

汽車硅片封裝設(shè)備是一種充氮真空封口機(jī)臺。即一次吸真空，注入氮?dú)馊缓蠓饪冢鄠€硅片被放在同一個汽車硅片盒內(nèi)。在封裝時，將封裝機(jī)噴嘴插入裝有汽車硅片盒的封裝袋內(nèi)，然后先通過噴嘴吸氣，隨后注入氮?dú)猓詈笸ㄟ^封裝機(jī)上下加熱電阻絲對封裝袋加熱然后封口。

在汽車硅片封裝環(huán)節(jié)中，每次封裝都是以汽車硅片盒為單位，客戶只在同一批次中取幾片硅片進(jìn)行檢測，就可判斷整批硅片是否合格。因此，只要有一片汽車硅片不合格就會影響整批汽車硅片，但是在汽車硅片封裝環(huán)節(jié)中存在同一個汽車硅片盒內(nèi)部分汽車硅片出現(xiàn)被污染的情況，而且存在汽車硅片盒表面被污染的狀況。通過掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）檢測設(shè)備檢測到的污染如圖2所示。

圖2 表面沾污形態(tài)

造成這種污染狀態(tài)的原因是封裝機(jī)。由于封裝機(jī)先用噴嘴吸氣，封裝袋內(nèi)氣體所帶有的顆粒會污染封裝機(jī)的噴嘴，隨后又通過這個噴嘴向封裝袋內(nèi)注入氮?dú)猓w粒又被吹入了封裝袋內(nèi)，進(jìn)而進(jìn)入汽車硅片盒內(nèi)污染汽車硅片。封裝機(jī)的吸氣、充氮系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 封裝機(jī)噴嘴部位

2.2 封裝設(shè)備與顆粒污染相關(guān)性試驗(yàn)

汽車硅片的存儲和運(yùn)輸離不開封裝，在這個過程中，封裝機(jī)的真空充氮系統(tǒng)尤其重要。封裝機(jī)的真空充氮系統(tǒng)負(fù)責(zé)給封裝袋內(nèi)的汽車硅片抽真空和充氮?dú)猓云鸬椒乐蛊嚬杵趸透稍锏淖饔谩５诔涞獨(dú)獾倪^程中也給汽車硅片以及汽車硅片盒帶來了顆粒污染，在高速氣體作用下，把噴嘴里的顆粒噴到封裝袋內(nèi)，進(jìn)而進(jìn)入汽車硅片盒內(nèi)污染汽車硅片，甚至可能對汽車硅片表面造成劃傷。

封裝機(jī)的真空充氮系統(tǒng)有兩種工作方式，一種工作方式是噴嘴只進(jìn)行吸氣抽真空，另一種則是既抽真空也充氮?dú)狻ａ槍@兩種工作形式，設(shè)計兩組實(shí)驗(yàn)來對比分析判斷造成汽車硅片被污染的原因。首先取兩個裝有相同數(shù)量汽車硅片的汽車硅片盒，在同一批次下分別對汽車硅片盒和汽車硅片進(jìn)行清洗，然后把這兩組汽車硅片，一組單純用封裝機(jī)噴嘴進(jìn)行真空，另外一組則真空后吹入氮?dú)狻Ｖ貜?fù)測試10次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，只抽真空的一組汽車硅片，顆粒污染程度較低，且10次試驗(yàn)后的顆粒數(shù)基本保持不變；而既抽真空又充氮?dú)獾囊唤M汽車硅片，顆粒污染程度較高，且10次實(shí)驗(yàn)后其顆粒污染數(shù)量有上升的趨勢。分析可知，這主要是因?yàn)樵谟梅庋b袋裝硅片盒的過程中，封裝袋內(nèi)進(jìn)入含有顆粒的空氣，噴嘴在抽真空的過程中把顆粒吸入噴嘴及管道內(nèi)，再次用其充氮時，殘留的顆粒跟隨氮?dú)庖黄疬M(jìn)入封裝袋內(nèi)，從而造成硅片的污染。

3 汽車硅片顆粒污染的解決方案

通過以上分析，我們得到造成汽車硅片封裝環(huán)節(jié)中出現(xiàn)顆粒污染的原因是封裝機(jī)噴嘴的重復(fù)使用，從而導(dǎo)致汽車硅片的污染。如果能夠避免封裝機(jī)噴嘴既真空又充氮，那么就會降低顆粒污染的水平。所以我們將對封裝機(jī)進(jìn)行硬件和軟件的升級，以期實(shí)現(xiàn)其對汽車硅片污染的減少。

圖5 改裝后的雙噴嘴封裝機(jī)

針對在對汽車硅片封裝中噴嘴既真空又充氮的問題，首先從硬件上對封裝機(jī)進(jìn)行改造，給封裝機(jī)設(shè)計兩個獨(dú)立的噴嘴，并與之設(shè)計相對應(yīng)的進(jìn)氣、出氣系統(tǒng)，使封裝機(jī)真空和充氮兩種工作互不影響。其次控制封裝時噴嘴吸氣和充氮的速率，找到最佳的適合速率。圖5為改造后的雙噴嘴封裝機(jī)。

圖6 改裝后封裝機(jī)數(shù)據(jù)

圖7 改裝后超標(biāo)次數(shù)

對封裝機(jī)噴嘴改造完成后，又對其吸氣、充氮的速率進(jìn)行了調(diào)節(jié)。隨后按照上文的測試方法取一組清洗后的汽車硅片進(jìn)行試驗(yàn)測試，測試結(jié)果如圖6所示。通過測試結(jié)果可以看出，在使用改裝過的封裝機(jī)進(jìn)行封裝作業(yè)后，汽車硅片的污染顆粒數(shù)屬于汽車硅片合格產(chǎn)品的控制范圍，且與只用噴嘴抽真空的那一組汽車硅片基本相一致。在隨后的生產(chǎn)過程中，對封裝機(jī)進(jìn)行了長時間的監(jiān)控，改進(jìn)后發(fā)生顆粒污染超標(biāo)的次數(shù)很少。

對封裝機(jī)進(jìn)行改造后，汽車硅片在封裝環(huán)節(jié)發(fā)生顆粒污染超標(biāo)的次數(shù)明顯減少，如圖7所示。這也再次驗(yàn)證了封裝機(jī)噴嘴重復(fù)使用，易造成汽車硅片在封裝環(huán)節(jié)顆粒污染超標(biāo)。

4 結(jié)論

根據(jù)文章提出的改善措施，在試驗(yàn)機(jī)臺上成功地驗(yàn)證了這些措施的有效性、可靠性和安全性。這些措施降低了汽車硅片封裝工藝中顆粒污染水平，提高了封裝機(jī)臺顆粒污染的穩(wěn)定性，降低了產(chǎn)品的良率損失，同時大大提升了生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。為汽車硅片生產(chǎn)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，但生產(chǎn)人員給汽車硅片帶來污染的因素仍然存在，今后將在硅片封裝機(jī)高度自動化方向進(jìn)行研究與探索。

[1] 楊雯惠,陳璐,張昕瑩.考慮設(shè)備時變效應(yīng)的晶圓加工序列決策調(diào)度方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2022,54 (7):29-36.

[2] 劉敏,鄭柳,何志,等.激光退火硅晶圓溫度場分布的數(shù)值模擬研究[J].激光與紅外,2022,52(4):515-521.

[3] 劉博源,江云,黃昭宇,等.基于晶圓級封裝的W波段微同軸天線小型化設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子學(xué)報,2022,50 (5):1098-1106.

[4] 王帆,劉磊,張勝兵,等.一種MEMS陀螺晶圓級真空封裝工藝[J].微納電子技術(shù),2019,56(3):248-252.

[5] 劉磊,王帆,喻磊,等.Ti基吸氣劑制備及其在MEMS晶圓級真空封裝中的應(yīng)用[J].微納電子技術(shù),2021,58 (5):439-445.

Analysis of Particle Contamination in Packaging Links in Automotive Silicon Wafer Production Process

ZHENG Xiaodong1,3, DONG Min*2

( 1.Wucheng County Water Conservancy Bureau, Dezhou 253000, China;2.Wucheng County Second Experimental Primary School, Dezhou 253000, China;3.Shandong Youyan Aisi Semiconductor Materials Company Limited, Dezhou 253000, China )

In the semiconductor manufacturing process, the packaging process requires nitrogen filling and vacuuming of automotive silicon wafers. This process is very important for the transportation and preservation of automotive silicon wafers. This paper mainly studies the degree of contamination of automotive silicon wafers by the packaging process, the impact on the process and the methods to reduce this impact. Due to the requirements of stability, non-polluting and anti-oxidation in the packaging process, it is necessary to carry out the process steps of nitrogen filling and vacuum suction on the automotive silicon wafer box containing the automotive silicon wafer, so as to remove the water vapor in the automotive silicon wafer box and oxygen is eliminated, and at the same time, the car silicon wafer box is filled with dry nitrogen, so as to avoid the formation of oxides on the surface of the car silicon wafer and improve the yield of the car silicon wafer. The reasons for the excessive particle pollution of automotive silicon wafers caused by the packaging process are analyzed, and by optimizing the packaging equipment and process flow of automotive silicon wafers, the impact of packaging processes on the particle pollution of automotive silicon wafers is effectively reduced.

Automotive silicon wafers; Packaging link; Particle pollution; Packaging device

U463

A

1671-7988(2023)03-150-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.028

鄭曉東（1995—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人，E-amil:746779739@qq.com。

董敏（1995—），女，E-mail:2206669028@qq.com。