功率半导体生产工艺问题及分析.docVIP

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1.引言

1.1选题理由

目前，全球新能源汽车市场正慢慢崛起，节能减排加速清洁能源普及，智慧城市带动智能发电和电网部署进程，叠加电池和能源存储需求加大等因素，加大了对功率半导体器件的需求。而功率半导体作为电子电力设备中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换（变频、变压、变流和功率管理）等，可以提高能量转换效率，减少功率损失，具有应用范围广、用量大等特点。

功率半导体的适用面非常广泛，与用途相对狭窄高端CPU不同，新能源汽车、智能家居、物联网、智能制造、电网改造、充电桩等应用都需要大功率驱动，因此功率半导体是增量最大的半导体元器件。

中国功率半导体市场被境外企业所垄断，国产化率低。在中高端IGBT器件中，中国90%以上的产品依赖进口。因此中国进口占需求比较高的半导体分立器件等，国产替代空间广阔。本文将介绍功率半导体的制作工艺，基于ASMX（汽车电子工艺）产线，分析其自动化生产工艺及主要问题。

1.2功率半导体简介

功率半导体主要分为功率分立器件和功率IC两大类，其中功率分立器件主要包括二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等产品。根据IHSMarkit的预测，MOSFET和IGBT将成为近5年增长最强劲的半导体功率器件。

IGBT（绝缘栅双极晶体管）：InsulatedGateBipolarTransistor，是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产物。IGBT是一种由控制电路来控制，是否导电的半导体。比如控制电路指示为通，那么IGBT就是导体，电流畅通，如果控制电路指示为断，那么IGBT就是绝缘体，电流断开。IGBT只要通过脉宽调制，就能轻松的把输入的直流电流变成人们所需要频率的交流电，或者将交流电转换为直流电。主要应用与工业、4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、新能源汽车等战略性新兴产业领域。

MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）：MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor。以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。MOSFET具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、电压控制电流等特性，在电路中，可以用作放大器、电子开关等用途

2.功率半导体的晶圆工艺

2.1功率半导体晶圆工艺的发展现状

在半导体领域，晶圆生产能力是根本，目前拥有晶圆生产能力的企业有两类：晶圆代工企业和IDM(垂直一体化企业)。晶圆代工赚的是加工费，而IDM模式则覆盖了半导体产业链三个环节：设计+制造+封装测试。水平,已成为衡量一个国家和地区经济发展水平的重要标志。

由于晶圆生产工艺中，其表面会形成薄膜，这需要光刻技术将它去掉。在晶圆制造过程中，晶体、电容、电阻等在晶圆表面或表层内构成，这些部件是每次在一个掩膜层上生成的，并且结合生成薄膜及去除特定部分，通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留特征图形的部分。

但我国的高端光刻机产能严重不足光刻机也叫掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等，常用的光刻机是掩膜对准光刻。光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。目前光刻机市场，以荷兰、日本的企业为主力军，全球能制造出光刻机的企业不足百家，能造出顶尖的光刻机的不足五家，在高端光刻机市场，中国企业几乎全军覆没。

2.2功率半导体的晶圆贴膜工艺

当一片片晶圆被制造出来后首先会经过晶圆贴膜（Wafermounting）这道工序。目前国内外厂家采用的大部分采用的都是全自动贴膜设备（如图2.1所示），此道工序的主要是将晶圆粘贴在粘膜的保护工艺，在后续的过程中晶圆可能会在机械应力的作用下而破裂或者卷曲，且晶圆的面积越大，约容易受到外力的影响，为了减少废品产生，通常会贴上一片薄薄的蓝膜来用于保护晶圆并方便切割时不散落。

在贴膜的过程中，需要保持粘附力，以确保在晶圆片和蓝色薄膜之间没有间隙或气泡，但在切割后，蓝色薄膜的粘附残留物不能留在晶圆片的表面。在生产中值得注意的是，该工艺通常是使用非紫外线减粘膜处理，这样的好处是附着力低，在设置好机器内的张力后，可显著降低气泡生产的固定方便，且该膜价格低廉，适用于大批量生产。

图2.1全自动贴膜设备

2.3功率半导体的晶圆切割工艺

晶圆切割则是封装过程中非常重要的一步，因为晶圆非常的薄，它更容易受到重大的机械应力损伤，导致严重产品的可靠性问题和晶圆片的损坏。切割晶圆片的方法有激光切割、划刀劈裂法或是金刚线切割等等，但最传统切割方法是用刀片切割，这也是最常用的方法。下面，我将主要介绍金刚石划片刀的切割原理及其影响。

晶圆金刚石划片切割时采用金刚石颗粒与粘结剂组成的刀片